辛 鹏,王 涛,吴树仁

中国地质科学院地质力学研究所,国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081

青海西宁大通县韩家山泥岩质多级旋转型滑坡形成机制研究

辛 鹏,王 涛*,吴树仁

中国地质科学院地质力学研究所,国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081

青海大通县韩家山滑坡是西宁盆地最危险性的滑坡之一。为分析该滑坡的形成机制,论文基于高精度的地形数据开展变形形式、平面堆积特征的调查; 结合连续取芯钻探数据,重建了滑体结构; 为定量获得滑动带力学性质的变化过程,进行了滑体与原岩物质成分、水理性质、应力应变性质的物理化学测试,讨论了多级滑动剪切面的形成机制。分析表明: (1)滑体内不存在软弱地层,为近似均质地层。滑体为单一的新近系红色泥岩夹石膏层,不具层理,不含大于0.25 mm碎屑颗粒。泥岩内粘土矿物含量在29.7％～46.3％之间,碳酸钙含量在9.84％～11.58％之间。岩体内含形态不一、大小不一的石膏结核; (2)泥岩粘粒含量高,水敏性与粘滞性强。泥岩干燥饱和吸水率最低为26.31％,最高为42.12％。泥岩样品环剪试验呈应变软化型,随着含水率的增大,强度急剧降低。滑体快速滑动过程中,非饱和的滑带土受粘性物质、孔隙性的影响,产生强吸力; (3)滑体以旋转变形破坏为主,斜坡受河流侧向侵蚀影响,滑床附近的岩土体渐进性破坏,出现多级滑动现象。

滑坡; 泥岩; 多级旋转; 河流侧向侵蚀; 形成机制; 渐近性破坏

青藏高原腹地的西宁盆地工程地质环境脆弱,内动力运动剧烈,河流侵蚀作用强,巨大型滑坡发育31处,中型滑坡234处(李芙林等,2005)。巨大型滑坡常出现复活现象,长期处于不稳定状态。2012年8月,降雨引起西宁市北坡林家崖堆积体复活,威胁市区3万多人,治理经费超过千万元。同年12月,互助小菜子沟巨型滑坡发生复活滑动,滑坡裂缝延伸300多m,体积达到8000多万m3,350多人被迫搬离家园。滑坡灾害成为制约西宁地区地质环境安全的重要因素(张强骅等,2010)。1978年7月,韩家山滑坡南侧近前缘发生小规模滑动,毁坏8间房屋,导致1人死亡。2007年,滑坡再次滑动至青海—新疆客运专线附近,威胁公路的安全,研究其形成机制对滑坡运动模式识别、灾害预警具有重要意义(张永双等,2005; 吴树仁等,2006; 谈树成等,2012; 辛鹏等,2012)。

西宁盆地的巨大型滑坡滑动面均位于新近系泥岩中(张海霞等,2005; 魏玉峰等,2010),与黄土高原甘肃、宝鸡地区相似,新近系高粘性、泥岩质滑床控制的大型滑坡发育两个及以上的多级滑面,呈多级旋转、渐近破坏状(胡海涛等,1965; 胡广韬,1986),为斜坡失稳的主要模式之一。目前,关于多级旋转式滑坡的形成机制有三种观点: 其一受软弱层控制,高应力集中的滑动带塑性区选择滑床附近的强度相对软弱的地层扩展,多为富含泥质、粘土质层面,层状泥岩的蠕变,引起塑性流动变形,沿着软弱层面挤出,诱发滑体深层逐次旋转解体、后退滑动。如三峡库区千将坪滑坡(李守定等,2007);其二因河流侵蚀岸坡,沟谷深达上百米,近水平半固结泥岩的卸荷回弹引起沟谷应力的调整,导致近水平剪切应力出现、坡脚水平应力集中,对于具有应变软化的性质的泥岩而言,破坏会从坡脚高应力逐级向坡体后缘扩展,表现出多级旋转扩展状(李滨等,2011); 其三,泥岩在干湿环境交替作用下,产生强烈膨胀收缩变形,主导剪切面形成,如渭河中游的宝鸡北坡簸箕山滑坡(李滨等,2012; 辛鹏等,2013)。由此可见,滑体内是否存在稳定的软弱层或者强蠕变变形带？水岩耦合作用下泥岩膨胀性如何？这两个问题是分析近水平层状岩质滑坡变形机制的关键,决定了对现今复活形式的判断,是分析判断滑坡多级滑面形成的基础。

