再论高速滑坡的闸门效应及其运动特征

1、第8卷第4期1997年12月中国地质灾害与防治学报THE CHIN ESE JOURNAL OF GEOLO GICAL HAZARD AND CON TROL Vol 18No 14Dec.1997再论高速滑坡的“闸门效应”及其运动特征徐峻龄(铁道部科学研究院西北分院,兰州,730000作者简介:徐峻龄,男,研究员,铁道部科学研究院西北分院滑坡研究室主任,中国地质灾害研究会理事。长期从事滑坡防治方面的研究工作。3该文的中文稿刊登于路基工程1991年第1期上。提要作者曾在1989年提出关于高速滑坡形成机制的一种解释“闸门效应说”,此后,又进行了这方面的模型试验,并在滑坡预报研究中监测到焦家村滑

2、坡的变形过程,二者均证明“闸门效应说”是正确的,本文对此做了简要介绍。本文还据实际观察到的现象指出,由于环境条件不同,高速滑坡滑体的运动既可以表现出滑动特征,也可以很快转化成碎屑流表现出流动特征。关键词高速滑坡形成机制运动特征“闸门效应”一、前言高速滑坡,尤其是高速远程滑坡,由于其“突发”、高速和远程往往会造成其他类型滑坡无法比拟的极其严重的灾害。因而,人们对其发生机制(巨大的滑体何以能高速启动和运动机制(滑体何以能运动非常远的距离进行了较广泛较深入的研究。1989年,作者曾在日本举行的日中滑坡和泥石流讨论会(The Japan 2China Symposium on Landslides a

3、nd Debris Flows 上发表了一篇论文高速滑坡形成三要素及“闸门”效应(Three Ele 2ments for Forming High Speed Landslide and Its “Floodgate Effect ”3,要点为:(一通过对高速滑坡的堆积特征、变形特征和运动特征的分析,提出了形成高速滑坡必须具备的三个缺一不可的条件:11在开始运动的一瞬间,滑体必须能够释放巨大的能量。21滑坡出口必须高出坡脚一定距离。31滑坡前方必须有听任滑体向前自由运动的广阔空间。(二依据高速滑坡的形态(堆积特征和变形特征以及幸存着的叙述分析推断,认为高速滑坡的滑体是在空中“飞行”,而不是贴

4、地面“滑动”,并且认为,这种“飞行”状态是在气垫效应和颗粒流效应共同作用下实现的。(三形象地提出了产生高速滑坡的“闸门效应”机制。其含意是:由于某种特定的地质条件,滑带中段首先饱水软塑产生蠕动滑移,滑体后缘土体因此而严重开裂并不断发11开始注水之后,“地下水”首先将注水管口到滑床陡缓变坡点一段的滑带浸润泡软,由于该段滑带上覆滑体的重量及第一级平台上附加荷载的作用,中段滑体产生沉陷,在不均匀沉陷的影响下产生拉张裂缝a 。由于前段滑带尚未湿软,故滑体的沉陷略带旋转性质,再兼滑体沿滑带向前蠕动,所以裂缝a 呈现下宽上窄的形态(有的学者称之为“压致拉裂”。21随着滑带湿软范围的逐渐扩大,中段滑体向前蠕

5、动愈加明显,导致后部滑体失稳,首先在坡顶出现拉张裂纹b ,并逐渐向下发展,故而其形态为上宽下窄。31随着裂纹b 的逐渐发展,位于较陡滑床上的后部滑体也开始蠕动滑移,这时显现出剪切裂纹c 。41当注水管口以上滑面几近贯通时,后部滑体由于其滑床坡度较陡开始显著地推挤中前部滑体,滑体最前缘发生掉块现象,但前缘滑带尚未贯通。51随着前缘滑带的完全剪断贯通,整个滑体(由后向前迅速下滑。上述试验结果说明,“闸门效应说”是正确的,依滑带的力学特性将其分成四段是合理的,恰当的(就本模型而言,AB 段是拉张开裂段,BC 段是剪切破坏段,CDE 段是蠕动滑移段,EF 段是相对锁固段。如其他条件不变,但不设锁固段,

