Analysis on the mechanism of bank slope sliding considering the effect of reservoir water fluctuation and sliding zone weakening
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摘要: 以三峡库区凉水井滑坡为研究对象，采用理论分析与数值模拟的研究手段，构建了滑带强度弱化模型，提出了渗流驱动的滑坡启滑判据，应用Geo-studio有限元程序分析了库水不同升降速率对滑坡稳定性的影响，揭示了库水升降作用下岸坡渗流场演变规律和渗流驱动下的启滑机制。研究表明：（1）渗透压力与渗透时间的变化是滑带土强度弱化的关键因素，弱化到临界强度时，在渗流驱动下发生压剪破坏而启滑，由局部向整体以渐进模式破坏失稳；（2）库水升降过程中，坡体内孔隙水压力滞后性较明显，水位升降速率会影响坡体地下水响应时程，升降速率越大，孔隙水压力变化越大，渗流驱动力越大，滑坡稳定性变化越快，越趋近于渐进破坏；（3）库水位从175 m降到145 m，凉水井滑坡滑面法向应力最大降低了38.19%，剪应力最大降低了22.20%，有效法向应力最大落差为168.64 kPa，抗剪强度最大落差为63.45 kPa。以上分析结论与规律可为涉水滑坡启滑机制分析、库岸山体滑坡失稳研究及应急防治工程等提供科学依据和理论方法。Abstract: This study focuses on the Liangshuijing landslide in the Three Gorges Reservoir area, using theoretical analysis and numerical simulations methods to construct a strength weakening model for the sliding zone and proposes a criterion for seepage-driven landslide initiation. The influence of different water level rise and fall rates on landslide stability is analyzed using the finite element program Geo-Studio, and the evolution laws of bank slope seepage field under the rise and fall of reservoir water and the starting and sliding mechanism caused by seepage are revealed. The research finds that changes in seepage pressure and time are crucial in weakening the strength of sliding zone soil. Once it reaches the critical strength, seepage causes pressure shear failure, leading to the initiation of the landslide, which progresses from local to overall failure. During the reservoir water level rise and fall process, the hysteresis of pore water pressure in the slope body is evident, and the rate of water level change affects the response time of groundwater in the slope. A faster rate of water level change leads to a greater change in pore water pressure, more driving force from seepage, and a faster change in landslide stability and a closer approach to progressive failure. When the reservoir water level drops from 175 m to 145 m, the normal stress on the sliding surface of the Liangshuijing landslide decreases by 38.19%, and the shear stress decreases by 22.20%. The maximum decrease in the effective normal stress is 168.64 kPa and the maximum decrease in shear strength is 63.45 kPa. The above findings provide a scientific basis and theoretical methods for the analysis of landslide initiation and sliding mechanisms, instability research of reservoir bank landslides, and emergency prevention and control engineering.
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0. 引言
