李嘉雨,王崇艮,毛邦燕，宋浩燃,李 森

(1.中铁二院工程集团有限责任公司 劳模(专家)地质创新工作室，成都 610031； 2.中铁二院工程集团有限责任公司 地勘岩土工程设计研究院，成都 610031；3.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

1 研究背景

西南地区红层滑坡时有发生，具有隐蔽性强、危害性高、分布广泛等特征，常常造成重大人员伤亡和经济损失。2003年7月湖北秭归县沙镇溪镇发生千将坪滑坡，造成14 人死亡，10 人失踪，1 200人无家可归[1]。2004 年9月宣汉县天台乡发生特大型滑坡，摧毁屋舍1 736 间，使1 255 人无家可归[2]。2011年3月由于连续降雨诱发在建兰渝铁路近水平岩层的路堑边坡滑动，使施工中断，工程费用增加[3]。2013年7月都江堰市中兴镇发生高位红层滑坡造成44 人死亡，117 人失踪，11户农家乐被掩埋[4]。2016年6月底綦江区赶水镇发生缓倾红层滑坡导致川黔铁路中断52 d，多处民房倒塌[5]。

目前兰渝铁路某隧道出口存在一处由降雨诱发的平推式红层滑坡，滑坡前缘距隧道进口约130 m，垂直高度约150 m，在连续暴雨下易失稳滑动，可能造成滑坡前缘房屋垮塌、掩埋铁路线路、中断行车的严重后果。因此，在分析滑坡成因机理的基础上，急需对其危险性进行判识，进而采取经济、合理的针对性防治措施，保证滑坡前缘居民及铁路运营安全畅通。

1985年，张倬元等[6]首先提出了平推式滑坡的概念及启动判据。而后大量的工程实践也逐步验证了平推式滑坡的理论[7-11]。2012年王子江等[3]认为近水平软岩边坡岩体遇水后将在楔裂扩张力的作用下发生楔裂破坏并向深部发展。2016年李嘉雨[12]认为砂岩和泥岩互层地层中，砂、泥岩的泊松比、长期强度及黏滞系数的不同，导致砂泥岩间产生非协调变形，最终导致斜坡中后部拉张裂缝的形成、发展和贯通。2018年唐然等[13]基于平推式滑坡的地质力学模型及运动过程分析，利用能量守恒的原理推导了平推式滑坡运动距离的理论计算公式。2019年李嘉雨等[14]通过3DEC数值模拟开展川黔线裁缝岩滑坡的危险性分区与评价。当前针对平推式滑坡成因机理研究已经日趋完善，但对平推式滑坡预测预警、工程措施的适用性和有效性等问题的研究不够深入[15]，因此基于滑距计算和危险性评价的平推式滑坡预测预警还需进一步应用和完善，从而采取合理有效的工程措施。

本文通过现场地质调查、井中电视分析了兰渝铁路某隧道出口大型岩质平推式滑坡的成因机理；在滑坡稳定性评价的基础上，将最新的“平推式滑坡运动距离计算公式”和“基于数值模拟的单体滑坡危险性分区方法”相结合，预测滑坡对兰渝铁路及前缘居民区的致灾范围，解决了平推式滑坡危险性评价的难题；依据滑坡危险性分区结果，提出了经济、安全、合理的防治对策。

2 研究区概况

研究区位于四川省南充市西山向斜南西翼的单斜构造边缘地带，构造线方向以东西向为主，属构造低山剥蚀地貌，浅中切割零星桌状山分布其间，形成了典型的多级平台地貌。研究区内主要出露第四系坡残积物(Q4dl+el)、第四系崩坡积物(Q4dl+col)以及侏罗系上统遂宁组(J3s)泥岩夹砂岩，岩层产状近于水平，岩层倾角一般2°～5°。通过统计隧道出口前后2.5 km的100组节理裂隙，区域上发育多组构造裂隙，走向多呈NE和NW向，主要优势结构面产状为：225°∠88°、315°∠ 86°(N45°W/88°S,N45°E/ 86°N)。研究区属亚热带湿润季风气候区，年日平均气温17.1°，年平均降雨量1 200 mm，1980—2004年间24 h最大降雨量144 mm(1989年7月)。