组成滑体材料的力学性质是变形破坏的基础。为研究韩家山滑坡多级旋转滑动机制,论文开展了三方面的工作: ①基于高精度的DEM数据,开展滑坡变形形式、平面堆积特征的调查及堆积物年龄测试。结合连续钻探取芯数据,重建了滑体结构;②通过对滑体的物质成分、水理性质与应力应变性质的对比测试,获得了原岩转换为滑动带的过程中物质成分、力学性质的变化; ③基于调查、测试分析的结果、岩土体物质组成与破坏力学过程的关系,讨论滑动面形成动力源、多级滑面产生及复活的形式。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡工程地质环境

青海西宁市大通县位于西宁—民和盆地内,系青藏高原腹地,南部为大坂山,北部为祁连山山脉。湟水河自西向东穿越盆地中心,为盆地一级水系。韩家山滑坡位于湟水河支流北川河下游右岸,属于侵蚀剥蚀中低山丘陵区。海拔在2280～3200 m范围内,最大高差为410 m。坡体斜长约400 m,坡度约为25º。晚更新世以来,河流侵蚀下切,北川河河谷中发育六级阶地,分别形成于Ⅰ级0.01 Ma,Ⅱ级0.05～0.07 Ma,Ⅲ级0.12～0.15 Ma,Ⅳ级0.54 Ma,Ⅴ级0.78 Ma,Ⅵ级1.19 Ma(曾永年等,1995),最大拔河高度约156 m。斜坡的岩层由两部分构成: 上部为黄土及其次生崩塌堆积物,下部为新近系中新统贵德群谢家组泥岩、泥质膏岩复合地层。工程性质上,黄土表现为疏松、大孔隙粉土,强湿陷性。新近系泥岩、泥质膏岩复合地层为软岩,层厚约210 m,膏岩层平均厚约8 m,局部厚约60 m。

韩家山滑坡平面上呈簸箕底形(图1),滑向290°,东西长约990 m,南北宽约1350 m,平均厚约25～35 m,高约280 m,体积3100×104～ 3500×104m3。后缘位于阶地侵蚀面顶部,坡脚达河漫滩。滑坡具有完整的多级弧形滑动边界,形成六级大型次级滑体(图2),主滑体平面呈“弓型”状鼓出。左侧壁陡坎清晰(图3B),高差约70～120 m,后缘边界呈半圆形,高度约86 m,右侧边界与冲沟相邻。剖面上呈多级阶梯状,表现为后缘、坡脚较陡,坡体中部较缓,逐级滑动。滑体坡度约17°。勘探表明: 滑动带发育于新近系泥岩地层中,擦痕、镜面形态清晰(图4b,c)。滑床同样发育于该地层中。

图1 韩家山滑坡平面形态图Fig. 1 Horizontal projecting shape of Hanjiashan landslide

图2 韩家山滑坡工程地质剖面图Fig. 2 Engineering geological section of Hanjiashan landslide

韩家山滑坡次级滑体仍处于蠕变变形状态。1978年7月,韩家山滑坡南侧近前缘发生小规模滑动。2003年9月8日,滑体中前部出现长约250 m、宽1 cm的裂缝,可见深度0.2～0.4 m; 前缘有4～5处出水点,且局部坍塌,方量约20 m3; 至9月28日,羽状裂隙贯通,裂缝宽增至5 cm,可见深度最深达0.7 m,裂隙增长至300 m左右; 滑坡前缘出水点增多,呈断续分布,坡体上居民房屋出现裂缝。2007年,滑坡再次出现变形,坡脚的小型滑体运动至客运专线附近,2010年雨季,变形向后缘扩展,前缘出现局部滑动,后缘裂缝扩展长达460 m,复活滑动沿着老滑动面整体下挫5～8 m,滑动距离约8 m。随着前缘次级滑体变形的发展,滑坡活动有逐步向后缘扩展的趋势。韩家山滑坡多级滑体形成存在先后顺序,对主滑坡左侧壁覆盖的阶地粉土沉积年龄进行测试,数据显示粉土沉积于8.83 ka前,主滑体可能发育于一级阶地侵蚀期,为一老滑坡(图3)。

