大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式

1、第 26卷 第 12期 岩石力学与工程学报 V ol.26 No.12 2007年 12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec. , 20072007 05 09; 2007 06 03国家重点基础研究发展规划 (973项目 (2002CB412702; 国家自然科学基金资助 项目 (40702052;中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX3 SW L1, KZCX2 YW 109李守定 (1979 ,男,博士, 2001年毕业于长安大学水文地质与工程地质系, 现为助理研究员,主要从事工程地质力学和地质灾害方面的研究

2、工作。 E-mail :lsdlyh李守定 1,李 晓 1, 吴 疆 2, 刘艳辉 1, 3 (1. 中国科学院 工程地质力学重点实验室, 北京 100029; 2. 重庆市万州区地质环境监测站,重庆 404000;3. 中国地质环境监测院,北京 100081 大型基岩顺层滑坡是对人民生命财 产及国家重要基础设施安全危害较为严重的滑坡类型,滑带的性质对于这类滑坡具有控制作用,大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式成为这类 滑坡研究的重要科学问题。以三峡库区为例,在分析基岩顺层滑坡分布与滑带发育特征的基础上,将滑带形成演 化过程划分为 3个阶段:原生软岩、层间剪切带和滑带;通过滑带形成过程中原生

3、软岩、层间剪切带和滑带的性质 对比,研究滑带形成过程中的物理性质、岩石矿物组成和含量、微结构和连接特征、矿物微观演变、物理化学性 质和物理力学性质的演化过程,最后总结得出滑带形成演化模式。边坡工程;基岩顺层滑坡;滑带;形成演化;模式P 642 A 1000 6915(200712 2473 08EVOLUTION PROCESS AND PATTERN OF SLIDING ZONE IN LARGE CONSEQUENT BEDDING ROCK LANDSLIDELI Shouding1,LI Xiao1, WU Jiang2, LIU Yanhui1, 3 (1. Key Laborat

4、ory of Engineering Geomechanics , Institute of Geology and Geophysics , Chinese Academy of Sciences , Beijing100029, China ; 2. Chongqing Wanzhou Institute of Geological Environment Monitoring , Chongqing 404000, China ;3. Chinese Institute of Geological Environment Monitoring, Beijing 100081 , Chin

5、aAbstractLarge consequent bedding rock landslide is one of the most serious geological disasters. The evolutionof landslide is controlled by the characters of sliding zone. And then , evolution process and pattern of sliding zonein the landslide become the key scientific questions. Firstly , the dis

6、tribution and sliding zone development of largeconsequent bedding rock landslides in the Three Gorges Reservoir area are analyzed. Secondly , the evolutionprocess of sliding zone of the landslide is divided into three stages, i.e. original soft rock , interbedded shear zoneand sliding zone. Thirdly

7、, the evolution of sliding zone characters is studied by comparing the characters in thethree stages. By field investigation, grain test, X-ray diffraction(XRD, differential thermal analysis(DTA,scanning electronic microscope and energy dispersive X-ray(SEM-EDX, physicochemical test and physico-mech

8、anical test , the physical property , clay mineral component and content , microstructure and contact feature,physicochemical property and physico-mechanical property are systemically studied. Finally , the evolution patternof sliding zone in large consequent bedding rock landslide is shown. The fol

9、lowing conclusions can be drawn inthe evolution of sliding zone. (1 The grains size become finer. (2 The content of clay mine rises, the interbeddedshear zone is montmorillonitization ; and the sliding zone is illitization and kaolinitization. (3 The microstructuralcharacter of interbedded shear zon

10、e is most unfavorable. (4 The physicochemical and physico-mechanicalcharacters of the intebedded shear zone are most unfavorable. (5 The characters of the interbedded shear zone are ? 2474 ? 岩石力学与工程学报 2007年 most unfavorable ; and the landslide with interbedded shear zone should be paid more attentio

11、ns to.Key words:slope engineering; consequent bedding rock landslide; sliding zone; formation and evolution; pattern1滑坡灾害历来都是影响人类社会发展和经济进步的主要地质灾害类型。中国是世界上滑坡分布最广、危害最严重的国家之一。滑坡灾害遍及全国山地丘陵区,已知数量近百万处之多,活动面积约占国土面积的 45%,每年造成数百人死亡,带来数十亿元的经济损失 1。大型滑坡对于人民生命财产及国家重要基础设施安全危害最大,其中基岩顺层滑坡比例最大。以我国滑坡灾害较为严重的长江三峡库区为例,基

