江苏典型滑坡地质灾害致灾机理及防控技术

第1章绪论

 1.1研究背景

 江苏省经济发达，人口密集，地质环境条件脆弱，人类工程活动频繁、强烈，地质灾害总体呈现易发、多发态势。“十三五”期间，江苏省共发生崩塌、滑坡地质灾害46起，截至2020年底，滑坡崩塌地质灾害隐患点为905处，威胁人数近万人。这些滑坡主要分布在南京、镇江、连云港、苏州、无锡、常州等经济发达、人口密集区域，其突发性强、危害性大，一直以来都是江苏省突发性地质灾害防治的重中之重。江苏省滑坡地质灾害分布发育具有一定的地区性，如宁镇地区下蜀土滑坡，连云港地区含绿泥石片岩（简称绿片岩）层滑坡、岩土交界面滑坡，苏南低山丘陵区的软弱夹层（粉砂质泥岩、泥岩为主）滑坡等，而同一地区地质环境条件相似，滑坡的分布发育规律、成因机理、启滑诱发机制也具有相似的特征。

 （1）宁镇地区下蜀土滑坡。下蜀土滑坡是宁镇地区*为典型的滑坡灾害，主要分布在宁镇地区的低山丘陵区。下蜀土垂直裂隙发育，具有膨胀性，遇水易软化，受降雨影响非常大，每年的夏季6月、7月、8月三个月的滑坡发生率占85%以上，此种类型滑坡具有破坏变形时间短、突发性强及时空变异性等特点，具有很大的破坏性和危害性。由于其特殊的工程地质特性，无雨状态下下蜀土边坡可以像岩质边坡一样在坡度陡立甚至反倾的情况下保持较长时间的稳定，而在降雨尤其是连续降雨的情况下（图1-1），即使坡度在25°左右的下蜀土边坡也会产生较大规模的滑动变形，对下蜀土边坡的稳定性难以参照现行规范给定的稳定坡比进行判断，这给实际调查评价工作中下蜀土边坡的稳定性评价带来了很大困难，只有深入开展下蜀土滑坡的成因机理以及工程地质特性研究，尤其是水敏性特征研究，才能更好地进行下蜀土滑坡稳定性判断，提高下蜀土滑坡地质灾害调查评价和防治水平。

 （2）连云港地区绿片岩层滑坡、岩土交界面滑坡。连云港地区滑坡以云台山地区*为典型，岩质滑坡以绿片岩层滑坡为主，多分布在采石宕口，滑坡规模总体以中小型为主，个别滑坡规模可以达到大型以上，绿片岩为基性岩脉变质形成，一般呈条带状、透镜状夹于其他变粒岩中，其矿物成分中，绿泥石含量达80%～90%，次为绿帘石、阳起石、角闪石、石英、蛭石及少量磁铁矿，具鱗片状结构，片状构造。绿片岩物理、水理及力学性质均较差，饱和单轴抗压强度小于20MPa，遇水易软化，软化系数一般为0.4～0.6，为易软化岩石。在遭受长期风化剥蚀后，干燥状态下云母等片状矿物，很容易剥离成碎片状，遇水后绿泥石等矿物吸水，强烈软化或呈软塑状态（图1-2），而云母等片状矿物增加了层面的光滑度，降低了岩体抗滑力，因此软弱片岩夹层是导致本区岩质滑坡的重要内在因素。岩土交界面滑坡主要为残坡积和冲洪积碎石土滑坡，本区东南坡坡麓地带多分布一定厚度的第四系残坡积层，总体表现为上土下岩二元结构，残坡积层岩性多为碎石土、黏土夹碎石，结构松散，孔隙率高，抗剪强度较低，在雨季降水发生后，雨水及坡面流水易沿沉积物中的孔隙入渗，入渗后地下水沿基岩面流动，增加了基岩面的滑动性，因此，基岩面是研究区土质滑坡非常重要的结构薄弱面。根据调查和资料分析，研究区内土质滑坡滑动面均为土岩分界的基岩面，并大多在土体内部形成次一级的滑动面，表现为多滑动面特征，使滑坡呈现阶梯状特征。