6、则仅出现裂缝a ,不待出现裂缝b ,中前部土体便整体下滑,此足以说明前缘相对锁固段的重要性。三、焦家村3号滑坡的变形过程焦家村3号滑坡位于甘肃省永靖县境内黄河四级阶地边缘。四级阶地高出二级阶地百米许,由于三级阶地缺失,四级阶地边缘形成陡崖和陡坡。四级阶地上部厚40余米为黄土,下部厚60米左右是白垩系红色泥岩夹砂岩,二者之间为58m 厚的卵石层。由于四级阶地上耕地大面积超量漫灌,大量地下水下渗,除阶地边缘的基岩顶面和部分层面上常年有地下水渗出外,还在黄土层下部形成了厚20余米的饱水软塑层。图3焦家村3号滑坡主轴断面图Fig 13The main profile of Jiaojia Villag

7、e No 13Landslide 黄土;饱水软塑状黄土;卵石层;白垩系红层;滑面;钻孔基于上述环境地质条件,该四级阶地塬边滑坡非常发育,由于几乎没有采取工程措施,因而多数滑坡均不止一次地滑动过,焦家村3号滑坡即其中的一个。图3为其滑前主轴断面图。当1995年35月,我们经两次踏勘拟在该滑坡开展监测预报研究工作时,该滑坡后部的四级阶地面上已有4条长大贯通裂缝,但除其中1条有新近变动迹象外,其余均为已暂时稳定的老裂缝。在设置了相应的监测设备并经7个多月的监测,通过运用我们自行研制开发的“滑坡位移无线遥测预报系统”对其做出后平稳地“降落”在下伏地面上,滑坡堆积体周边并无散射的岩土碎屑。高速运动的滑体

8、降落到地面上时能量已消耗殆尽,在下伏平坦地面摩阻力的“制动”作用下迅速停止运动,除在最前缘可见少量“铲起”下伏地面现象外2,其堆积体并不显示流动特征。但是,如果原滑坡前方并不平坦开阔,而是有一定的纵坡,尤其是有一定纵坡的或宽或窄的沟谷,且滑坡出口处不是陡坎或陡坡,滑体高速启动时前缘滑体并不明显“悬空”,则高速启动的滑体迅速充分解体(位于滑体前缘的结构疏松的黄土在后部滑体的巨大冲击力作用下非常容易充分解体后,块体运动迅速变成碎屑流运动,在巨大动能的驱使下,滑体以碎屑流形式向前运动,于是便出现了钟立勋所说的一些“快速流动”现象:“沟谷中呈现纵向物质序列,且两侧多隆起高于中央,界线分明,无喷射和散布

9、的碎屑,亦无液体流动痕迹”,“多处见倾向下游的擦痕”等等3。作者在焦家村3号滑坡堆积体的中前部见到了广泛分布的极为明显的“流线状堆积”,作者以为,此即钟立勋所说的“纵向物质序列”。这种所谓“流线状堆积”完全受或宽或窄、或长或短的沟谷的控制(该滑坡在此前曾不止一次滑动过,滑坡体前方地面已成凹凸不平状,在沟谷中高速运动的已充分解体的黄土,一方面由于沟谷中心通常纵坡较大,另一方面在沟谷中心部位运动的主体与其两侧同样在运动中的土体间摩阻相对较小,故运动速度较快,不仅形成中间低两侧高的一条条纵向土垅,而且这些纵向土垅随沟谷的弯转而弯转,构成非常流畅园滑的“线状堆积”,在一条条纵向土垅的分界面上常可见到清

10、晰的向下游倾斜的擦痕。可以设想,如滑坡出口处的地形形态如图3中虚线所示,则其运动堆积形态将与洒勒山滑坡雷同。1996年3月14日晚8时发生的焦家村6号滑坡亦表现出与焦家村3号滑坡完全相同的运动堆积形态。五、结语11通过物理模型试验和焦家村3号滑坡的孕育发生过程可以证实,作者1989年提出的解释高速滑坡(尤其是高速远程黄土滑坡发生机制的“闸门效应说”是正确的。21高速滑坡的滑体在高速启动之后,随环境条件的不同可以有不同的运动方式:如滑面出口段基本水平,滑坡出口“悬空”,且滑坡前方平坦而开阔时,滑体将在气垫效应和颗粒流效应的共同作用下以“整体的齐头并进的方式”运动,显示出块体的“滑动”特征;如滑坡