12、岩顺层滑坡占滑坡总数的 62.0%2。2003年 7月 13日发生的姊归千将坪滑坡,体积约为 2 400104 m3,导致 24人死亡或失踪, 经济损失达 5 735万元以上 3;2004年 9月 5日发生的万州吉安滑坡,体积约为 700104 m3,摧毁了当地一个重要的集镇、公路和在建高速公路,滑坡形成的堰塞湖给下游的人民生命财产带来了极大威胁 4。滑带的性质对于大型基岩顺层滑坡具有控制作用。滑带是在内外动力作用下,经过地质历史长期演化而形成的,直接影响着滑坡的发育、发生、复活和解体。根据三峡库区干流库岸 283处崩塌滑坡发生的地层层位和岩性的统计结果,约有 90%的崩滑发生在含有软弱面或软

13、弱层 (带 的层状岩层中 5,而基岩顺层滑坡滑带主要发育在这些软弱层 (带 中,常见的软弱层包括强度较低的泥岩、页岩及其层面、含煤岩层等。滑带的形成直接控制着基岩顺层滑坡的发育演化阶段,滑带性质的演变也决定着滑坡稳定性。因此,大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式成为大型基岩顺层滑坡成因演化的关键科学问题。由于滑带在滑坡稳定中起着很重要的作用,国内外很多专家对滑带土的特性进行了许多研究。 A.W. Skempton6, 7,R. J. Chandler8, S. Gibo等 9,G . Mesri和 M. E. M. Abdel-Ghaffar10,任光明等 11, 12 先后对滑带土的强 度

14、特性进行了深入而系统的研究。其中, A. W. Skempton7对峰值抗剪强度、完全软化强度、残余抗剪强度的相互关系进行了很好的说明;R. J. Chandler8,S. Gibo等 9,任光明和聂德新 11在滑带土再生强度研究方面取得很大进展; R. J.Chandler8首先指出,在滑坡的再次滑动之前,滑带土的抗剪强度有一个稳定的恢复阶段; S. Gibo 等 9通过环剪试验对该问题进 行了研究;任光明等 12将滑带土的强度恢复又称为强度再生,并对某一滑 坡滑带土的再生强度进行了研究。武 雄 13对三峡库区 3种不同的滑带细粒土的抗剪强度随含水量的变化规律进行了专门试验,得出滑带土的抗剪

15、强度均随含水量的的增加而降低,呈 e 指数形式降低。王洪兴等 14、B. P. Wen和 A. Aydin 15也研究了滑带黏土矿物特征对于滑带强度的影响。陈德基研究得出了三峡库区滑坡滑带的平均内摩擦角为 16.78,黏聚力为 12.22 kPa。罗 冲等 16通过大量的试验研究了重庆万州滑坡滑带抗剪参数的概率分布。在滑带形成演化研究方面, H. Shuzui17通过研究日本 5个火山岩区的滑坡发现,第三系凝灰岩或者凝灰岩滑坡在滑带附近重新复活的主要原因有:沿着滑带黏土矿物含量提高;地下水的活动促进了蒙脱石的的形成;蒙脱石的增加导致抗滑力的下降。 R. W. Fleming等 18研究认为,滑

16、带的密度比上覆土层的要低,滑坡移动过程中的膨胀可能是滑带疏松的原因。前人在不同区域的滑坡滑带有大量的研究,多注 Engineering , 2005, 24(17:3 146 3 153.(in 第 26卷 第 12期 李守定, 等 . 大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式 ? 2475 ? (2 岸坡结构直接控制了库区崩滑体的分布与发育程度。崩滑体发育强度由强至弱的顺序为:倾外层状岸坡、平缓 (及软弱基座 层状岸坡、倾内层状岸坡、其他类型岸坡。顺向岸坡是大型滑坡的温床 2。(3 三峡库区干流 215个崩滑体中,基岩顺层滑坡为 101个,所占数量百分比为 62.0%,体积百分比为 77.3%

17、2。(4 三峡库区 39个巨型、大型崩滑体中,有 25个为基岩顺层滑坡,数量百分比为 64.1%19。这些 基岩顺层滑坡绝大部分发育在侏罗系砂泥岩层、三 叠系巴东组泥岩、泥灰岩、粉砂岩互层的层状碎屑 岩组中,其中侏罗系岩层中 20个,占总数的 51%; 巴东组 10个,占 26%。2.2对干流库岸 283处崩塌滑坡发生的地层层位和 岩性 5进行统计,大型基岩顺层滑坡滑带发育有如 下特征。大型基岩顺层滑坡主要发生在含有软弱面或软 弱层 (带 的层状岩层中。软弱岩包括强度较低的泥 岩、页岩及其层面、含煤岩层等。侏罗系与中上三 叠统岩层在库区广泛分布,约 90%的崩滑发生在此 类岩层中。侏罗系遂宁组