3 滑坡的工程地质特征与成因机理分析

3.1 基本特征

该隧道出口滑坡位于由5级平台组成的桌状山北侧，平面形态呈半圆形(图1、图2)，主滑方向6°，滑坡长约219 m，宽约383 m；纵剖面呈直角三角形(图3)，厚度6～75 m不等，总体积约为293×104m3，下伏岩层产状349°∠3°(N79°E/3°N)，为大型岩质平推式滑坡。

图1 滑坡体无人机航拍全貌图Fig.1 General view of the landslide

图2 隧道出口滑坡工程地质平面示意图Fig.2 Engineering geological plan of landslideat the exit of tunnel

图3 隧道出口滑坡1-1′纵断面图Fig.3 Longitudinal profile 1-1′ of the landslide

3.2 滑坡的变形特征及分区

滑坡滑动后在后缘形成了一条长大拉裂陷落带L1，如图2所示。该裂缝呈锯齿状，主要受2组陡倾优势结构面(N45°W/88°S,N45°E/ 86°N)控制，裂缝走向N82°W，裂缝延伸长度约102 m，裂缝宽度0.5～4.8 m，深度2～3 m，如图4(a)所示。滑坡中部有一条断续延伸走向N85°E的下错裂缝L2(图2)，裂缝宽度0.15～0.56 m，由西向东延伸，延伸长度188 m；裂缝导致房屋地面开裂，屋角下错，如图4(b)所示。

图4 滑坡后缘和前缘裂缝照片Fig.4 Tension cracks at the back edge and front edgeof landslide

此外，滑坡前缘分布有长度不一的挤压下错台坎；西侧边界台坎L3(图2)走向N87°W，下错高度0.25 m，延伸长度46 m；东侧边界台坎L4(图2)走向N85°E，下错高度0.3 m，延伸长度67 m；斜坡前缘中部裂缝L5(图2)土体下错高度0.1～1 m。

此外滑坡东侧后缘还有一些不明显的张拉裂缝L6(图2)，裂缝宽度0.1 m，未有明显下错，现已被表层土体掩埋。

从地表变形特征来看，滑坡后部(Ⅰ区)滑动变形最为显著且变形量最大，其次为滑坡前缘(Ⅱ区)，变形最不显著的为东侧后部(Ⅲ区)。根据以上滑坡的变形特征，可以将滑坡区分为启动推移区(Ⅰ区)、挤压下错区(Ⅱ区)和剪切拉裂区(Ⅲ区)。

3.3 滑坡物质组成及结构特征

滑体主要由巨厚层泥岩夹厚层砂岩组成，滑体较为完整，未有解体现象，岩芯呈短柱状、柱状，岩体水平层理特征显著；通过泥岩膨胀性试验，发现滑动面上部泥岩为膨胀岩，自由膨胀率为22%，膨胀力为188 kPa。通过对钻孔开展孔内电视成像工作，可以发现第4级平台下部砂泥岩互层间有显著泥化软弱夹层，软弱夹层尚未完全剪断，厚度约0.2 m，主要为可塑状红褐色黏土夹泥岩碎块石，碎石含量60%，如图5(a)所示；滑带下部为弱风化中厚层砂岩透水层，砂岩层理及竖向裂隙显著发育，如图5(b)所示；滑坡前缘可见小股水流渗出，并最终汇集于滑坡前缘下部的下降泉，下降泉流速为2×10-6m3/s。滑床为弱风化泥岩，非膨胀岩，岩性呈短柱状、柱状，竖向裂隙较发育，水平层理裂隙不发育，未见明显透水层。

图5 泥岩泥化软弱夹层和砂岩透水层孔内电视图像Fig.5 Mudstone ooze weak intercalation andpermeable sandstone layer

3.4 滑坡成因机理分析

该隧道洞口滑坡始于2013年6月的暴雨，为施工期间形成的不稳定斜坡，而后发生3次较小的滑动。从滑坡工程地质特征可以看出:

