红层软岩滑坡成因机制与变形机制研究

红层软岩滑坡成因机制与变形机制研究

红层软岩是指侏罗纪、白亚系和第三系砂岩、粘土、岩屑、砂岩、粘土和岩屑的软弱交替岩石。红层软岩岩体强度低、工程地质性质较差,岩层呈紫红色、褐红色及暗红色,具透水性弱、亲水性强,浸水后岩体强度软化,失水后易产生崩解等特征。中国红层软岩分布广泛,红层出露总面积约46×104km2,占国土面积的近5%,在中国西部地区的甘肃、四川与云南省红层软岩大面积分布。红层软岩滑坡具有分布范围广、突发性强、灾害严重等特点。红层软岩属内陆河流、湖泊相沉积地层,沉积历史较短,成岩程度差,岩体强度低,属软质岩类。红层软岩抗风化能力差,水敏感性强,遇水岩体强度大幅度下降,在各种地质营力的作用下,岩体完整性不断破坏,岩层层面结构强度不断软化,逐渐演化为滑动面,形成红层软岩顺层滑坡。据统计,中国西部地区红层软岩滑坡约占各种类型滑坡总数的四分之一,其中顺层滑坡约占红层软岩滑坡总数的1/3。红层软岩滑坡灾害频发,滑动规模大,严重威胁国家和人民的生命财产安全。1滑坡分类中国目前广泛采用的滑坡分类方法为3级分类法,第一级分类方法按滑坡体的物质进行分类,将红层软岩滑坡划分为黄土—红层滑坡,堆积层—红层滑坡与红层滑坡3种基本类型;第二级分类方法按滑坡体的规模、厚度与主滑动面成因类型进行分类,将红层软岩滑坡划分为坡面滑坡,坡脚滑坡与坡基滑坡3种基本类型;第3级分类方法要求突出滑坡的主要特点和工程目的,将红层软岩滑坡划分为堆积面滑坡,构造面滑坡,顺层滑坡与切层滑坡4种基本类型。根据滑坡的3级分类方法,结合中国西部红层软岩滑坡的成因、分布特征及其危害,对甘肃、四川和云南3省及相关地区的红层软岩公路滑坡建议采用滑坡体的物质组成,滑坡规模、滑坡形成原因、滑动面成因类型、坡体结构、滑动面与岩层层面的关系与滑坡剪出口位置的综合命名法进行划分,将中国红层软岩滑坡划分为36种基本类型。采用红层软岩滑坡综合命名法可直观、快速的判断出红层软岩滑坡与危害地域的关系,便于采取合理、有效的滑坡防治对策,减轻滑坡灾害损失。2红砂岩山坡充积层及环境地质条件2.1基性岩结构面发育的变形地层岩性是组成山体的物质基础,岩体工程地质性质直接影响坡体稳定性。红层软岩属典型的层状沉积岩,其工程地质性质各向异性明显,层面、节理、劈理与各种结构裂隙等软弱结构面发育,在地质应力作用下易产生变形,导致坡体失稳。沉积年代是红层软岩成岩程度高低的重要标志之一,在相同的岩性条件下,岩层的沉积年代越老,岩体的成岩程度与强度越高,岩层的沉积年代越新,岩体的成岩程度与强度越低。第三系红层软岩成岩程度较低,岩体结构相对松梳,强度较低,红层软岩滑坡较发育。白垩系红层软岩成岩程度较高,岩体结构相对致密,红层软岩滑坡相对发育。侏罗系与三叠系红层软岩成岩程度高,岩体结构致密,红层软岩滑坡不甚发育。2.2红层软岩滑坡的自然与生态立地条件地形地貌条件是决定红层软岩滑坡发育程度、滑动规模、平面形态与空间分布特征等的重要因素,地形地貌条件对红层软岩滑坡的影响远大于均质滑坡和其他类型的岩石滑坡。在顺向坡区与高陡地形区,各种规模和形态的红层软岩滑坡广泛发育,滑坡灾害尤为严重。滑坡体重心高度、滑坡前后缘相对高差、滑坡前缘剪出口位置、坡体形态、地貌类型、山体坡向与坡角、滑坡临空条件、坡体侵蚀状态及沟谷形态等因素都不同程度地影响滑坡的变形、运移机制。