巨型滑坡演化机制与防治

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第1章 绪 论
　　1.1 巨型滑坡及其危害
　　20世纪中期以来，随着世界人口的不断增长、人类活动空间的逐渐扩展，以技术和经济条件为支撑的工程活动对地质环境的扰动程度不断加大，加之受到全球气候变化等因素的影响，滑坡灾害，尤其是大型滑坡、巨型滑坡灾害发生频率越来越高，所造成的经济损失和人员伤亡也不断加大。巨型滑坡不仅给当地居民的生命财产造成极大损失，还摧毁了相当数量的工厂和矿山，并严重影响铁路、公路、水运及水电站等基础设施的安全运营，如1950年9月瑞典色尔特土质滑坡（体积400×104m3，40余栋房屋被毁，交通中断）；1963年10月意大利瓦依昂（Vaiont）水库滑坡（体积27000×104m3，2500～2600人死亡）；1980年5月美国华盛顿州海伦斯火山爆发，引发体积高达2.8km3的特大“崩→滑→流灾害；1998年8月飓风米歇尔带来的强降雨在洪都拉斯诱发了体积达600×104m3的厄尔百林彻深层滑坡；2001年1～2月萨尔瓦多群发性地震滑坡（体积约75×104m3的Santa Tecla滑坡造成500多人死亡）等[1-5]。20世纪以来，我国西部地区也先后发生了一系列大型滑坡和巨型滑坡，如1920年的宁夏海原地震滑坡、1933年的四川岷江叠溪滑坡、1965年云南禄功大滑坡等特大型滑坡灾害事件。尤其是20世纪80年代以来，中国大型滑坡和巨型滑坡伴随社会经济活动的迅速发展而进入一个新的活跃期，相继发生于1982年7月的长江鸡扒子滑坡、1983年3月的甘肃洒勒山滑坡、1989年7月的四川华蓥山溪口滑坡、1991年6月的川藏公路102段滑坡、1991年9月的云南昭通头寨沟滑坡、1996年6月的云南元阳县老金山滑坡、1997年7月的南昆铁路八渡滑坡、2000年4月的西藏波密易贡滑坡、2000年5月的重庆万梁高速公路张家坪滑坡、2004年7月的四川宣汉滑坡、2005年2月的四川丹巴滑坡、2009年6月的重庆武隆鸡尾山滑坡、2015年12月的中国深圳光明新区“12 20滑坡等20余处[6-10]，滑体都在200×104m3以上，给工程建设造成极大的困难，给国民经济建设和社会发展带来了惨重损失。
　　2008年5月12日14时28分，在四川省西部龙门山断裂带发生的Ms8.0级汶川大地震，是中国近百年来在人口较为密集的山区所发生的破坏性最强、受灾面积最广、救灾难度最大、灾后重建最为困难的一次强震灾害。汶川大地震发生于地质环境很脆弱的西南山区，地震触发了大量次生地质灾害。据估算，汶川地震所触发的滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害总数约5万处，其中51个重灾县内对人员安全构成直接威胁的灾害隐患点就达12000余处。受灾最为严重的四川省，在面积接近10×104km2的10个极重灾县和29个重灾县内，共查明地质灾害隐患点约1万处，仅规模大于1000×104m3的滑坡就达数十处。其中，规模最大的安县大光包-黄洞子沟滑坡，初步估算体积约94500×104m3，形成的滑坡堆石坝高约550m。次生地质灾害一方面直接造成大量人员伤亡；另一方面，大量的滑坡、崩塌灾害隐患点还对人口聚集点和铁路、公路、房屋建筑等基础设施造成直接损毁并构成严重威胁。据统计，仅四川省境内，次生地质灾害就对12座县城、近100所学校以及大量集镇、居民聚居点、工矿企业、旅游景区、道路、水利水电设施等构成严重威胁，共涉及15.8万户64万人的生命和303.8亿元资产的安全。汶川大地震触发的次生地质灾害数量之多，分布之广，规模之大，现象之独特，机制之复杂，举世罕见。现场调查和初步研究结果表明，由于汶川大地震震级高、持续时间长、释放能量大、震区地质环境条件脆弱，因而其呈现出一系列与通常重力环境下地质灾害迥异的特征，如独特的失稳机理、超强的动力特性、大规模的高速抛射与远程运动、大量山体震裂松动与坡麓物质堆积、众多的崩滑堵江等。这些现象和问题已远远超出了人们原有的认识，给地质灾害的防治和工程建设带来前所未有的难度。
