鸡尾山特大型岩质滑坡的物理模型试验

冯振¹，殷跃平²，李滨¹，闫金凯¹，蔡奇鹏³

(1. 中国地质科学院 地质力学研究所国土资源部新构造与地质灾害实验室，北京，100081；

2. 中国地质环境监测院，北京，100081；

3. 华侨大学 土木工程学院，福建 泉州，361021)

摘 要：

稳模式为斜倾厚层岩质滑坡视向滑动。为了研究这种独特的特大型岩质斜坡失稳模式，利用土工离心机，对1个包含4组结构面的地质力学模型进行物理模型试验。研究结果表明：随着离心机加速度的不断增大，后部块体首先失稳并推挤前缘关键块体，粘贴在滑块与基座之间的裂缝监测应变片从斜坡后缘到前缘相继发生破坏；当离心加速度达到80g(1g=9.8 m/s²)时，斜坡前缘关键块体发生位移突变，产生瞬时视向滑动破坏，引起整体滑坡；软弱夹层抗剪强度的降低和关键块体瞬时失稳是鸡尾山滑坡发生的主要原因，斜倾厚层岩质滑坡视向滑动具有“后部块体驱动-前缘关键块体失稳”的特征，斜坡的初始变形破坏是一个从稳定到失稳渐进发展的过程。

关键词：

离心机；物理模拟；滑坡；斜倾厚层岩质斜坡；

中图分类号：P642          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)07-2827-09

Physical modeling of Jiweishan Landslide from massive rock slope failure

FENG Zhen¹, YIN Yueping², LI Bin¹, YAN Jinkai¹, CAI Qipeng³

(1. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Goehazard of Ministry of Land and Resources at Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Science, Beijing 100081, China;

2. China Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081, China;

3. College of Civil Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 361021, China)

Abstract: Jiweishan landslide illustrates a failure pattern of apparent dip slide from oblique inclined layered rock slope failure. Physical modeling test through geotechnical centrifuge was conducted on model consisting of four sets of joints to investigate this remarkable mechanism for landslide initiation from massive rock slope failure. Centrifuge modeling tests shows that the crack strain gauges are damaged successively from back to front as centrifuge acceleration ascends. During the process, the driving blocks in the rear lose stability and crush on the key block in the front. When acceleration reached 80g, instantaneous apparent slip failure happened to key block in the front, which led to sudden displacement rise and triggered the entire landslide. The initial failure is a progressive failure process from being the rear to the front of the slope and from stable to instable. Apparent dip slide from oblique inclined thick layered rock slope failure has a characteristic that the key block destabilized instantaneously with blocks in the rear driving and the initiation is a progressive failure process from stable to unstable.

Key words: centrifuge; physical modeling; landslide; oblique inclined bedding slope