黄土高原区约占国土面积的6%，但发生地质灾害的数量占全国的30%，灾害数量多、危害严重、机理复杂[1]。21世纪开始，随着城镇化率的逐步加速[2]，黄土高原人口密集区的地质灾害多发频发[3-4]，严重威胁着人民群众的生命财产安全和关乎国计民生的重大工程建设[5]，国家在黄土高原地区系统性地部署并实施了不同尺度的地质灾害调查项目[6]，获得了大量的研究成果[7, 8]。以往对黄土高原地质灾害的研究工作主要集中于灾害工程地质[9, 10]，黄土成灾机理[11-13]、黄土结构及岩土力学[14-17]、地质灾害风险评价体系[18-19]和监测预警体系[20]等方面，研究对象主要为基岩上覆的新生代土质地层，有部分涉及到基岩[21-23, 10]，但大都缺少对城镇区域基岩构造特征与崩塌地质灾害间相关性的深入的研究。延安地区基岩崩塌灾害和隐患大都分布在人口及工业活动密集的城镇区域，如公路铁路沿线、居民区及工业区周边等，对居民生命财产和高价值设施威胁严重：2004年8月，延川县张家河村至伏寺村的公路上巨石坠落致3人死亡；2011年7月，延安市宝塔区红化沟居民楼旁基岩边坡坍塌致楼房受损严重，居民财产遭受损坏；2013年2月，延安市南寨砭小区旁边山崖上巨石掉落砸坏多辆汽车；2017年7月，安塞区园子小区后侧陡崖石块坠落损坏民房和天然气管道；2019年7，安塞区地税局东南侧发生基岩崩塌，毁坏民房数间。因此，加强黄土区基岩崩塌成因机制的研究工作，对于保护居民的生命财产安全、支撑地方政府防灾减灾和城市规划建设是紧迫且必要的。
目前基岩型崩塌相关研究大都是从岩土工程专业出发，运用岩土体结构构造分析、工程钻探及稳定性数值模拟等方法，着重对危岩体的成灾机制、稳定性和防治措施等开展研究工作[24-28]，研究成果显示崩塌的形成与张性裂隙发育程度密切相关，而且其稳定程度及形变运动特征都可以运用数值模拟分析方法判定并提出针对性防治措施。上述研究工作大都是围绕单个危岩体开展的，未考虑区域尺度上崩塌灾害所处的构造位置及其与不同性质构造样式间的关系。通过2018年以来在延安市安塞区、富县、志丹县、吴起县等城镇区域开展1∶10000尺度的地质灾害调查和风险评价工作，显示近年来黄土高原地区人口逐步集中的城镇区绝大都座落于基岩普遍出露、水蚀切割较深的河谷区内，地质灾害和隐患点的成灾类型多半都为基岩型崩塌。以延安市安塞区地质灾害调查中实测的层理、节理产状和基岩崩塌结构控制面产状等数据为支撑，将区内与背斜构造相伴生的张、剪性节理产状与基岩崩塌结构控制面产状进行城镇区域尺度的对比研究，以期从地层构造角度切入，揭示安塞主城区基岩型崩塌（隐患）形成及发展的主控构造要素。
1. 安塞主城区地层结构及构造发育特征
1.1 区域构造特征
延安市位于鄂尔多斯盆地中东部，沿河而建的安塞区主城区就座落于延安市偏北的延河河道中（图1 ）。鄂尔多斯盆地是华北陆块岩石圈厚度最大的地区，自三叠纪末期以来一直保持着稳定沉积盆地特征，无明显构造作用改造，褶皱构造总体表现为轴向近南北的大型宽缓向斜，次级褶皱以短轴背斜、鼻状背斜等平缓拱形隆起为主，断裂构造不发育。
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图 1 安塞主城区地理位置及灾害地质图Figure 1. Geographical location and disaster geological of Ansai urban1.2 安塞城区地层岩性结构特征
将安塞主城区周边各斜坡单元中地质灾害发育的空间位置及影响范围与本地区的基础地质要素进行叠加分析成图，在此基础之上对承载地质灾害的年代地层和工程地质岩性组合特征开展初步的相关程度定性分析，结果见图1（b），与地质灾害发育相关性最高的地层单元为中侏罗统延安组枣园段。
鄂尔多斯盆地块内枣园段地层整体岩性组合为不等厚的砂岩和泥岩组合[29]。安塞主城区范围内具体岩性组合特征为：北部发育枣园段下部层位，是灰白色砂岩、深灰色泥岩不等厚互层组合，夹页岩和粉砂岩；南部发育枣园段的上部层位，岩性以深灰色泥岩、粉砂质泥岩等细碎屑组合为主，夹灰白色中层状砂岩（图2）。
1.3 安塞城区构造发育特征
安塞城区北部近东西向展布的、揭示延河两岸基岩地层构造发育特征的地质剖面AA′见图1（b），实测结果表明：总体以延河流向为枢纽线发育一北西—南东走向的背斜构造，褶皱轴走向约为330°，延河西岸地层产状集中在200°～230°∠4°～6°，延河东岸地层产状集中在35°～73°∠6°～10°（图3）。
将宽缓背斜构造抽象成“圆柱状褶皱”，则与此形态相对应的节理构造有两种形态：张性构造，平行于褶皱轴的纵节理，垂直于褶皱轴的横节理；剪性构造，以及与褶皱轴斜交的斜节理（图4）[30-31]。
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安塞城区座落于背斜轴部，是区内张应力最为集中的部位，张性的纵节理和横节理发育，节理破裂面粗糙不平且宽度较大，单条节理连续性不强，常见多条节理以雁列式或侧列式排列，见图5（a）。在安塞区基岩地层中可见到能干性较强的砂岩中发育有两组节理面平整、近直交的剪性节理，将砂岩层切割成“锯齿”状，如图5（c）。能干性较弱的泥岩层则作为背斜构造中不同形变量砂岩层间的中和层，见图5（b）。其形变特征为横向伸展减薄，主要由上下砂岩层间的相对滑脱引起，所以张、剪性节理在泥岩层中基本不发育，见图5（d）。区内基岩所发育节理的具体特征见表1。
表 1 安塞主城区基岩中所发育节理的参数及特征Table 1. Parameters and characteristics of joints developed in bedrock of ansai urban序号 走向/（°） 倾角/（°） 性质 发育程度 1 320～340 74～89 纵节理（张性节理） 高 2 40～60 75～90 横节理（张性节理） 较高 3 0～10 83～90 第一组共轭剪切节理 较高 4 80～90 77～85 5 100～120 75～85 第二组共轭剪切节理 一般 6 200～210 80～85 ![]()