组成滑体主体的泥岩、泥质膏岩复合地层中是否存在稳定的软弱层和水岩耦合的力学响应是多级滑面形成的核心问题。解决上述问题需分析新近系泥岩层内相对软弱层发育环境、类型及水敏性质,该性质与地层的沉积环境、沉积类型、成因等基础地质背景相联系。

1.2 滑动带发育特征

工程地质学家(Picarelli et al.,2010)认为碎屑流底边界清晰,沿运动路径呈粘滞性、体积渐增状流动,且运动中具有不计其数的滑动面是标志性特征。旋转与平推型滑坡沿滑动面连续滑动,整个滑坡体经历很小的内部应变,渐进或者连续的变形集中于滑带附近,且滑动带的变形是韧性的。而陡崖崩塌则多为土体增湿、增重产生脆性破坏的结果,滑动面同样清晰可见。对比可见滑坡、崩滑均会产生有限数量的滑动面。滑动面在滑体内赋存形式折射了其启动、运动过程。为分析斜坡内地层的沉积环境、类型与成因等基础地质背景及启动机制,布置两个对比性取芯钻孔。其中: 钻孔1(ZK1)位于滑坡体中部,孔深约70.2 m; 钻孔2(ZK2)位于滑坡后缘山梁处,深约69.5 m,代表未受扰动的完整岩芯结构(图4)。

图3 韩家山滑坡地貌Fig. 3 General view of Hanjiashan landlide

图4 滑体与原状岩体钻探取样Fig. 4 Drilling and sampling of slide mass

表1 物质成分对比测试表Table 1 Comparative test table of material composition

钻孔1内连续取芯显示: 该处发育两级滑面,浅层滑面位于15.7 m处,滑动带薄。深层滑面在地下59.5～62.5 m处为滑动带,主滑面出露于60.6 m处,代表新近系泥岩滑动后的结构。孔内岩芯具有如下特点: ①自坡顶至底部,新近系泥岩与石膏呈碎块状、大小不均匀,运动后混杂在一起(图4a),无明显的沉积韵律组合; ②出露两组滑动面: 浅层滑动面位于可能为坡体后缘滑动所致。深层滑动面在新近系泥岩中深约60.6 m位置出露两组滑动带。其中,深层滑面附近滑带厚约15～20 cm,红色泥岩、石膏均参与快速滑动,以棕红色泥岩为主(图4b,c)。滑面平整光洁,二者均留有擦痕,劈理化严重,结构较松散,深部滑带中裂隙次生充填的石膏脉,证明此滑坡不是新生滑坡。③地下水出露在26.4 m深度处,在0～26 m范围内,坡体岩体结构松散,有大量溶蚀的孔隙,导致泥浆渗漏,钻探速度快; 在水位以下,岩芯上拔过程中有较强的吸力,取出的岩芯呈塑性状,与泥岩粘性强有关。

钻孔2内的岩心的结构组合特征: ①新近系地层为红色泥岩夹石膏层,石膏、红色泥岩不具层理、不含＞0.25 mm碎屑颗粒。石膏既有形态不一、大小不一的团块结核,又有透明半透明板状透晶体,还有肉眼难辨认的微粒状分散分布微晶,以不规则石膏结核和大小不一的透石膏晶体和微粒的形式不均匀地分布在泥岩中,并非为独立的石膏层或石膏夹层; ②不同的层位不同的岩芯或同一块岩芯不同部位,石膏团块大小、密度,透石膏粗晶体含量极不均一。

2 滑坡岩土体试验及结果分析

2.1 试验方法

河流侧向侵蚀、地下水的作用是触发滑坡应力场变化的主要因素,引起了滑带组分变化。为定量分析滑体的物质成分、水理性质及强度变化,自顶部至底部取钻孔ZK1、ZK2试样,间隔8～10 m取样。在取样、加工过程中,用保鲜膜密封,保证其不被光照,防止样品水分散失。试验分三组:

①第一组为物质组成测试: 首先按照《土工试验规程》中颗分试验移液管法测量样品的级配组成;而后利用X射线粉晶衍射进行全矿物定量分析与比表面积含量测定; 进行原岩碳酸钙、膏岩、石膏的含量易溶盐等盐离子成分定量测试。