18、、蓬莱镇组、珍珠冲组和 中三叠巴东组、须家河组地层变形破坏相对较大, 巨型、大型滑坡多。大型基岩顺层滑坡滑带主要发育在软弱岩层与 硬岩的交界处,薄层软弱岩层中。发育滑带的岩层 常见层间剪切现象,甚至发生泥化。例如,宝塔滑坡 20滑带发育在侏罗系蓬莱镇组 第六层泥岩 (6p3J中,该层泥岩常见层间剪切和泥化现象;千将坪滑坡 3滑带发育在侏罗系聂家山组 (J1 2n薄层炭质页岩中,该薄层页岩历史上至少遭受了两次层间剪切作用,裂隙发育;吉安滑坡 4滑带发育 在珍珠冲组 (J1z薄层碳质页岩中,层间剪切现象发育。3由上节三峡库区基岩顺层滑坡分布与滑带发育 特征可知,滑带发育层为软弱岩层,并存在大量的

19、层间剪切和泥化现象。层间剪切作用和泥化作用可 导致软弱岩层物理力学性质严重恶化,最终形成滑 带。软弱岩层经过层间剪切作用和泥化作用后形成 软弱夹层、软化夹层、泥化夹层或软弱层带,统称 为层间剪切带 21。因此,可将基岩顺层滑坡滑带形成演化过程分 为 3个阶段:原生软岩、层间剪切带和滑带。 滑带形成演化过程三阶段力学性质分为:应力 集中阶段、发生小变形阶段和发生大变形阶段。应 力集中阶段对应的是层间剪切带初始形成阶段,原 生岩组在构造应力或重力作用下发生应力集中,此 阶段属于原生软岩遭受外力,发生应力集中;发生 小变形阶段对应的是原生软岩层间剪切带,层间 剪切带原生软岩发生剪应力集中,结构连接发

20、生破 坏,在地下水的作用下,组构发生进一步变化,此 阶段层间剪切带在物理性状上属于有岩有土;发生 大变形阶段对应的是层间剪切带滑带,层间剪切 带强度蜕化到发生较大的剪切变形,此阶段层间剪切带在物理性状上以土为主,对于斜坡来讲,发生了滑坡。对于三峡库区侏罗系基岩顺层滑坡来讲,滑带形成演化的条件为:淡水湖相沉积和泛滥平原相沉积是其沉积学物质基础,软硬相间的岩层层序是其发育的地层结构条件,多期复杂构造运动 (燕山运动、喜山运动和新构造运动 的作用是其发育的内动力条件,暖湿的气候环境为其提供了必要的外动力条件。滑带形成演化阶段划分见图 1。图1 基岩顺层滑坡滑带形成演化阶段划分Fig.1 Divisi

21、on of evolution stages of sliding zone in consequent bedding rock landslide南 ? 降。 R. W. Fleming等 18研究认为,滑带的密度比上 覆 土 层 的 要 低 , 滑 坡 移 动 过 程 中 的 膨 胀 可 ? 2476 ? 岩石力学与工程学报 2007年 4通过滑带形成三阶段原生软岩、层间剪切带和滑带的性质对比研究,来搞清滑带形成演化过程的 性质演化,包括物理性质的演化、物理化学性质的 演化和物理力学性质的演化。物理性质的演化主要研究物理性质的演变、岩 矿组分的演变和微结构与连接的演变;物理化学性 质的演

22、化主要指,在温度和压力的环境下,地下水 化学场的作用导致层间剪切带的矿物及环境演变的 物理化学过程;物理力学性质的演化主要指物理力 学性质发生的变化。选取典型的基岩顺层滑坡:秭归千将坪滑坡、 云阳鸡扒子滑坡、万州安乐寺滑坡、万州吉安滑坡 进行研究,分别从侏罗系上统、中统和下统地层选 取典型层间剪切带进行研究。研究采用的主要方法见表 1。表1 研究采用的主要方法Table 1 Main methods used in study 主要性质 主要指标 主要方法粒度成分物理性质液、塑限颗粒分析试验界限含水率试验黏土矿物绝对含量黏土矿物相对含量 岩矿组分黏土矿物有限含量差热 (DTAX 光衍射 (XR

23、D分峰技术定量计算XRD微结构模式连接类型微结构与连接矿物微观演变扫描电镜 (SEM扫描电镜 X 光能谱(SEM-EDX比表面积、有机质、 pH 值物理化学性质交换阳离子组分含量酸碱度、有机质试验含水量、密度物理力学性质抗剪强度参数含水量试验、直剪试验4.1分别对各个研究点的原生软岩、层间剪切带和 滑带进行颗粒分析和液限、塑限试验,结果如图 2 和表 2所示。滑带形成演化过程中,粒度变细,从黏粒到粉粒图2 滑带形成演化过程粒组对比曲线Fig.2 Grain comparison curves of evolution process ofsliding zone 表2 三峡库区典型滑坡层间剪切