　　随着我国西部大开发交通基础设施的大规模兴建，受青藏高原隆升和地形地貌格架的制约，加之全球气候变化、汶川特大地震等因素的影响，我国西部地区大型滑坡、巨型滑坡灾害的发生频率越来越高，铁路成为了遭受滑坡危害最频繁、最严重的工程领域之一。例如，宝成、宝兰、成昆、川黔、黔桂、鹰厦、青藏、太焦线等，特别是宝成线、陇海线的宝天段及成昆线，由于沿线地形地质条件复杂，灾害地质作用频繁，几乎年年遭受滑坡袭击，其中不乏上百万立方米乃至千万立方米的巨型滑坡。滑坡对铁路的危害主要表现在破坏线路、中断行车、危害站场、砸坏站房、毁坏铁路桥梁及其他设施、错断隧道、摧毁明硐、造成车翻人亡行车事故等。尤其是巨型滑坡、特大型滑坡严重威胁着铁路的建设与运营，往往给国民经济带来重大损失。成昆铁路铁西车站内1980年7月3日15时30分发生的铁西滑坡，是发生在我国铁路史上最严重的滑坡灾害。滑坡体积约220×104m3，掩埋铁路涵洞、路基，堵塞铁西隧道双线进洞口，越过铁路达25～30m，掩埋铁路长160m，中断行车40天，造成非常惨重的经济损失，仅工程治理费就高达2300万元。2008年发生的汶川特大地震触发了许多巨型滑坡，这些滑坡和地震震裂不稳定山体必然给今后四川铁路工程建设带来重大影响。例如，在高烈度地震山区修建铁路、公路，必然受到大型滑坡、巨型滑坡和潜在不稳定震裂山体的制约。
　　可见，巨型滑坡对铁路这种线状工程的影响和制约作用已经非常明显，处治巨型滑坡已成为铁路建设，特别是高速铁路修筑过程中的重大关键技术问题之一。对于巨型滑坡，如果在勘测阶段就已查明的情况下，一般都会尽量采取绕避的方式。但有时由于巨型滑坡规模巨大、范围广、成因复杂，勘察期间认识不够，往往造成既成事实；而且有的情况下（如高速铁路受线形制约），巨型滑坡的威胁是无法回避的。由于这类滑坡体积巨大、下滑力大，且形成演化机制复杂，仅靠常规的防治方法，如排、减、锚、挡等往往显得“力不从心，难以取得良好效果，整治难度非常大，代价高昂。而且对于巨型滑坡，现有设计理论方法存在诸多局限，如当前治理设计几乎不考虑滑坡机制；滑坡推力计算方法与实测值差异较大；大型、新型组合式支挡结构设计计算理论尚不成熟，且不考虑滑体与治理结构间的相互作用等。特别是当前工程界对于滑坡防治普遍认为其是一项纯工程问题，偏向于选择支挡结构物特别是抗滑桩来解决问题，在支挡效果、施工难易、工程造价等方面考虑得多，而对滑坡这种独特的地质灾害特有的形成条件、产生原因、变形破坏机制和几何边界条件（滑动面的埋深和形状）未能给以足够的重视[11]。因此，针对治理难度极大的巨型滑坡开展成因机制及地质力学模式研究，研究成果对于西南地区铁路、公路、水利、机场等大型基础设施的选线（址）、勘察、设计和施工过程中巨型滑坡的处治和利用具有重要的指导作用和工程实践意义。
　　1.2 滑坡形成演化机制研究现状
　　滑坡是斜坡或边坡变形破坏的一种形式，而且仅是在一定因素作用下具有一定地质条件的斜坡（边坡）变形破坏形式之一。美国学者K. Terzaghi在其1950年发表的“滑坡机理一文中系统阐述了滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法及在某些工程中的表现。斯开普顿关于黏性土的残余强度理论和捷尔-斯捷潘扬关于土体蠕变过程的研究把滑坡机理推向更加深入的研究。D.J.Varnes根据斜坡岩土体的运动类型，将斜坡变形破坏分为崩塌、倾倒、滑坡、侧向扩展、流动及它们的复合类型。C.Harris利用离心模型试验深入研究了冰土层融化过程中斜坡运动的机制。试验结果揭示了冰冻-融化过程中斜坡土体位移变化规律与融化层的深度、斜坡坡度、融化时间和冰冻-融化的循环次数有关，很好地解释了冻土层中浅层滑坡问题和寒冷地区由冷转暖期间的斜坡运动机理。G.Klubertanz运用多相介质理论模型研究了浅层滑坡的起动机理，通过模拟不同的地下水入渗量和入渗速率，研究了土层中的孔隙水压力变化。针对自然界很多大型滑坡与滑体中圈闭的地下水有关这一现象，R.Baum等研究了剪切滑动带低渗透性软土层中地下水圈闭效应的滑坡机理。通过研究低渗透性滑动带的水力传导性和滑坡稳定性，认为薄层低渗透性（K≤10-5m/s）软弱夹层完全可以形成滑动带中的圈闭水，并能常年保持一定的饱和度，其抗剪强度较低，往往能在＜12°的缓倾斜滑面上发生沿软弱夹层的滑坡现象[12， 13]。