②第二组为岩石的水理性质测试: 采用不规则岩块崩解试验和岩块干燥饱和吸水率指标测量观测岩块的崩解特性、吸水率,确定泥岩的软硬度及膨胀性。

③第三组为力学性质测试: 在地下水与静力作用效应中,分析不同含水率下的直剪强度特征; 取ZK2内原岩进行取滑带土进行环剪试验,取重塑泥岩滑带土的含水率为19.2％,在加载过程中,采用固结不排水剪,剪切速率为0.01 mm/min,模拟快速剪切过程中动水压力环境下岩体的变形破坏机制。

2.2 试验结果

(1)物质成分测试

取样岩芯显示石膏层无明显的水生沉积韵律特征,对两个钻孔的样品进行颗粒级配试验可见(表1): 新近系泥岩原岩与滑体级配相同,颗粒大于2.0 mm的物质平均占1.39％,粒径在2.0～0.005 m的颗粒占60.31％,粒径小于0.005颗粒物质占38.28％。两个岩芯内均不含大于0.25 mm的颗粒。与陕西宝鸡湖相泥岩相比,韩家山地区颗粒粒径更细,不含有砂、砾石等大粒径物质。

表2 韩家山滑坡泥岩全岩矿物组成Table 2 Mineral composition of total red mudstone with gypsum of Hanjiashan landslide

岩石的矿物组成是其力学强度的基础。新近系红色泥岩属碎屑岩,利用X光衍射的全岩矿物成分分析可见: 粘土矿物含量最高,其次依次是石英、方解石、石膏、钠长石、钾长石(表2)。出露泥岩地层粘土矿物含量在29.7％～46.3％之间,这与颗粒级配分析的结果一致。高粘粒含量导致红色泥岩具有较高的粘聚力。石英含量在23.2％～26.1％; 方解石含量在11％～22.9％,石膏的含量在8.3％～15.7％。钠长石含量在9.1％～6.1％之间,钾长石是泥岩中的微量矿物,含量0.3％～0.6％之间。此外,化学法测试表明: 岩石胶结作用主要来自于碳酸钙矿物,其含量在9.84％～11.58％之间,个别层位高达18.41％,将显著提高岩石的粘聚力。但这远低于三门组湖相泥岩中碳酸钙的平均含量,而硫酸钙含量在8.09％～19.54％之间。

泥岩中的石膏在干旱、极干燥的环境下是稳定的,将提高泥岩的摩擦强度,表1显示: 钻孔1(ZK1)中石膏最高含量达7.14％,平均含量为4.34％; 钻孔2(ZK2)中石膏最高含量达15.18％,平均含量为4.63％,二者含量差异不大。分散状微晶石膏作为石膏质胶结物会提高泥岩的粘聚力。而分布极不均匀的石膏结核会提高摩擦强度。同时,结核状石膏和板状透石膏晶体,因本身自带结晶水,其溶解速率极低,不是改变岩土力学性质的主要因素。

与陕西宝鸡市北坡出露的三门组湖相地层相比,韩家山红色泥岩碳酸钙含量明显偏低,且细粒物质含量更高,比表面积更大。泥岩、膏岩地层无沉积韵律,可能并非盐湖沉积,其建造形成与黄土高原及周边地区的N2三趾马红土同属新近纪、且颜色相同相近,可能均为风积作用结果(岳乐平,1996),需进一步研究判断。滑体内石膏可能与黄土中钙质结核形成相似,原始泥质沉积物质内富含大量分散的细石膏颗粒。在沉积过程和沉积后受雨水、坡面水作用,发生了溶解、迁移、再富集,从而形成石膏结核或重结晶的透石膏晶体。因粘粒含量高,在干湿交替环境下,易吸水膨胀,产生强度软化效应,导致强度衰减。

(2)水理性质测试

富含粘土矿物的泥质岩具有膨胀性、崩解性,属于软岩地层中性质最复杂的岩石类型。水的直接作用并不会导致无节理裂隙的天然泥质膨胀岩膨胀、崩解。当岩石被剪切碎裂化后,地下水沿着节理、裂隙渗流,逐步向岩体内部渗透,节理裂隙附近的粘土矿物遇水膨胀崩解。当渗透作用停止,岩石再次干燥失水后,节理裂隙带向岩体内部延伸。如此,在干湿循环作用下,泥岩强烈的膨胀、崩解作用范围逐步扩大,促使泥岩破碎带的不断扩大、泥化。