根据统计资料,中国红层软岩滑坡多属自然滑坡,不良的地形、地貌条件是产生滑坡的主要原因,据统计资料,中国西北部地区约四分之一的红层软岩滑坡属古滑坡与老滑坡体复活。根据甘肃、四川和云南3省100余处红层软岩滑坡调查统计结果,滑坡主要发生在坡度为15°~45°的山坡和边坡区;当地面坡度大于45°时,山体滑坡较少,崩塌与滑塌较为发育;在地面坡度小于15°的红层软岩地区,山体滑坡相对较少,崩塌与滑塌不甚发育,在特殊条件下,红层软岩滑坡可发生在约10°的斜坡区。2.3基本矛盾反应在营力作用下表现为说基地质结构与构造是形成红层软岩滑坡的控制性因素之一,受区域地质构造、地震等因素的影响,红层软岩滑坡常呈群、带状密集分布。地质结构特征直接影响岩体的强度与完整性,在各种地质营力的作用下,岩体结构面逐渐软化为贯通性破坏面—滑动面。新构造运动、地震、物理及生物与化学风化等营力是触发红层软岩滑坡的重要外动力因素,老滑坡与古滑坡多属地震滑坡。1920年12月16日宁夏海源8.5级大地震在甘肃、青海、宁夏等地触发了红层软岩滑坡600余处,形成41个滑坡堰塞湖。这次地震灾害造成24万人死亡,其中大部分人员伤亡是由滑坡灾害与滑坡次生灾害造成的。受地质构造控制,G316线、G212线等公路红层软岩滑坡密集分布,其中G212线兰州-重庆段发育有大、中型红层软岩滑坡45处,长期危害公路的安全运营。2.4地层水的基本特征由于红层软岩富含高岭石、伊利石和蒙脱石等矿物成分,属水敏感性岩层,在较高的含水条件或饱水状态下,岩体的力学强度大幅度降低,特别是岩层层面、构造裂隙与各种软弱结构面等进一步软化,促发大量的红层软岩滑坡。红层软岩的水敏感性与地层岩性关系密切,水的软化作用在泥岩和泥质砂岩中较为明显,在砂岩特别是砾岩中的水软化作用不甚明显。根据中国滑坡的成因调查统计资料,滑坡与地下水和地表水的入渗关系紧密,绝大多数滑坡都或多或少有水的作用。3红层软岩滑坡根据红层软岩滑坡3段式滑动模式,将滑坡体划分为下滑段(牵引段)、主滑段及抗滑段3个不同的应力状态分区,滑坡的失稳滑动是滑坡体沿着滑动面的一种块体运动,在此基础上进一步研究红层软岩滑坡的块体运动力学机制。依据滑动块体间的受力特征,可将滑坡体的块体运动力学机制划分为平移式滑动、推移式滑动、牵引式滑动与混合式滑动4种基本类型。平移式滑坡的滑动面一般为岩层层面、软弱结构面等,主要分布在缓倾红层软岩区,滑动面为单一的平直面,滑坡的诱发因素主要有坡脚侵蚀、人工开挖、前缘支撑力减弱或消失,造成斜坡体松弛,在地表水入渗等影响下,滑动面的抗剪强度下降,由滑体重力产生的下滑力超过滑动面上的抗滑力,滑坡体沿滑动面平移式滑动。红层软岩平移式滑坡主滑段上部变形裂缝不甚发育,仅在局部发育有少量裂缝,滑动前后滑坡体上的参照物相对位置基本保持不变。推移式红层软岩滑坡位于多级滑坡的下部,主要滑动原因为后部滑坡体的滑动,后部滑体的滑动在下部滑坡体产生了附加推力,致使滑坡体的下滑力急剧增加,滑坡体固有的力系平衡被打破,滑坡所承受的抗滑力难以抵挡现有下滑力,形成红层软岩推移式滑坡。推移式滑坡一般发育在近水平状和反倾的红层软岩地区。