(1)滑坡区岩层近水平，岩体受2组优势结构面控制。

(2)滑坡后部(Ⅰ区)变形最为显著，滑动后形成拉陷槽，滑坡前缘(Ⅱ区)有多处拉张裂缝。

(3)滑坡后部第1级平台为透水性良好的巨厚层砂岩，而第2级平台为隔水的泥岩。

(4)第4级平台下部砂泥岩互层间有显著泥岩泥化软弱夹层。

故雨水汇聚后沿着第1级平台下部的砂泥岩界面流入第2级平台的拉张裂缝中，并形成后缘静水压力和滑面扬压力，诱发近水平岩层失稳滑动形成拉陷槽，并推动前缘土体发生滑脱变形形成拉张裂缝。

表1 滑坡运动距离计算参数Table 1 Calculation parameters for landslide motion distance

4 稳定性评价与滑距计算

4.1 稳定性评价

《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)[16]平推式滑坡稳定性系数计算公式为

(1)

式中：K为稳定性系数；W为滑体单位宽度重力(kN/m);c为滑动面内聚力(kPa)；α为滑面倾角(°)；γw为水的重度，近似取9.8 kN/m3；h0为后缘拉陷槽初始水头高度(m)；φ为滑带内摩擦角(°)；L为滑面长度(m)。

根据表1中的计算参数和式(1)，计算的初始状态滑坡稳定性结果见表2。从表2可以看出滑坡临滑状态的滑坡后缘拉陷槽水位高度为69.5 m(水位高程515.5 m)，大于此水位高度时，滑坡处于不稳定状态；滑坡后缘拉陷槽水位高度在67.7～69.5 m时，滑坡处于欠稳定状态；滑坡后缘拉陷槽水位高度在63.5～67.7 m时，滑坡处于基本稳定状态；滑坡后缘拉陷槽水位高度在63.5 m以下时，处于稳定状态。

表2 拉陷槽不同水位高度稳定性评价结果Table 2 Stability of landslide at different water levels

4.2 滑距计算

该滑坡后缘汇水面积为31 534 m2，根据研究区24 a(1980—2004年)的气象资料，24 h最大降雨量为144 mm，最大汇入雨量约4 540 m3。主拉陷槽裂缝长度146 m，平均宽度0.6 m，深度82 m，拉裂缝呈倒三角形，上大下小，拉陷槽内最大容体积3 591.6 m3。因此在24 h最大降雨量为144 mm的条件下拉陷槽水位能够达到最大水位高度，导致滑坡启动。

根据唐然等[13]推导的平推式滑坡运动距离计算公式,即

(2)

其中：

A=Wcosφ-Wsinα，

C=γwb0h0Ltanφ。

式中S为滑动距离(m)。当前缘剪出口堵塞时，考虑基底扬压力分布形态呈矩形，采用式(2)计算运动距离[13]。

尽管滑坡前缘存在一处下降泉，但滑坡前缘地下水排泄速率远小于后缘拉陷槽内降雨入渗速率，故认为滑坡前缘剪出口处于堵塞状态，其基底扬压力分布形态呈矩形。将野外调查滑体和室内试验的物理力学参数(表1)代入式(2)中计算，计算结果表明：24 h最大降雨量为144 mm条件下，滑坡滑动距离为0.89 m，后缘拉裂缝的平均宽度将达1.49 m。

第1次滑动后，滑带在滑动过程中抗剪强度将显著降低，其饱和抗剪强度综合内摩擦角为12°(表1)，仍考虑滑坡后缘拉裂缝呈倒三角形，在24 h最大降雨量为144 mm条件下拉陷槽内能达到的最大水头高度为58.5 m，计算得出的滑坡稳定性系数K=0.92，滑坡仍处于不稳定状态，还将发生再次滑动。故将第1次滑动后的后缘裂缝宽度和其它物理力学参数(表1)代入式(2)中计算，滑坡第2次滑动的距离为1.26 m。此时，滑坡裂缝宽度最终为2.75 m，在24 h最大降雨量为144 mm条件下拉陷槽内能达到的最大水头高度为43.1 m，滑坡处于稳定状态，将不会发生继续滑动，因此滑坡后缘拉裂缝的最终宽度为2.75 m。