不规则岩块崩解试验与干燥饱和吸水试验结果表明(表3): ①贫石膏团块(结核)的红色泥岩,在水中全部崩解为粉泥状物,而富含石膏结核(团块)的泥岩,石膏团块不崩解仅泥岩泥质物崩解为粉泥状。测得的岩块干燥饱和吸水率最低为26.31％,最高为42.12％,平均为33.32％。其干燥饱和吸水率大小与粘粒含量密切相关。石膏尤其石膏团块含量越多吸水率越小。②粘土矿物XRD法定量测试结果表明,虽粘粒中蒙脱石的含量较高,但膨胀性粘土矿物为中等混层比(40％～45％)的I/S混层矿物,相对含量占35％～44％,即小于非膨胀性粘土矿物(I.K.C)总量。③泥质膨胀岩水岩作用极为敏感,在滑坡体内存在3处高含水量的软泥化层,高达19.83％、18.49％与20.46％,均为滑动剪切带发育位置,高于其他部位岩性,其塑限为19.32％～22.98％,液限为28.94～41.99。

(3)力学变形性质

水与泥岩的耦合作用是滑坡体变形的核心问题,可细分为长期的静水环境与短期的高孔隙水压力下的动水环境。对滑体附近完整岩石进行直剪试验可见: 样品含水率为14.1％时,粘聚力为700 kPa,内摩擦角为28.2°,当含水率为时17.32％时,粘聚力为0.21 kPa,内摩擦角为20.32°。在剪切过程中,基本无饱和水从孔隙水中析出,这与泥岩的高粘粒含量密切相关。与含水率14.1％相比,含水率为17.32％时泥岩残余强度降低,反映了粘土矿物遇水降低了颗粒间的粘结力,从而更易于颗粒间的摩擦滑动。

大部分滑坡快速滑动过程中,极易引起孔隙压缩,产生高孔隙水压力而加速滑体的滑动。环剪试验可模拟长距离、高速剪切环境,测量远程滑坡动态摩擦过程中物质组成、结构形态及孔隙水压力变化。如图5所示: 韩家山滑带土经固结、快速环剪,可见剪切面呈凹凸不平状,沿剪切方向粘土矿物的定向排列,滑动带出现摩擦分层、面理现象。对含水率为19.2％的滑带土,当剪切速率为0.01 mm/min时,当位移达到65 cm,剪切应力达到初始峰值256 kPa,而后迅速衰减,残余强度稳定在159 kPa。陕西宝鸡三门组湖湘粘土岩进行类似的滑动速率的剪切试验,显示出同样的规律: 峰值强度大于残余强度,滑带土强度变化呈应变软化状。在物理机制上,峰值强度降低过程与粘土矿物的定向排列引起的体积减小相联系。

图5所示的孔隙水压力的变化与剪切应力的变化具有一致性。对韩家山滑坡泥岩的环剪试验表明:在初始峰值剪切应力出现时,孔隙水水压力相应地从0逐渐升高至2.1 kPa,经过峰值后,孔隙水压力逐步减低,在后续的剪切摩擦中持续地维持在–0.6 kPa左右。陕西宝鸡三门组湖湘粘土岩样品的孔隙水压力同样表现为初始峰值出现时为正值,在稳定的残余强度出现时,持续表现为负值。孔隙水压力为正值说明滑带土样品被压缩,可降低有效应力。而后的负值说明,此时的孔隙水压力表现为吸力,有利于增大有效应力。说明在快速滑动过程中,由于粘性物质、孔隙性的影响,非饱和的水产生的吸力有利于滑坡的稳定。

表3 原岩与滑体水理性质对比表Table 3 Comparative table of water-physical property of protolith and slide mass

图5 韩家山滑带土环剪试验应力-位移-孔隙水压力曲线Fig. 5 Stress-displacement-pore water pressure curve of ring shear test for Hanjiashan slip soil