图 5 安塞区基岩地层中所发育节理的特征Figure 5. Characteristics of joints developed in bedrock strata of Ansai urban将安塞主城区周边基岩崩塌的产出状态和基岩中不同成因性质节理的产状特征对比，运用构造分析方法对安塞主城区范围内岩质崩塌控制面与基岩地层中多组透入性节理之间的关联性进行详细地对分析，以期揭示两者之间的关联规律。
2. 基岩崩塌的发育特征
2.1 安塞区内崩塌地质灾害的发育与基岩地层间相关性分析
对安塞主城区范围内的崩塌地质灾害（隐患）点的调查结果表明基岩型崩塌数目（53处）占崩塌总数目（71处）的74.65%，都与延安组枣园段的互层状砂泥岩密切相关。
以中侏罗统延安组枣园段互层状砂岩-泥岩组合的基岩和中晚更新统黄土地层界面为参照，对安塞区内发育的所有崩塌灾害（隐患）点的发育位置进行统计，结果显示有67%的崩塌灾害（隐患）点发育位置在基覆界面（基岩与上覆黄土界面）以下的基岩中（图6），与基岩地层类型、构造性质关系密切。
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图 6 安塞区主城区内岩质崩塌相对基覆界面位置图Figure 6. Location of rock collapse relative to basement interface in the main urban area of Ansai urban2.2 基岩崩塌的野外出露特征
研究区内基岩地层主要在延河主河道及其支沟的高陡边坡部位，近年来大量的基建工程活动和石料开采活动对岩质边坡开挖程度高，破坏了原本脆弱的应力平衡，再叠加降雨、冻融等自然侵蚀力的持续作用，高差大且坡度陡的边坡中裸露的砂岩、泥岩层大多都沿原生的节理面掉落，对斜坡下方的生命、财产、工程及建筑等造成损毁和威胁。
安塞主城区范围内大多岩质崩塌地质灾害（隐患）露头上都可见到基岩地层中发育有多组节理面，尤其在相对坚硬的砂岩层露头处，常见锯齿状排列的节理面，所以位于高处且受差异风化而临空的厚层砂岩沿节理面附近坠落致灾。
安塞区北部的阳庄崩塌点坡向330°、走向北东东，坡度80°、近直立。斜坡高处有巨厚层砂岩出露，其中发育有产状分别为280°∠86°和10°∠88°的一组共轭剪切节理面，将砂岩层切割成块，加之下方泥岩层抗风化能力较弱、剥蚀速率大，造成砂岩块下部临空，沿着受共轭剪切节理所控制的崩塌结构面掉落致灾（图7），近年来频繁发生巨大砂岩块体和泥岩碎屑掉落并阻塞河道。
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图 7 安塞区阳庄崩塌灾害点现场示意图及剖面图Figure 7. Diagram and section of Yangzhuang collapse in Ansai urban安塞区南部贾家洼村崩塌点为人为开挖建房形成，开挖斜坡坡向260°，走向近南北，坡面上可见到两组近垂直的张性节理面，其产状分别为320°∠88°和250°∠80°（图8），其中走向为330°（250°∠80°）的张性节理严格地控制了此处崩塌结构面的发育。2017年6月因降雨导致斜坡面高处的巨型砂岩块体沿节理面向西倾倒，掉落后摧毁坡脚处居民房2间。
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图 8 贾家洼崩塌露头示意图及剖面图Figure 8. Schematic diagram and section of Jiajiawa collapse outcrop3. 安塞区城区基岩地层节理和岩质崩塌控制面产状发育特征
3.1 基岩节理产状的空间发育特征
利用“OpenStereo”极射赤平投影对安塞区基岩中的节理面产状数据开展研究[32-34]，结果显示赤平投影圆面上的节理面极点在北西（310°～340°）、西南（230°～250°）和东南（140°～160°）等三个区间最为集中（颜色最深）、密度最大，它们反映了区内发育程最高的节理走向为NEE和NNW，再结合节理面极射赤平投影线的分布特征，它们分别对应走向320°～340°和40°～60°两个方向的节理，见图9（a），图9（b）；其次，赤平面上的极点还在350°～10°、170°～190°和70°～90°、280°～300°四个方位区间较为集中，与节理面赤平投影线分布规律进行综合分析后结果也反映出它们分别对应走向在70°～90°和0°～20°等两个走向的两组发育程度次级的节理，见图9（c）；除上述节理面较为集中区域外，还有数个极点密度相对最低的、节理发育程度低的方位区间：20°～40°、200°～220°和100°～120°、310°～320°，其对应的节理走向区间与节理面的赤平投影线走向区间一致，分别为20°～40°和100°～120°两个区间，见图9（d）。
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图 9 基岩节理产状赤平投影及走向分布图Figure 9. Stereographic projection and strike distribution of bedrock joint occurrence将节理面产状的玫瑰图与节理面赤平投影极点密度图叠加分析，结果显示节理走向的空间分布特征与上述的极射赤平投影分析结果相同，也更加明显。走向320°～340°和40°～60°两组节理是区内最发育的节理，它们分别与安塞区内基岩褶皱轴走向平行和垂直两个方向的张性节理相对应，前者与延河走向基本一致，为纵节理，后者则与之垂直，为横节理，见图10（a）。
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图 10 基岩节理赤平投影极点密度与玫瑰花分析图Figure 10. Stereographic projection pole density diagram and rose analysis diagram of bedrock joints叠加分析结果揭示安塞区基岩中发育有两组次级的大角度斜交节理与区内的张性节理斜交，为共轭剪切节理，见图10（b）、图10（c），第一组共轭剪节理走向分别为0°～10°和80°～90°，如图10（b），第二组共轭剪节理走向分别为100°～120°和200°～210°，如图10（c）。
