鸡尾山特大型岩质滑坡的物理模型试验

第４４卷第７期中南大学学报（自然科学版）

、，０１．４４Ｎｏ．７

２０１３年７月

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉＶｅｒｓｉ够（Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ７Ｉ’ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）

Ｊｕｌｖ２０１３

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：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８０甙１９＝９．８Ｉｎ／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“后部块体驱动一前缘关键块体失稳”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

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收稿日期：２０１２＿０６—０４；修回日期：２０１２＿０９一１７

基金项目：“十二五”国家科技支撑项目（２０１２ＢＡＫｌＯＢ０１）；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（１９８５一），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＠ｙａｌｌｏｏ

ｃｎ

２８２８中南大学学报（自然科学版）

第４４卷

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５００×１０４ｍ３，最终形成的堆积体体积达７００×１０４ｍ３，碎屑散布堆积区

长２

１５０

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、“后部块体驱动一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。

ｍｆ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［１Ｊ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一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ｍ１５０ｗ）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ｐ１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一高速远程碎屑流破坏模式，建立了“后部块体驱动一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

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２００～３００ｍ的陡

崖，陡崖Ｆ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１８５０么７５。，另一组产状为７７。么８００，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ｌ

Ｆｉｇ．１

鸡尾山滑坡遥感影像图

ＲｅｍｏｔｅｉｍａｇｅｏｆＪｉｗｅｉｓｈａｎ

Ｌａｎｄｓｌｉｄｅ

第７期

冯振，等：鸡尾山特大型岩质滑坡的物理模型试验２８２９

图２

Ｆｉｇ．２

鸡尾山滑坡地层结构（滑后）

Ｊｉｗｅｉｓｈａｎ（ａ髓ｒｓｎｄｅ）

Ｆｉｇ．３

１０，ｏ

Ｓｔｒａ“ｇｒａｐｈｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ

图３离心模型结构和尺寸（单位：ｃｍ）

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌ

鸡尾山滑坡后，通过地质调查、卫星遥感、无人机航拍以及ｉ维激光扣描仪现场扫描等多种手段的综合测试和分析表明：鸡尾【ｊＪ滑体平面形态近似梯形，以侧向边界的走向为依据，ｕＪ．分为前部的垂直“三棱柱”和后部的“ｐＵ棱柱”组成（见图１１。对鸡尾山的成因调查认为，前部“ｊ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．前缘笑键块体瞬时失稳”机制，建立和制作了典型斜倾厚层岩质滑坡视向滑动的十Ｊ：离心模型。模型试验选择的原型长×宽×高为８００

ｍ×３２０ｍ×５６０ｍ。

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［１－２’４１。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１７Ｊ，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问岩溶发育强烈，沿冲沟地形的岩溶强烈发育带结构疏松，有人量的竖向岩溶管道，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（１ａｔｅｘ）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。

由于模型箱的尺寸限制，选择模型长×宽×高为

１．０ｍ×０．４１ｍ×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：卣结构面、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ｌ

’１１ａｂｌｅ１

离心模型试验相关参数相似比

Ｓｃａｌｅｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｃｅｎｔｒｉ６Ｊｇｅｍｏｄｅｌｉｎｇ

２８３０中南大学学报（自然科学版）

第４４卷

注：＋结构面等效剪切强度。

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。

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。Ｌｓｌ激光位移传感器监测关键块体①的水平运动，Ｌｓ２

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）。

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６０９（１９＝９．８州ｓ２）之

前，按每一级５２的速度提高离心加速度，每一级离心加速度维持约６ｍｉｎ。６眙以后，每级增加的加速度为ｌ眙，每一级加速度维持约６ｍｉｎ。当离心机加速度达到８帔并稳定时，模型滑体发生滑动破坏。模型滑坡过程小于１ｓ，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

图ｆ｜Ｉ标注ｔ］ｆ『Ｌ位为ｎｕｎ图４试验监测平面示意图

Ｆｉｇ．４

Ｐｌａｎｖｉｅｗｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

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。

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（Ｌｓｌ和Ｌｓ２），对①

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８呛以前，关键块体①和滑块③的水平位移近乎为０ｃｍ，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

第７辫冯振，等：鸡尾山特大型岩质滑坡的物理模型试验２８３１

图５离心模型试验滑坡过程

Ｆｉｇ．５

Ｌａｎｄｓｌｉｄｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌｉｎｇ

（ａ）滑块碰撞破碎堆积：（ｂ）块体位置还原观察

图６模型边坡破坏后块体碰撞破坏

Ｆｉｇ．６

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