3 讨论与结论

3.1 讨论

部分存在软弱层的滑坡,其滑动沿着软弱层面发生,仅有一个滑动面。而部分滑坡在超孔隙水压力作用下发生液化,有无数的滑动面。组成韩家山滑坡的为单一的新近系为红色泥岩夹石膏层,因不具层理,可近似看作均质地层。Lupini(1981)认为粘粒含量小于24％、塑性指数低于43的均质岩土体,有效内摩擦角在28°以上,环剪试验中峰值强度与残余强度变化不大,变形由砂粒控制,多以滚剪形式为主。在粘粒含量高于50％岩土体中,可能接近与纯粘土矿物,易于定向排列,且峰值强度与参与强度差别较大,有效内摩擦角低于10°,变形多表现出滑动剪切。而介于这两种极端情况之间的岩土体变形以旋转破坏为主(图6a)。

滑动面的几何形态同样受到泥岩物质组成性质的影响。滑坡坡顶、坡体中部及坡脚的应力状态分布如图6b所示。在斜坡的坡脚最大主应力近水平,最小主应力近垂直,在斜坡中部最大主应力、最小主应力倾斜,而在斜坡的坡肩处最大主应力与重力的方向相同,即为重力,最小主应力近水平。按照库伦摩尔准则,滑动破裂面的产生于与第一主应力方向呈45-φ/2交角处。按照此应力场分布,对于韩家山泥岩有效内摩擦角在10°～25°之间,其滑动面整体形态如图6b所示,呈圆弧状。

韩家山多级滑面的出现是岩土体渐进性变形破坏的结果。产生渐进性变形与岩土体应变软化性质相关。剪切应力随着潜在滑动面的发展会逐步转移。在滑动面的不同部位,坡体应力可能低于峰值强度,或者高于峰值强度,或已经破坏接近残余强度,这取决于滑动面已经产生的变形量。当某个部位应力率先达到峰值强度后,产生相应的应变发生体积收缩,而后大应变破坏。这种体积的收缩会相应引起附近相邻未达到峰值强度的岩体产生变形,直到斜坡整个坡体潜在滑动面贯通。而河流侧向侵蚀下切产生的拔河高度达150 m之多,改变了坡体的应力分布。综合上述讨论,韩家山滑坡形成可分为三个阶段:

(1)初级滑面产生: 河流的侧向侵蚀是主导因素。青藏高原外动力作用强烈,下切深度大,河流侵蚀成为最大的外动力因素。河流侵蚀产生的卸荷可能是坡脚应力集中的主要原因。根据地貌学的研究结论,新近系以来,北川河产生的阶地,最大的拔河高度达到150 m之多。这种侧向侵蚀不仅改变了坡体的形态,而且产生了垂直方向的卸荷效应,导致坡脚应力集中(图7a)。坡脚的岩土体率先达到屈服状态,形成初级滑面,扩展的范围仅仅在坡脚附近(图7b)。

(2)滑面产生: 岩体的应变软化性质是主导因素。自坡脚的第一级滑面产生后,滑坡体产生相应的块体滑动变形。由于岩石具有应变软化特性,第一级滑体在滑动过程中,体积收缩,变形空间骤然增大,河流继续侧向侵蚀,坡脚岩体的剪出口侧向应力得到释放。老滑体坡脚的临空高度逐渐增高,坡脚岩体再次进入应力集中、屈服阶段,引起大规模的滑动,相应产生第二级滑动面(图7c)。坡体中下部地下水丰富,具有应变软化的环境是另一影响因素。

图6 滑坡变形与粘粒物质含量关系Fig. 6 Relation between landslide deformation and clay particle content

图7 多级旋转滑坡形成模式Fig. 7 Formation model of multi-rotation landslide

(3)滑体复活: 裂隙化的滑坡体在降雨作用下,逐步汇聚地下水,地下水水位逐步升高。滑动带内粘土物质因结构松散、透水性强,强度弱化加速。受到季节性降雨强度的影响,地下水水位随之变化,滑动带出现干湿交替的环境,泥岩在这种环境下,强烈崩解、泥化,胶结的结构进一步解体,强度降低,将引起滑坡体沿老滑面复活。

3.2 结论

(1)韩家山滑坡体内不存在软弱地层,可看作近似均质地层。韩家山滑坡由单一的上新世红色泥岩夹石膏层组成,石膏红色泥岩不具层理,不含大于0.25 mm碎屑颗粒,粘土矿物含量在29.7％～46.3％之间,碳酸钙含量在9.84％～11.58％之间,远低于湖相沉积的三门湖粘土岩。岩体夹杂石膏为形态不一、大小不一的结核,可能并非为盐湖沉积形成的,是风成沉积的产物。