5 数值模拟与危险性评价

5.1 数值模拟

5.1.1 建立地质模型

滑坡和工程边坡联合技术委员会(Joint Technical Committee on Landslides and Engineered Slopes,JTC)在2008年建议采用数值模拟的方法来评价单体滑坡运动距离和速率，用于更高级别的分区图[17]。因此本文建立长700 m、宽595 m的3DEC全尺寸地质地形模型，模拟当前滑坡形态在连续发生2次暴雨(24 h降雨量为144 mm)条件下，当滑坡滑动2.15 m时，即后缘拉裂缝平均宽度达2.75 m时对隧道洞口的危害程度。根据前文对滑坡的分区结果，将地质模型(图6)分为启动推移区(Ⅰ区)、挤压下错区(Ⅱ区)和剪切拉裂区(Ⅲ区)。滑坡启动推移区和剪切拉裂区岩体较为完整，故根据岩层层面产状和优势节理面进行粗略切割；而挤压下错区主要为土体，则将其切割为细小的松散块体。

图6 滑坡模型分区Fig.6 Partition of landslide model

5.1.2 数值模拟结果分析

模型块体滑动结果如图7所示，图中块体是模拟过程中模拟的岩土体，其中大的块体为岩体，细小的块体为土体。滑坡模型位移模拟结果如图8所示。

图7 模型块体滑动结果Fig.7 Numerical simulation result of model blocks sliding

图8 滑坡模型位移模拟结果Fig.8 Simulation results of displacement ofslide model

数值模拟结果显示：

(1)启动推移区(Ⅰ区)后部及左侧变形最为显著，西侧变形量极小，最大滑动距离达3.1 m。

(2)在滑坡后缘滑动2.15 m后，挤压下错区(Ⅱ区)的土体在后部滑体的推动下发生显著滑动变形，其中中部和右侧变形最为显著，最大滑动位移达7.4 m，严重威胁滑坡前缘居民区。

(3)滑坡前缘土体在后部滑体的推动下，约有417 m3的土体沿隧道两侧斜坡下滑至坡底冲沟内，但未堵塞隧道洞口；其余约40 m3土体下滑至第5级平台上。

数值模拟过程中，滑坡后缘首先发生变形滑动形成拉陷槽，而后推移前缘土体滑动形成拉张裂缝，部分土体被推出滑落至第5级台阶及前缘沟槽，变形量最大的区域为滑坡后缘和滑坡前缘居民区，这与滑坡实际变形特征基本一致。

5.2 危险性分区与评价

5.2.1 指标因素选取

通常来说滑坡的危险性主要体现在滑坡发生的时间概率、滑移距离和滑移速度[18]。分析滑坡发生的时间概率可以间接利用“触发因素的重现周期信息”的方法[18]，即24 h最大降雨发生的概率为触发相应滑动距离的概率。同时，采用数值模拟的方法预测滑坡滑移距离和速度。此外，本文还考虑了滑坡滑动诱发次生灾害概率(如房屋倒塌、地表塌陷、堵塞铁路等)和植被对滑动土体一定程度上的拦挡作用，如表3所示。

表3 单体滑坡危险性分区打分Table 3 Scoring of hazard zoning for single landslide

由于该滑坡的触发因素为降雨，且24 h最大降雨量为144 mm的年发生概率为1/24，故滑坡触发后滑动距离>0.89 m的年发生概率<4.1%。要使滑坡产生2.15 m的滑移距离，需连续发生24 h最大降雨量为144 mm的2次暴雨，因此连续2次暴雨导致滑坡滑动距离>2.15 m的年发生概率<0.17%。

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[19]对砌体承重结构基础的地基变形允许值要求，砌体承重结构沿纵向6～10 m内基础两点的沉降差与其距离的比值≤0.002，即满足规范要求。因此，当滑坡滑移距离S<0.02 m时, 滑坡对房屋建筑结构完整性影响较小。因此，滑移距离对建构筑物影响分为：无影响(S<0.02 m)、可修复(0.02 m≤S<0.1 m)、严重损坏(0.1 m≤S≤1 m)、不可修复(S>1 m)。

但当滑坡在滑动过程中超出原有的滑坡体范围时，原滑坡范围以外不能用滑移距离来评价滑坡的危险性。考虑到本滑体范围外承灾体主要为既有建构筑物和人，本文选取途经该区域的滑块数量(体积)来代替滑移距离这项指标因素。因此，设定每个块体对某点人员造成伤亡的概率为0.5，则某点滑块砸中人员的概率划分为：0%、<75%(2个滑块中至少有一个造成伤害)、75%～97%(5个滑块中至少有一个造成伤害)、>97%(5个以上滑块至少有一个造成伤害)4种标准。并分别对应建构筑物造成的损坏程度为：无、轻微、中等、严重。