2009-06-05，重庆武隆鸡尾山发生特大型岩质斜坡失稳形成的高速远程滑坡。滑坡体从高位剪出，向北偏东方向高速滑动，运动过程中不断碰撞、解体，最后散布堆积在沟谷中。滑体体积约500×10⁴ m³，最终形成的堆积体体积达700×10⁴ m³，碎屑散布堆积区长2 150 m(图1)。一些研究者通过现场调查和室内研究，对于鸡尾山滑坡的成因进行了分析。Xu等^[1]对鸡尾山滑坡的基本特征进行了描述，提出这类滑坡的发生是在不利的地质结构条件下，因前部起阻挡作用的“关键块体”被剪断突破而导致大型山体崩滑的过程；刘传正^[2]认为鸡尾山山体拉裂形成大规模危岩体的主要原因是地形高陡临空、山下铁矿大面积采空所致，通过视滑力计算分析认为向外的视滑力是主要驱动力。在失稳模式方面，鸡尾山滑坡表现为一种独特的大型岩质斜坡失稳模式-斜倾厚层岩质滑坡视向滑动。在自重应力作用下，鸡尾山山体初始顺岩层真倾角方向(N15°W)蠕滑变形，因前缘稳定基岩阻挡和卸荷作用，主要表现为侧向崩塌。长期的蠕滑变形过程中前缘受阻，使坡体前部局部地段成为压应力和剪应力高度集中区，最终通过突破“关键块体”或锁固段的方式，发生视向滑动(N50°E)。殷跃平^[3]在研究重力、岩溶和底部采矿活动等因素基础上，采用FLAC3D模拟、分析鸡尾山山体的视向滑动-高速远程碎屑流破坏模式，建立了“后部块体驱动-前缘关键块体瞬时失稳”高速滑动的失稳模式。土工离心模型试验以其能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程^[4]，直观揭示变形和破坏的机理，并能为其他分析方法提供真实可靠的参数依据，成为物理模拟手段中应用最为广泛的研究手段之一，在边坡破坏及其影响因素等研究中应用较多。但是，这些研究大都是针对土质边坡或类土质边坡，岩质滑坡变形破坏机理的离心模型试验研究及相关工程的报导相对而言比较少^[5]，而其中多数是层状岩体的弯曲倾倒的离心模型试验，且基于平面应变模型，失稳模式较为简单。岩质边坡难以忽略的是各种结构面，比如节理裂隙，断层等。结构面造成了岩质边坡的各向异性和非连续性，使岩质边坡的土工离心模型试验更加困难，也更具有挑战性。因此，开展类似鸡尾山的斜倾厚层视向滑坡的复杂变形破坏过程的土工离心模型试验具有很大的研究和参考意义。本文利用土工离心模拟技术，模拟武隆鸡尾山大型山体滑坡的产生和破坏过程，分析和验证斜倾厚层山体视向滑动、“后部块体驱动-前缘关键块体瞬时失稳”的失稳模式，同时结合极限平衡分析方法，对斜倾厚层岩质滑坡视向滑动的稳定性进行深入研究。

1  离心模型设计

鸡尾山位于赵家坝背斜北西翼，为倾向北西的单斜构造。鸡尾山东侧临空，为深度达200~300 m的陡崖，陡崖下为深冲沟——铁匠沟，山体岩层总体倾向N15°W方向倾向，倾角为20°~35°，其倾向与东侧陡崖临空面走向呈小角度相交，并倾向山内，属于典型的斜倾构造(见图2)。岩体中发育有2组构造节理，一组产状185°∠75°，另一组产状为77°∠80°，滑坡后缘拉裂缝及侧壁，均沿2组节理发育而成。鸡尾山斜倾厚层岩质斜坡具有厚层状块裂结构、侧向临空的特征。

图1  鸡尾山滑坡遥感影像图

Fig.1  Remote image of Jiweishan Landslide

图2  鸡尾山滑坡地层结构(滑后)

Fig.2  Stratigraphic structure of Jiweishan (after slide)

鸡尾山滑坡后，通过地质调查、卫星遥感、无人机航拍以及三维激光扫描仪现场扫描等多种手段的综合测试和分析表明：鸡尾山滑体平面形态近似梯形，以侧向边界的走向为依据，可分为前部的垂直“三棱柱”和后部的“四棱柱”组成(见图1)。对鸡尾山的成因调查认为，前部“三棱柱”块体阻挡了后部“四棱柱”的顺层滑移，认定“三棱柱”为关键块体，“四棱柱”为驱动块体，并建立了“后部块体驱动-前缘关键块体瞬时失稳”高速滑动的失稳模式。

根据斜倾厚层岩质滑坡视向滑动的“后部块体驱动-前缘关键块体瞬时失稳”机制，建立和制作了典型斜倾厚层岩质滑坡视向滑动的土工离心模型。模型试验选择的原型长×宽×高为800 m×320 m×560 m。由于模型箱的尺寸限制，选择模型长×宽×高为1.0 m×0.41 m×0.7 m。滑坡模型东面临空，东南高、西南低。模型被4组结构面切割，与临空面斜交内倾的滑动面，2组近乎直交的垂直结构面、西侧边界(T1)和块体接触面(T0)，前缘视向剪切面(T2)，见图3。模型滑体分为后部驱动块体和关键块体，驱动块体由5个块体组成，详细尺寸如图3所示。