(2)泥岩粘粒含量高,水敏性强、粘滞性高,在快速剪切过程中,具有较高的吸力。岩块干燥饱和吸水率最低为26.31％,最高为42.12％。三轴压缩试验呈应变软化状,随着含水率的增大,强度急剧降低。快速滑动过程中,由于粘性物质、孔隙性的影响,非饱和的滑带土产生强吸力。

(3)韩家山泥岩以旋转变形为主,多级滑面的出现是岩土体渐进性变形破坏的结果。与泥岩应力软化性质相关,是河流侧向侵蚀作用的结果。其形成分为: 初级滑面、主滑面产生、滑体复活三个阶段。河流侧向侵蚀作用引起了坡体应力调整,导致坡脚应力集中。初次滑动后,引起相邻岩体的剪出口侧向应力得到释放,随着河流侧向侵蚀作用的加剧,坡脚岩体进入应力集中、屈服阶段,引起后缘更大规模的滑动,相应产生第二级滑面。后续的降雨、地下水作用诱发碎裂状老滑体复活滑动。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41402281),the National Science and Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period (No. 2012BAK10B02) and China Geological Survey (No. 1212011220144).

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The Formation Mechanism of Multilevel Rotational Mudstone Landslides in Hanjiashan of Datong County,Qinghai Province

XIN Peng,WANG Tao*,WU Shu-ren
Key laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard,Ministry of Land and Resources,Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081

There are 31 large-scale landslides in Xining Basin of Qinghai Province,and the Hanjiashan landslide in Datong County is one of the most dangerous. To analyze the deformation mechanism of that landslide,this paper described geometric and kinematic characteristics of the landslide and reconstructed the structure based on high-precision topographic data and continuous coring boreholes data. The authors conducted physical and chemical tests of the material composition,water-physical property and stress-strain property of the shear zone,described the process of mechanical property of shear zone on the basis of these quantitative tests,and then discussed the formation mechanism of multilevel rotational shear planes. Some conclusions have been reached: (1) there is no soft strata in slide mass; instead,the strata seem to be homogeneous formation. The slide mass is composed of red mudstone intercalated with gypsum horizon of Neogene,and both the gypsum and red mudstone are not in stratification and have no particles whose diameter is over 0.25 mm. The clay mineral content of the mudstone is 29.7％～46.3％,and the CaCO3content is 9.84％～11.58％. The concretion of gypsum in the rock mass with different forms and dimensions may not have been formed by salt lake sediments; (2) the mudstone has highclay content,strong water sensitivity and viscosity. The lowest dry saturated water absorption is 26.31％ and the highest is 42.12％. In ring shear test,the mudstone became strain softening,and the strength rapidly decreased when the moisture content increased. When the mudstone was in fast slide,the unsaturated slide zone could have strong suction due to the influence of sticky substances and porosity; (3) the mudstone of the slide mass was mainly in rotational deformation and the multilevel slide zone might have resulted from progressive damage of rock and earth mass and was probably influenced by lateral erosion of the river. Under the influence of lateral erosion of the river,the stress changed and concentrated at the foot of the slope,and the side stress of the adjacent rock mass which changed and concentrated by the fist slide would tend to cause the large-scale slide andprogressive failure.

landslide; mud stone; multi rotation; lateral erosion of river; formation mechanism; progressive failure

P588.23; X43

A

10.3975/cagsb.2015.06.09

本文由国家自然科学基金项目(编号: 41402281)、“十二五”国家科技支撑项目(编号: 2012BAK10B02)和中国调查局地质调查项目“青海湟水河流域地质灾害详细调查及大坡滑坡防治技术研究”(编号: 1212011220144)联合资助。

2015-03-09; 改回日期: 2015-04-28。责任编辑: 魏乐军。

辛鹏,男,1984年生。博士,助理研究员。主要从事地质灾害形成机理研究。E-mail: xxiinnpp@126.com。

*通讯作者: 王涛,男,1982年生。博士,副研究员。长期从事地质灾害风险评估研究。E-mail: Wangtao_ig@163.com。