11、出口不“悬空”,且滑坡前方为有较大纵坡的沟谷时,滑体将可能迅速转化成干碎屑流,呈现出明显的流动特点;在暴雨中产生的此类(指前述之后者高速滑坡将会转化成泥石流4。但是,不论哪一种运动方式,都具有极高的速度,危害极大,如1983年发生的甘肃省洒勒山滑坡5和1991年发生的云南省昭通头寨沟滑坡碎屑流3均造成了极其惨重的损失。所以,事前对这类滑坡做出准确的预测预报具有非常重要的意义。参考文献1徐峻龄1高速滑坡形成三要素及“闸门”效应1路基工程,1991,No11(下转第104页岩体被切割成结构体。另外,该区地层倾角近于水平,岩层原始沉积结构面发育,在三组结构面的共同作用下,岩体十分破碎。加上地形条件,

12、岩体一旦受到外力作用,极易产生崩塌。这次崩塌产生的外动力是地表流水。7月28日晚开始的大暴雨,形成了强大的地表迳流(黄土区地表水不易下渗,地表迳流一旦进入基岩出露区,沿裂隙或节理迅速下渗,并不断冲蚀裂隙面,使之逐渐加宽变大,地下水流遇近水平的沉积结构面后又向东侧向渗出。由于裂隙及节理极发育,水流速度快,冲蚀岩体的冲力大,最终导致岩体大规模失稳崩塌。另外一个不可忽视的因素是人类活动的影响。近十几年来,改革开放的政策使府谷乡镇企业蓬勃发展。府天公路沿线有数十座厂矿,其中有数座小煤矿,小煤矿开采水平均在当地侵蚀基准面(810m以上,而公路路面标高介于810840m,采矿使路西侧的岩体整体变形,向东侧

13、微倾。这一现象已被证实1。同时大量工矿企业采石、建厂对岩体稳定也有一定的影响。总之,人类活动因素对灾害发生的影响不可忽视。参考文献1范立民,韩树青1陕北微波工程府谷站地裂缝成因探讨1中国煤田地质,Vol.5,No.4,1993(上接第27页2徐峻龄1高速滑坡形成诸问题探讨1滑坡文集第10集,中国铁道出版社,19933钟立勋1我国一次罕见的滑坡碎屑流1兰州大学学报,自然科学版第28卷,增刊,甘肃滑坡泥石流学术讨论会文集,19924胡广韬1动力滑坡学1陕西科学技术出版社,19885甘肃省科学技术委员会1洒勒山滑坡综合考察报告1水土保持通报,1983,No.3RECENT STU DY ON THE

14、 PRESUMPTION OF SL UICE2VAL VE AN D MOVEMENT CHARACTER OF RAPID LAN DSL IDESXun J unling(N orthwest B ranch,Chi na A cademy of Rail w ay Sciences,L anz hou,730000AbstractThe presumption of sluice2valve was proposed by the present author as a kind of explana2 tion for the formation mechanism of high2

15、speed landslides in1989.After that,the author and his co2workers carried out some modeling tests in this area,and obtained the deformation pro2 cedure of Jiaojia Village Landslide,a case study for predicting the failure time of slope.Both of them shown that the presumption of sluice2valve is reasona

16、ble and believable,which was intro2 duced in this paper.Moreover,according to the macro traces from field investigation,the pre2 sent author pointed out that the movement of a rapid landslide could represent the sliding char2 acter or change into a debris flow to show the flowing features.K ey w ord