3.2 岩质崩塌控制面产状发育特征
将安塞区城区及周边的岩质崩塌结构控制面的走向及主崩方向也运用极射赤平投影软件“Open Stereo”进行分析，结果显示岩质崩塌结控制面空间走向也呈现有规律地集中，如图11（a）。极点密度最大的方位区间为：340°～360°和160°～180°，对应走向为NEE（70°～90°）的一组崩塌控制面，其发育程度最高，见图11（c）；其次为30°～50°、210°～230°和310°～330°、130°～150°，分别对应发育程度相对中等、走向为NW和NE两个方向的崩塌控制面，见图11（b）；极点密度最小的区间为180°～200°和100°～120°，见图11（d），它们分别对应走向为NNE和SEE的两组塌控制面，其发育程度最弱。
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图 11 崩塌结构控制面极射赤平投影分析结果Figure 11. Analysis results of stereographic projection on control surfaces of collapsed structures将玫瑰图解和赤平面极点密度图叠加分析后，结果显示区内岩质崩塌结构控制面走向的空间分布也具有明显的规律性，与岩质崩塌控制面极射赤平投影分析结果一致（图12）。
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图 12 崩塌控制结构面赤平投影及走向统计分析图Figure 12. Stereographic projection and strike analysis diagram of collapse control structural plane3.3 基岩中的节理构造控制着岩质崩塌控制面的发育
将岩质崩塌控制面产状与不同性质基岩节理面产状的发育、组合特征进行综合对比，结果显示崩塌结构控制面产状也具相同组合特征：（1）可与基岩张性节理对比两组崩塌控制面，走向在230°～250°（或40°～60°）和120°～140°（或310°～330°）两个方位区间，此两组控制面发育程度较高；（2）可与基岩中第一组共轭剪节理对比的两组崩塌控制面，走向为250°～270°（或70°～90°）和0°～10°，其中走向近EW的崩塌控制面最为发育，而走向近SN的控制面则几乎不发育；（3）可与基岩中第二组共轭剪节理对比的两组崩塌控制面，走向在280°～300°（或100°～120°）和190°～210°（或10°～30°），此两组控制面发育程度一般。
崩塌结构控制面的发育与基岩中发育的不同性质的节理关系密切。虽然基岩节理的发育程度和崩塌结构控制面的发育程度不尽一致，但崩塌结构控制面的发育整体上受基岩节理面的控制：基岩第一组共轭剪节理中的近EW走向剪切节理面控制着安塞区主城区内发育程度最高的一组岩质崩塌控制面，见图12（b）；其次是发育程度较高的NE和NW走向的两组崩塌控制面，见图12（a），分别受相同走向基岩中张性节理的控制；此外，基岩中的第二组共轭剪切节理也对相同走向的崩塌控制面有明显的控制，见图12（c）。
4. 结论
安塞区主城区范围内的基岩地层构造是近似以延河河道为枢纽线、NNW—SSE走向（320°～340°）的直立型褶皱。在基岩地层的坚硬岩性层中普遍发育有两种性质的节理：一是走向与褶皱轴面延伸方向平行和垂直两个方向的两组张性节理，二是与张性节理面斜交的两组共轭剪切节理。
两组张性节理面走向分别为40°～60°和320°～340°，它们在安塞主城区范围内发育程度最高；第一组共轭剪切节理面走向为近南北（0°～10°）和近东西（80°～90°），它们的发育程度较高；第二组共轭剪切节理面走向为100°～120°和200°～210°，它们的发育程度一般。节理构造与安塞主城区内基岩型崩塌的发育密切相关。
安塞区主城区内基岩型崩塌结构控制面的走向分布规律完全可以和基岩地层中的节理面组合的走向相对应，不同走向崩塌控制面的发育程度从高到低排序依次有：走向近EW（250°～270°）的崩塌控制面、走向在230°～250°和120°～140°两个方位的崩塌控制面、走向在280°～300°和190°～210°两个方位的崩塌控制面，它们分别与基岩地层中的第一组共轭剪切节理、两组张性节理、第二组共轭剪切节理的走向分布特征一一对应。
安塞区主城区范围内基岩地层中所发育的与褶皱构造相关的张、剪性节理面对基岩型崩塌结构控制面的发育有着较强的控制作用。
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图 1 渗流驱动的滑坡压剪破坏分析模型
Figure 1. Analysis model for seepage-driven landslides under pressure shear failure
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图 3 凉水井滑坡典型地质剖面图
Figure 3. Typical geological cross-section of the Liangshuijing landslide
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图 4 凉水井滑坡滑面形态特征
Figure 4. Morphological characteristics of the sliding surface of the Liangshuijing landslide
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图 5 地表累积位移与时间的关系
Figure 5. The relationship between cumulative surface displacement and time