模型试验尺寸相似比为800，由于土工离心机加速度限制，无法进行大比例尺离心试验，故采用小比例尺模型试验方法。根据离心模型试验相似律理论，可以推导出小比例尺离心模型试验的相关变量的相似比，如表1所示。

表1  离心模型试验相关参数相似比

Table 1  Scale of relative parameters for centrifuge modeling

图3  离心模型结构和尺寸(单位：cm)

Fig.3  Structure and dimensions of centrifuge model

2  离心模型制备

对武隆鸡尾山滑坡现场研究表明：关键块体的失稳和滑动面的强度降低是导致滑坡的主要原因^{[1-2, 4]}。且岩石工程的土工离心模型试验中，很难观测岩石对开挖的响应^[7]，故不考虑地下采空的影响。因此，模型试验主要研究弱软面和关键块体的作用。关键块体与稳定山体之间岩溶发育强烈，沿冲沟地形的岩溶强烈发育带结构疏松，有大量的竖向岩溶管道，强度与完整岩体相比很脆弱。在试验中，将岩溶发育带概化为结构面(T2)。故试验的关键技术问题是接触面的模拟。

岩石力学的物理模型试验中，研究人员常常在结构面充填某种材料^[8~12]，来模拟与岩体相关的结构面。结构面模拟材料有不同类型的黏结胶，凡士林或油脂等润滑剂，以及各种矿粉与黏结胶或润滑剂的混合物、纸张、黏土、化学物等。

模型制备时，设置了4组节理，将模型滑体切割成5块驱动块体和前缘关键块体。为了保证节理的抗剪强度的可重复性和稳定性，选择用高强度土工布作为节理模拟材料。为了模拟强度低、且具有一定黏聚力的软弱夹层，在土工膜上均匀涂抹一层油脂。滑块之间，在接触面两边粘贴强度抗剪强度较低的土工膜。关键块体前缘的岩溶发育带为沿冲沟地形岩溶发育强烈、岩溶率较高的地带，岩体强度较低。为了模拟岩溶发育带岩体脆性剪断，试验采用具有较高黏结强度的乳胶(latex)和环氧树脂AB胶模拟岩溶发育带，实现在高离心加速度场下关键块体的瞬时脆性剪断过程模拟。表2列出了试验中各结构面的模拟材料及相关强度参数。

表2  试验模型结构面特征参数

Table 2  Characteristics of joints for centrifuge model

模型用重晶石、水泥和石膏按1:1.21:1.28的比例混合加水浇筑而成，滑块表面涂上不同颜色油漆，便于试验过程中辨认和观察块体运动。

3 离心试验监测

试验过程中需要重点观测滑块与基座之间裂缝的发展过程和滑块的运动特征。试验监测系统主要包括裂缝监测应变片，激光测距仪以及实时录像(见图4)。

图4  试验监测平面示意图

Fig.4  Plan view of centrifuge mode and monitoring system

在滑块与滑床之间分别布置柔性应变片(S1，S2，S3)，通过应变片应变的变化，监测块体与基座之间裂缝的发展和变化规律，从而研究滑体的位移、运动特征。

设置2个侧向激光位移传感器(Ls1和Ls2)，对①和③块体随时间的水平侧向位移进行监测。根据已知结构面的产状，可计算出个滑块的运动方向，进而得到块体运动矢量。图4显示了激光位移传感器的架设。Ls1激光位移传感器监测关键块体①的水平运动，Ls2激光位移传感器监测驱动块体③的水平运动。位移传感器在使用前均进行了严格标定。试验过程中，借助安装在3个不同角度的高分辨率摄像机，通过拍照和录像来记录破坏的全过程。

4  离心模型试验结果

试验过程中，离心加速度为60g(1g=9.8 m/s²)之前，按每一级5g的速度提高离心加速度，每一级离心加速度维持约6 min。60g以后，每级增加的加速度为10g，每一级加速度维持约6 min。当离心机加速度达到80g并稳定时，模型滑体发生滑动破坏。模型滑坡过程小于1 s，6个块体均滑出滑床。