17、s:rapid landslide,formation mechanism,movement character,“floodgate ef2 fect”(sluice2valve展,但中段的饱水软塑带尚未发展到前缘,滑带尚未贯通,前缘土体的抗力维系着斜坡的总体平衡。当饱水软塑带不断发展,直至前缘相对“干燥”的土体不足以抵抗不断增大的下滑力时,即发生脆性破坏,前缘土体突然被剪断,犹如水坝的闸门突然全部打开,它所拦挡的土体便依附着摩阻力早已很低的滑面倾泻而下,恰如洪水暴发,故称之为“闸门效应”。滑体一旦滑动,比静摩擦还要低的动摩擦更助长了这一势头。由于克服摩阻力所消耗的能量很少,原滑体的势能及积

18、蓄的应变能又很大,故而滑体能够产生很高的初速度1。近几年,我们不仅通过模型试验和数值分析对这一问题进行了研究,而且有幸在滑坡预报研究中通过一个滑坡的孕育、滑动过程再次证实了“闸门效应说”的正确性。现将有关资料及研究结果奉上,供研究这一问题的专家学者参考。二、关于“闸门效应”的模型试验 图1模型设置图Fig 11An outline map of the model 如前述,“闸门效应说”是有关高速滑坡形成机制的一种定性解释,所以,模型试验的目的也是为了得到一种定性的验证。模型各部分的形状、尺寸及相互比例是据几个实际滑坡综合确定的(图1。滑床用红粘土制作,滑体直接用黄土堆筑而成,倾斜35

19、6;的滑床中段设置一细水管以便补给地下水,前缘的土埂阻止地下水顺滑面外泄,起“锁固”作用。通过多次试验发现,除去一些随机出现分布无规律的零星裂纹而外,纵观试验全过程,从出现极细微的裂纹,经扩大成裂缝,直至整体下滑,可分成下述五个子过程(图2: 图2主要裂纹、裂缝素描图Fig 12The sketch of major fissures and cracks11首先在注水管出口附近出现第1条拉张裂纹a ,并由下向上逐渐发展,形成下宽上窄的形态。21当第1条裂缝发展到相当程度或大体贯通时,在后部平台顶出现第2条拉张裂纹b ,并由上向下发展,逐渐伸展到滑床,形成上宽下窄的形态。31当第2条裂纹b 发

20、展到接近滑床时,在注水管出口以上部分的滑面段出现细微的剪切裂纹c (呈羽状或锯齿状。41随即,滑体前缘开始掉块(d 。51随即,在后部滑体推动下,裂缝b 以前的整个滑体迅速下滑。模型左右两侧面的开裂变形大体是同步的,有时出现的不同步主要是因“地下水”渗流不均匀造成。对上述变形过程可做如下解释:了极准确的临滑预报 , 误差仅 8 分钟 ( 怎样做出了这样准确的预报不是本文拟阐述的内 容 , 不赘述 。 通过对焦家村 3 号滑坡的监测 , 纵观其发展直至高速下滑的整个过程 , 再次证实关于 高速滑坡的 “闸门效应说”是正确的 。 在长达 7 个多月的监测过程中 ,不仅后缘主裂缝的变动迹象从约略可见

21、发展为最后张 开 30 余厘米 ,下错 50 余厘米 ,其他裂缝也都有不同程度的极明显的变化 ,原滑坡壁上方的 阶地边缘还曾发生过局部坍塌 ,但滑坡前部却几乎看不到明显变化 ,能看到的只有两点 : 11 直到 1995 年 1 月底 2 月初 , 才在原滑坡壁下部极光滑的表面上出现细微的水平分 布的叠瓦状裂纹带 ( 图 3 中 A 处 , 这显然是厚 30 米左右的黄土下错蠕动所致 。 21 几乎与出现上述裂纹同步 , 图 3 中 B 处一线 , 即上覆于卵石层之上的较疏松黄土 有断续溜坍现象 , 说明滑坡前缘开始蠕动 。 上述两点说明 , 直到 2 月 13 日滑坡剧滑前夕 , 前缘才有蠕动迹象 。 据对位于主轴断面上的位移计获取的监测资料的统计分析可知 , 1996 年 1 月 18 日以 前 , 日位 移 量 基 本 上 在 012 210 mm 与 014 势 , 且愈接近剧滑日位移量的增长愈快 。结合前述 宏观迹象可知 , 直到 1 月底 2 月初滑体位移开始急 剧加速时 ( 1 月 31 日累计位移