人通常奔跑速率为5～7 m/s，走路的速率为0.5～1 m/s，因此将人能够安全躲避灾害的速率0.5、5 m/s设定为滑移速度打分基准值。

5.2.2 权重取值

通过层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[20]对滑动距离(或途经滑块数量)、滑动速率、滑坡诱发次生灾害的概率、植被覆盖情况这4个指标的重要性进行相互比较，并引入合适的标度(表4)将其之间的关系用数值表示出来，最后建立判断矩阵，归一化后计算得出4个指标权重值分别为0.503、0.308、0.14、0.049。为保证评价者思考逻辑的一致性，对判断矩阵进行一致性检验，求得最大特征根λmax=4.082、一致性指标CI=0.027 5、一致性比例CR=0.031。因一致性比例CR<0.1，故矩阵满足一致性检验。

表4 比例标度及其含义[20]Table 4 Proportion scale and its meaning[20]

5.2.3 危险性分区

通过3DEC数值模拟，获得滑坡滑动过程中的滑动路径(图7)、位移量(图8)以及滑动速率；通过无人机航拍获得滑坡区植被发育情况。在获得以上数据的基础上通过建立72个评价点(图9)，根据指标因素权重值进行打分，并将模型与地形地貌进行匹配，依据相应的危险性分级与防灾措施表(表5)，判断该点最终评分值所处区域，获得滑坡危险性分区图(图9)。

表5 危险性分级与防灾措施Table 5 Hazard classification and disaster preventionmeasures

图9 滑坡危险性分区Fig.9 Zoning of landslide hazard

打分结果显示：共有极高危险性点18个，高危险性点25个，中危险性点25个，非危险性点4个。其中，由于滑坡总体滑动量不大，滑坡在滑动过程中没有解体，滑坡中部变形量、滑动速率较小，故列为中危险区。而隧道洞口上方为正地形，两侧为负地形，溜滑块体滑至隧道上部后，受地形限制沿两侧负地形滑至前缘沟槽内，但溜滑体会造成铁路隧道洞口形成次生灾害，故评分结果显示处于中危险区。

5.2.4 危险性评价与工程措施建议

根据数值模拟结果和滑坡危险性分区(图9)，可以看出滑坡前缘由于后部岩体滑动过程中的推挤作用将产生最大7.4 m滑动变形，严重威胁处于极高危险区的民房结构安全。滑坡前缘土体在后部滑体的推动下，形成417 m3的溜滑体，虽未堵塞铁路隧道洞口，但也给铁路造成较大隐患，使铁路隧道洞口处于中危险区中。

因此，综合考虑滑坡的成因机理可以采取以截排水+抗滑桩为主的工程治理措施，以保证前缘居民区和铁路运营安全。具体工程措施如下：

(1)对后缘张拉裂缝进行灌浆处理，封堵地下水沿陡倾节理裂隙下渗通道。

(2)在滑坡后缘采用无纺土工布修建截排水沟，将降雨引至前缘冲沟。

(3)为防止滑坡前缘土体滑动，需在滑坡前缘设置抗滑桩。

(4)滑坡中前缘修建减压井及地表截排水系统。

6 结 论

本文通过现场调查、井中电视、理论公式计算、数值模拟等手段，分析了兰渝铁路某隧道出口滑坡的成因机理，计算了滑坡的滑动距离，并对滑坡进行了危险性分区与评价，得到认识如下：

(1)降雨入渗滑坡后缘张拉裂缝，并形成后缘静水压力和滑面扬压力，最终诱发该滑坡失稳滑动。

(2)在24 h最大降雨量为144 mm条件下，滑坡触发后滑动距离>0.89 m，年发生概率<4.1%；连续2次24 h最大降雨量为144 mm的条件下，滑坡滑动距离>2.15 m，年发生概率<0.17%。

(3)滑坡滑动2.15 m后，将处于稳定状态。

(4)滑坡滑动2.15 m后，滑坡前缘居民区处于极高危险区，隧道出口处于中危险区，建议采取以设置截排水+抗滑桩为主的工程治理措施。