24、带稠度性质Table 2 Consistency properties of interblended shear zone of typical landslides in the Three Gorges Reservoir area 位置与类型 液限 /% 塑限 /% 塑性指数 /%千将坪滑坡层间剪切带 40.56 19.40 21.16千将坪滑坡滑带 30.29 16.52 13.77万州层间剪切带 36.40 22.10 14.30安乐寺滑坡滑带 34.10 20.10 14.00吉安滑坡滑带 27.36 17.04 10.32故陵滑坡滑带 38.40 15.20 23.20鸡扒子滑

25、坡滑带 36.26 17.09 19.17均有增加的趋势;从各个粒径含量的整个演变过程看,胶粒含量增加,黏粒含量增加,粉粒含量增加。 层间剪切带演化到滑带过程中,液限、塑限和塑性指数均降低,滑带塑限大多在 17%附近。4.2由于三峡库区基岩顺层滑坡滑带的主要成分为黏土矿物,黏土矿物具有亲水性和膨胀性,其含量和组成对于滑带的工程性质至关重要。因此,通过研究黏土矿物的组分和含量变化来研究滑带岩矿组分的演化。黏土矿物中有蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石等不同晶格结构的黏土矿物,而黏土矿物的组成并非这几种矿物简单的聚合,而是多以两种矿物的混层聚合的形式存在 22, 23,因此运用分峰技术对黏 75 65

26、55453525155-52.02.00.50.50.250.250.0750.0750.0050.0050.002某粒径范围土质量百分比 /% 粒径范围/mm53241761千将坪滑坡区原生软岩2千将坪滑坡区层间剪切带3千将坪滑坡滑带4鸡扒子滑坡区层间剪切带5鸡扒子滑坡滑带6万州层间剪切带7万州安乐寺滑坡滑带 de南 ? 降。 R. W. Fleming等 18研究认为,滑带的密度比上 覆 土 层 的 要 低 , 滑 坡 移 动 过 程 中 的 膨 胀 可 ? 第 26卷 第 12期 李守定, 等 . 大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式 ? 2477 ? 土矿物 XRD 谱图进行解释并进

27、行定量计算。黏土矿物测试仪器采用日本 Rigaku 公司的D/MAX 2500型 X-Ray 衍射仪,试验标准依据沉积岩黏土矿物相对含量 X 射线分析方法 (SY/T5163 1995 ,测试数据处理使用美国 Jade MDI软件。将测试样品捣碎碾磨,使用乙二醇处理获得 &嘷 X 僐 ? 鳺 第 26卷 第 12期 李守定, 等 . 大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式 ? 2479 ? 表 9 三峡库区滑坡滑带形成演化过程中物理力学性质Table 9 Physico-mechanical properties during evolution process of sliding zone

28、 of landslides in the Three Gorge Reservoir area 天然抗剪强度峰值天然抗剪强度残余值饱和抗剪强度峰值饱和抗剪强度残余值位置与类型天然含水量 /%天然密度/(gcm -3干密度/(gcm -3相对密度饱和密度/(gcm -3饱和度/%c/kPa?/(c /kPa? /(cw/kPa ?w/( wc/kPaw?/(千将坪层间剪切带14.59 1.68 2.69 1.92 65.020.5019.005.0018.4 千将坪滑带19.89 1.36 2.63 1.63 56.028.3018.2013.8017.6 安乐寺层间剪切带40.0824.60

29、 18.80 18.24安乐寺滑带62.03 6.44鸡扒子泥岩2.812.61 2.54 2.62 4 000.0038.65 3 700.00 36.73鸡扒子滑带16.09 2.10 1.81 2.76 2.15 84.362.1017.1243.8613.1 36.83 12.80 25.749.48图5 三峡库区基岩顺层滑坡滑带形成演化模式图Fig.5 Evolution pattern of sliding zone of consequent beddingrock landslide in the Three Gorges Reservoir area6根据以上分析,可得到如下结论:(1 基岩顺层滑坡滑带形成演化过程分为 3个阶段:原生软岩,层间剪切带和滑带。(2 滑带形成演化过程中,滑带粒度有变细的趋势。黏土矿物绝对含量有增加的趋势,层间剪切带伊利石 /蒙脱石混层矿物相对含量最大,从原生软岩层间剪切带的演变过程中,蒙脱石的有效含量增大,从层间剪切带滑带演变的过程中,伊利石和高岭石的有效含量增大。原生软岩层间剪切带过程中,定向性变高,碎屑出现溶蚀,碎屑矿物转变为黏土矿物。滑带形成演化过程中, pH 值均呈弱碱性,有升高的趋势;层间