为了进一步确定模型滑坡的时间和观察整个滑坡的过程，对摄像机记录的每一帧进行对比分析。图5所示为从模型右上方的2号摄像机观察到的整个滑坡过程。从图5可看出：整个滑坡过程时间仅约为0.5 s。

图6所示为斜坡模型发生滑坡后、块体破坏的照片。图6中白色的材料为聚乙烯泡沫塑料，为了缓冲滑块掉落以后对模型箱的冲击力。滑块在模型箱底部发生碰撞解体，所有滑块均出现不同程度的破坏，其中清晰可见滑块②，⑤和⑥依次堆积在坡脚(图6(a))。根据块体还原情况(图6(b))可以看出：滑块①，②和④破坏较为严重。

根据激光位移传感器的数据，得出了关键块体①和滑块③侧向水平位移以及离心加速度随时间变化的监测结果(图7)。从图7可以看出：加速度在80g以前，关键块体①和滑块③的水平位移近乎为0 cm，数据的微小波动应为数据传输或系统误差。在离心加速度达到80g时，出现一个明显的水平位移增量，这是由于滑坡瞬时破坏造成的。滑块在软弱夹层上、沿着T2结构面向视倾向发生骤然滑动，从临空面高速滑出。滑块在同一平面上运动，由于关键块体①的滑动方向与临空面夹角较驱动块体大，故测得关键块体①侧向位移比滑块③大。当滑坡发生瞬时破坏后，滑块的侧向位移超出激光位移传感器的量程，因而，激光位移传感器读数稳定不再变化。

图5  离心模型试验滑坡过程

Fig.5  Landslide processes of centrifuge modeling

图6  模型边坡破坏后块体碰撞破坏

Fig.6  Disintegration and fragmentation of blocks in post-failure

图7  滑块侧向位移随离心加速度变化曲线

Fig.7  Lateral displacements of blocks variation with acceleration in time

图8所示为裂缝监测应变片输出电压及离心加速度随时间变化的监测曲线。从图8可见：在离心加速度为45g时，CS4出现了一个显著的数据突变，表明滑块④与基座产生较大的位移错动，应变片脱离使得其输出数据不再变化。当离心机速度达到80g时，CS1的输出电压出现骤降，表明关键块体与基座产生大的错动，应变片发生破坏或其接线断掉发生短路，输出电压超出量程而显示稳定的-10 V。CS6原始输出电压较为稳定，40倍数据放大显示其在45g时出现小幅降低。试验后检查应变片完整无损，推测CS6在45g时由于较小的位移错动造成基片脱落，从而使其输出电压值无显著突变。随着加速度的不断增大，后部驱动块体首先达到极限平衡进入蠕滑变形阶段，不断推挤前缘关键块体。当离心加速度达到80g时，关键块体发生瞬时破坏，视向滑动剪出。后部块体的高速下滑，撞击前缘结构面转向滑出。裂缝监测应变片的破坏顺序表明，斜坡的破坏是由后部向前缘发展的。

图8  裂缝监测应变片输出电压随离心加速度变化曲线

Fig.8  Output voltage of crack strain gauges variation with acceleration in time

根据离心模型试验原理及相似理论可知：摩擦角的相似率为1:1，黏聚力的相似率与离心加速度成反比。假定每一级加速度对应相同的原型，随着离心加速度的逐渐增大，相当于原型结构面黏聚力的不断减小。试验中，离心加速度逐级增大，与重力相关的下滑力和摩阻力也增大，而黏结力不变。驱动块体首先达到极限平衡，推挤前缘关键块体。当加速度达到80g时，关键块体沿T2结构面发生脆性剪切破坏，视倾向高速剪出，引发后部驱动块体的高速下滑。块体最终堆积在模型箱中，由于撞击发生破坏。现实中，由于地下水等因素的作用，软弱夹层的抗剪强度降低，重力作用下山体初始处于蠕滑变形，产生后缘和侧向拉裂缝。受前缘关键块体的阻滑作用，斜坡整体处于稳定状态。当软弱夹层的抗剪强度降低到一定程度，关键块体失稳，沿强度较低的岩溶发育带发生脆性剪断，引起后部山体高速滑动并从滑床高位滑出。块体在沟谷中高速运动，发生碰撞解体，转化为高速远程碎屑流。