　　我国在滑坡机制研究方面也取得了丰硕的成果。自1979年谷德振提出“岩体工程地质力学以来，在斜坡变形机理研究方面，学者非常注重岩体结构和时间效应及其对边坡演化机理的作用[14]。张倬元等[15]提出斜坡岩体稳定性的工程地质分析原理并提出斜坡变形破坏的六种模式（蠕滑-拉裂、滑移-压致拉裂、滑移-拉裂、滑移-弯曲、弯曲-拉裂、塑流-拉裂）。刘汉超和张倬元[16]对我国驰名的龙羊峡水库斜坡和滑坡进行了研究，并首次提出了滑坡床面的累进性破坏与贯通的机理。罗国煜等[17]提出斜坡“优势面概念。孙玉科和姚宝魁[18]将我国岩质斜坡变形破坏机理分为水平剪切变形机制、顺层剪切变形机制、顺层逆剪变形机制和反倾逆剪变形机制4种类型。杜永廉提出弯曲倾倒变形机制。孙广忠和姚宝魁[19]在谷德振的基础上，提出岩体结构控制论。晏同珍等[20]分析了滑坡的平面受力状态，依据滑坡主要作用因素提出流变倾覆、应力释放平移、震动崩落及震动液化平推、潜蚀陷落、地化悬浮-下陷、高势能飞越、孔隙水压力浮动、切蚀-加载、巨型高速远程9种滑动机理。王恭先等[21]分析了滑坡的受力状态和力学过程，从地质和力学的结合上提出了几种常见滑坡的机理。卢肇钧[22]研究了黏性滑带土的抗剪强度变化规律。刘广润等[23]根据斜坡变形动力成因，提出了天然动力与人为动力条件下的斜坡变形破坏机理。王兰生等[24]提出并应用浅表生时效改造理论，分析了近地表岩体的动态演化过程，并从河谷发育的动力学过程出发，提出了高边坡变形和破坏的三阶段概念模式。黄润秋[1， 25]总结了20世纪以来国内大型滑坡发生的地质-力学模式，包括滑移-拉裂-剪断“三段式模式、“挡墙溃决模式、近水平岩层的“平推式模式、反倾岩层大规模倾倒变形模式、顺倾岩层的蠕滑-剪断模式等。冯振等[26]提出了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模式。辛鹏等[27]通过三轴应力-应变试验、残余强度试验及滑带土蠕变试验，分析了大型滑坡黏土岩滑动带的形成机制。林锋等[28]提出了软硬互层型岩质滑坡的滑移-弯曲-剪断模式。唐然等[29]认为北川县白什乡老街后山滑坡机制为弯曲-拉裂（倾倒）模式。任光明等[30]探讨了中陡倾角顺层岩质斜坡发生倾倒变形的特征、发育条件及形成机制，提出了滑移-弯曲（溃曲）模式、滑移-拉裂模式和滑移-倾倒模式。李华章等[31]认为三峡库区巨型老滑坡宝塔坪滑坡形成演化具有“多期活动，逐级牵引特征，并提出了各期复活的地质力学模式均为“临空面形成-卸荷裂隙带发育-泥化的层间错动带塑流沉陷-蠕滑拉裂-滑面贯通。代贞伟等[32]认为三峡库区巨型顺层岩质滑坡藕塘滑坡具有多级多期次滑动特征，空间形态具有视向倾斜滑动特征，受控于稳定山体的阻挡。各级滑坡的形成机制不同：一级滑坡为“拉裂-滑移（弯曲）-剪断模式；二级滑坡为“平面滑移模式；三级滑坡为“滑移-剪断模式。顾金等[33]提出了大型高位地震滑坡的拉裂-滑移机制。黄润秋等[34]认为大光包滑坡高速滑动是滑带的碎裂扩容机制以及水击作用机制导致的。李江等[35]通过室内软化试验分析，提出了平缓岩质滑坡失稳模式：蠕滑-拉裂型是滑带土软化后强度降低引起的，平推-滑移型则主要是在后缘静水压力、底滑面扬压力和滑带土软化综合作用下失稳形成的。张泽林等[36]通过离心模型试验研究了西北地区黄土-泥岩二元结构边坡的地震动响应机制。陈语等[37]提出了拉月滑坡的倾倒-拉裂-剪断模式。邓茂林等[38]通过离心模型试验提出了视向滑移型滑坡武隆鸡尾山滑坡“蠕滑-拉裂-压缩（压碎）-剪切滑出