牵引式滑坡位于多级滑坡的后部,滑动原因为前部滑坡体的滑移,致使前缘支撑力消失,造成滑坡体松弛,由滑体重力产生的下滑力超过滑动面上的抗滑力,滑坡体固有的力系平衡被打破,滑坡所承受的抗滑力难以抵挡现有下滑力,滑坡体沿滑动面滑动,形成红层软岩牵引式滑坡。混合式滑动主要产生在由3个或者3个以上的滑坡体在纵向相间排列的滑坡群,不同位置的滑坡体在各种诱发因素的作用下,松弛变形,发生相对移动,致使局部支撑力消失、产生了附加推力,滑坡体固有的力系平衡被打破,滑坡所承受的抗滑力难以抵挡现有下滑力,滑坡体沿滑动面滑动,形成红层软岩牵引式、推移式与混合式红层软岩滑坡。4滑动面带抗剪强度的影响根据渐进破坏理论,一定气候和环境地质条件下的稳定自然斜坡,在重力、外动力地质作用、地表水入渗和人为活动等因素的长期影响下,斜坡体的变形加剧,最终导致斜坡失稳滑动,形成山体滑坡,这一过程是斜坡体中抗滑力与下滑力两大力系相互作用、此消彼长、应力状态不断演化的最终结果。滑动面是滑坡体运动的物质介质,滑动面(带)抗剪强度的大小,决定滑坡的稳定性,滑动面(带)抗剪强度的降低是滑坡滑动的直接原因。研究结果表明,滑动面(带)上不同部位的抗剪强度值与滑坡体不同部位的下滑力不是恒定的,滑坡体的破坏首先发生在下滑力较大,应力相对集中,滑动面(带)抗剪强度相对较低的部位—自然斜坡的破坏是自斜坡体内的某一部位开始。当斜坡的某一部位破坏后,该处岩土体的抗剪强度迅速下降至残余抗剪强度,造成局部下滑力远大于抗滑力,产生剩余下滑力增量,形成塑性破坏区。塑性破坏区岩土体的抗剪强度较低,无法抵挡坡体的滑动变形,致使塑性变形不断发展,破坏区沿滑动面向两侧扩展,并引起相邻部位岩土体的连续破坏。当塑性破坏区扩展到一定范围后,滑动面上的总抗滑力下降至一定值(小于滑坡体的总下滑力),滑动面抗剪强度无法阻挡滑坡体的滑动,斜坡失稳,形成滑坡。5形态特征划分根据红层软岩滑坡的空间形态,可以将滑坡运移的几何形态特征划分为整体滑动、错裂滑动和塑流性滑动3种基本类型。滑坡体后缘拉张裂缝、两侧的剪切裂缝与前缘鼓胀裂缝贯通时标志着滑坡开始进人整体运动状态。5.1整体滑动几何特征滑坡的滑动一般发生在滑坡周界的变形裂缝完全贯通之后,在滑坡的运移过程中,滑坡体保持相对完整,组成滑坡体的红层软岩未发生较大的相对位移,滑坡运移的几何特征表现为整体滑动。整体滑动型滑坡的空间几何形态相对简单,滑坡的规模相对较小,在纵剖面上滑动面只有一层,滑坡体的厚度相对较薄,滑坡体的厚度一般小于15m,滑坡在水平方向和垂直方向上的位移较小短,滑床与下伏地形的起伏较小,地势相对平缓,滑坡的临空条件较好。5.2滑动面为复合结构的滑动过程错裂型滑坡主要发生在结构较复杂的地区,滑坡体由多个块体组成,在平面上出现多条、多级滑动,在剖面上有多层滑动。在滑坡的滑动过程中,各滑坡块体的滑动先后次序、滑动速度和滑动的距离不完全相同,因此可形成较复杂的外貌形态特征。在错裂型滑坡区常形成不同规模和类型的滑坡并生的现象。在具有浅、中、深层滑面的情况下,可以出现多层滑动。错裂型红层软岩滑坡的规模较大,滑坡体的厚度相对较厚,滑坡在水平方向和垂直方向上的位移较长,滑床与下伏地形的起伏较大。5.3滑动面特征分析当红层软岩风化强烈,岩体破碎,岩体处于饱水状态时,红层软岩滑坡运移呈典型的塑性流动状态。塑流型红层软岩滑坡