5  三维极限平衡分析

岩质斜坡失稳的初始失稳模式主要受地形地貌和地质结构的控制，包括岩体的结构、岩性组合等。鸡尾山滑坡调查发现，初始破坏过程中，后部驱动块体受软弱夹层及侧向裂缝的控制，沿2个结构面的交线蠕滑变形，挤压前缘山体。前缘关键块体受软弱夹层及沿冲沟地形发育的岩溶带的控制，最终在后部驱动块体的推挤作用下沿岩溶发育带发生瞬时剪切破坏，并引发后部驱动块体高速滑动。根据侧向边界的走向将滑体分块，按楔体双面滑动滑坡考虑，进行折线滑动法进行滑坡推力安全系数的计算，最终以关键块体的安全系数代表滑坡整体安全系数。

楔体双面滑动滑坡的稳定性解析解法采用矢量法表示，对于离心模型试验所采用的模型，结构面产状、滑块的重量、运动方向、画面面积等其他特征参数，可以通过直接量测得到。在不考虑地下水作用的情况下，斜倾厚层岩质滑坡视向滑动的静力解析简图如图9所示。

图9  极限平衡分析概化模型

Fig.9  Schematic model for limited equilibrium analysis

驱动块体进行力的解析：

N_ae1+m_na.nbN_be+m_w.naW₁=0          (1)

m_na.nbN_ae1+N_be+m_w.nbW₁=0          (2)

其中：m_na.nb为N_ae1在N_be方向上的分项系数，其他类似。

驱动块体顺交线的下滑力S₁可由沿交线对力进行解析而求出：

S₁=m_w.s1W₁                (3)

驱动块体沿交线方向的剩余下滑力为：

S_1R= m_w.s1W₁-(c_aA_a+c_bA_b+tanφ_aNa_e1+tanφ_bN_be) (4)

关键块体进行力的解析：

N_ae2+m_na.ncN_ce+m_s1.naS_1R+m_w.naW₂=0      (5)

m_na.ncN_ae2+N_ce+m_s1.nbS_1R+m_w.ncW₂=0      (6)

关键块体顺交线的下滑力S₂可由沿交线方向对力的解析而求出：

S₂=m_w.s2W₂+m_s1.s2S_1R             (7)

关键块体的安全系数即整个边坡的安全系数：

   (8)

设

q=(m_na.nbm_w.nb-m_w.na)/(1-m²_na.nb)，

r=(m_na.ncm_w.nc-m_w.na)/(1-m²_na.nc)，

s=(m_na.ncm_s1.nc-m_s1.na)/(1-m²_na.nc)，

x=(m_na.nbm_w.na-m_w.nb)/(1-m²_na.nb)，

y=(m_na.ncm_w.na-m_w.nc)/(1-m²_na.nc)，

z=(m_na.ncm_s1.na-m_s1.nc)/(1-m²_na.nc)。

则根据以上公式可求得：

N_ae1=q W₁

N_be= xW₁

S_1R=(m_w.s1-qtanφ_a-xtanφ_b)W₁-(c_aA_a+c_bA_b)

N_ae2=rW₂+sS_1R；N_ce=yW₂+zS_1R

最后模型斜坡整体安全系数，即关键块体的安全系数可写为：

 (9)

根据离心模型试验原理及相似理论可知，摩擦角的相似率为1:1，黏聚力的相似率与离心加速度成反比。在离心机试验中，随着离心加速度增大，式(9)中的黏聚力和面积参数保持不变，重力相关参数与离心机加速度成正比而随加速度呈线性增大。故对于离心模型试验模型而言，考虑离心加速度时，用代替W即可：

              (10)