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图 6 地表裂缝宽度累积与时间的关系
Figure 6. The relationship between cumulative surface crack width and time
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图 7 凉水井滑坡稳定系数Fs-库水位（左）变化与滑带抗剪强度-库水位（右）变化
Figure 7. Stability coefficient Fs - change of reservoir water level (left) and shear strength of sliding zone - change of reservoir water level (right) of Liangshuijing landslide
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图 8 滑带土抗剪参数反演
Figure 8. Inversion of shear resistance parameters for the sliding zone soil
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图 9 渗流驱动力与库水位降落速度变化关系
Figure 9. The relationship between seepage driving force and falling rate of reservoir water level
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图 10 凉水井滑坡启动及演化机制
Figure 10. Initiation and evolution mechanism of Liangshuijing landslide
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图 11 凉水井滑坡渗流分析有限元模型
Figure 11. Finite element model for seepage analysis of Liangshuijing landslide
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图 12 库水升降作用下凉水井滑坡地下水渗流场演变
Figure 12. Evolution of groundwater seepage field of Liangshuijing landslide under the action of reservoir water level rise and fall
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图 13 库水升降作用下凉水井滑坡稳定性变化
Figure 13. Stability change of Liangshuijing landslide under the action of reservoir water level rise and fall
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图 14 凉水井滑坡平均位移随降水时间变化
Figure 14. Variation of average displacement of Liangshuijing landslide with precipitation over time
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图 15 降水条件下滑面法向力变化
Figure 15. Variation of normal force on sliding surface under precipitation conditions
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图 16 降水条件下滑面剪力变化
Figure 16. Variation of shear force on sliding surface under precipitation conditions
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图 17 库水升降条件下滑坡孔隙水压变化
Figure 17. Changes in pore water pressure of the landslide under reservoir water level rise and fall conditions
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图 18 降水条件下滑面有效法应力与抗剪强度变化
Figure 18. Variation of effective normal stress and shear strength on sliding surface under precipitation conditions
表 1 滑坡计算参数一览表
Table 1 List of calculation parameters for Liangshuijing landslide
岩土体 弹性模量/GPa 泊松比 重度/（kN·m−3） 黏聚力/kPa 内摩擦角/（°） 天然 饱和 天然 饱和 天然 饱和 滑床 24 0.2 25.1 25.3 5650 5420 47.04 43.80 滑带 3 0.4 23.0 23.8 19.17 14.41 25.03 24.29 滑体 3 0.4 23.0 23.8 21.48 19.29 34.83 27.68 
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