其中：n为离心加速度。代入量测的滑坡模型特征参数，计算得到滑坡模型安全系数随离心加速度变化的曲线，如图10所示。

图10  模型斜坡安全系数随离心加速度变化曲线

Fig.10  Factor of safety variation with acceleration

从图10可见：随着离心加速的增大，关键块体和驱动块体的安全系数减小；安全系数初始呈锐减的趋势，离心机加速度从1g增大到20g时，驱动块体和关键块体的安全系数分别从29.41和3.34锐减至0.89和1.93。随后其减小的速率逐渐减小，安全系数随离心加速度增大而变化的曲线趋缓；驱动块体在10g离心加速度达到极限平衡状态，安全系数等于1.02，之后进入蠕滑变形阶段。当离心加速达到80g时，模型斜坡瞬时破坏，发生视倾向滑动，此时计算得到驱动块体和关键块体的安全系数分别为0.80和1.04。在整个实验过程中，模型斜坡的离心力不断增大，由于下滑力和摩阻力与离心力的分量成正比，故下滑力和摩阻力均不断增大，而黏结力不变。由于黏结力不变，随着离心加速度的增大，黏结力与离心力相关的下滑力和摩阻力的比例逐渐减小，其对安全系数的影响也越来越小，安全系数减小速率趋缓，并逐渐趋近于一个常数。

6  结论

(1) 离心模型试验与基于地质成因的调查研究取得了一致的结论，即软弱夹层的持续软化和关键块体失稳是鸡尾山滑坡形成的主要原因。

(2) 斜倾厚层岩质滑坡视向滑动具有后部块体驱动，前缘关键块体阻滑并最终瞬时失稳，导致斜坡整体滑动的特征。

(3) 尽管前缘关键块体的失稳是瞬时的，但斜坡整体的初始变形破坏存在一个从稳定到失稳的转变过程，是从斜坡后缘向前缘发展的渐进发展过程。现实中，从后缘出现破坏前兆到斜坡前缘发生瞬时破坏，需要经历一段或长或短的时间。因此，滑坡前兆的认识，对正确的地质灾害调查评估，以及成功的监测预警至关重要。

(4) 利用三维极限平衡计算分析，滑体受侧向裂缝、软弱夹层和岩溶发育带3个结构面控制，其中：关键块体受岩溶发育带及软弱夹层的控制，驱动块体受侧向裂缝和软弱夹层的控制，驱动块体和关键块体均为双面滑动，并以关键块体的安全系数代表滑体的稳定安全系数。

(5) 已完成的试验中，将驱动块体分为5大块体，与实际的节理切割和块体的尺寸比例有一定的差别。拟考虑后期试验中，将驱动块体按一定的间距切割成小型块体，模拟关键块体剪断后驱动块体的运动特征。

致谢：

本试验在长江科学院和香港科技大学土木系完成，诚挚感谢长江科学院程永辉高级工程师、胡波博士、李波博士，香港科技大学吴宏伟教授在试验过程中提出的宝贵意见和给予的帮助。

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(编辑  何运斌)

收稿日期：2012-06-04；修回日期：2012-09-17

基金项目：“十二五”国家科技支撑项目(2012BAK10B01)；中国地质调查局地质调查工作项目(12000200610068)；中国地质科学院地质力学研究所基本科研业务费项目(DZLXJK201307)

通信作者：冯振(1985-)，男，江西萍乡人，博士，从事工程地质与地质灾害研究；电话：010-68489930；E-mail: fengzhencgs@yahoo.cn

摘要：鸡尾山滑坡的失稳模式为斜倾厚层岩质滑坡视向滑动。为了研究这种独特的特大型岩质斜坡失稳模式，利用土工离心机，对1个包含4组结构面的地质力学模型进行物理模型试验。研究结果表明：随着离心机加速度的不断增大，后部块体首先失稳并推挤前缘关键块体，粘贴在滑块与基座之间的裂缝监测应变片从斜坡后缘到前缘相继发生破坏；当离心加速度达到80g(1g=9.8 m/s²)时，斜坡前缘关键块体发生位移突变，产生瞬时视向滑动破坏，引起整体滑坡；软弱夹层抗剪强度的降低和关键块体瞬时失稳是鸡尾山滑坡发生的主要原因，斜倾厚层岩质滑坡视向滑动具有“后部块体驱动-前缘关键块体失稳”的特征，斜坡的初始变形破坏是一个从稳定到失稳渐进发展的过程。