 图1-2连云港地区绿片岩夹层

 （3）苏南低山丘陵区的软弱夹层滑坡。在苏南地区（特别是苏锡一带）志留系及泥盆系的地层中，广泛分布着软硬相间的地层，岩性为石英砂岩夹泥、页岩或泥质粉砂岩（图1-3），通过对该地区软弱夹层的分布范围、颜色及结构等特征进行现场调查，查明该地区软弱夹层具有以下特点：根据其含有不同的矿物成分而呈现灰白色一白色、紫红色一红色、褐色等多种不同的颜色；“白泥”状的泥化夹层强度非常低且分布广泛；“紫泥”层分布较厚，广泛分布在泥盆系的地层中；紫红色一红色的软弱夹层在志留系和泥盆系地层中均有出现，层厚不均，多呈互层状，分布*为广泛。软弱夹层的物理、化学及力学性质对该地区岩体的工程性质及稳定性产生重要的影响。

 图1-3苏南地区粉砂质泥岩夹层照片

 江苏省滑坡地质灾害隐患点占全省隐患点的比重较大，其危害严重。目前，虽然针对部分地区典型滑坡灾害开展过部分研究工作，但尚未对全省典型地区滑坡地质灾害特征进行全面对比总结，而且整体研究深入程度也不够。对控制滑坡的关键岩层的微观结构、力学特征、地球化学特征、成灾机理及地域性规律、关键参数的经验取值等方面还缺乏较全面、细致的数据和研究支撑，因此，须通过多种手段加强典型地区滑坡地质灾害成因及启滑诱发机制的系统研究，全面提升地质灾害防治水平，切实保障受滑坡地质灾害影响的人民群众生命财产安全。

 1.2国内外研究现状

 1.2.1边坡泥化夹层物理力学特性研究现状

 泥化夹层的形成是一个十分复杂的过程，针对泥化夹层的成因，目前己有许多研究成果。金德濂[1]分析了各类泥化夹层的成因，对泥化夹层进行了系统的分类，并根据大量试验给出了泥化夹层设计计算指标。王幼麟[2]分析了葛洲坝代表性泥化夹层的矿物成分，认为泥化夹层的形成需要以黏土矿物等高分散性物质作为物质基础，还需经过长期构造作用和物理化学作用综合作用。谭罗荣[3]在研究葛洲坝泥化夹层的分布规律时发现，泥化夹层一般出现在黏土含量较高的部位，也能出现在岩性变化较大的界面处。肖树芳等[4]曾根据泥化夹层的泥化机制，将其分成泥化型和蚀变-泥化型。泥化型泥化夹层是指原岩为含黏土矿物等高分散物质的原有软弱岩层的泥化夹层，这类泥化夹层在泥化过程中黏土矿物的类型和组成没有明显变化;蚀变-泥化型泥化夹层是指原岩并不含黏土矿物等高分散物质的泥化夹层，在泥化过程中，原岩中的原生矿物在地下水作用下发生蚀变转化为黏土矿物。易靖松等通过研究西南红层地区泥岩-泥化夹层的矿物成分、化学元素以及微结构的变化规律，将泥化夹层形成过程中的水岩作用分成离子交换吸附阶段、易溶性矿物溶解阶段和软化崩解阶段，并分别描述了三阶段泥化夹层微观特征的变化。综合众多学者的研究结果来看，在泥化夹层形成过程中，上硬下软的岩层是泥化夹层形成的物质基础；构造作用破坏了原岩的结构，打通了地下水接触泥化夹层的通道，是其形成的必要条件；地下水的长期作用改变了软岩的性质，是泥化夹层形成的主导因素[6-8]。

 泥化夹层的形成条件决定了它的分布特点，虽然其形成条件具有复杂性，但由大量的调查资料表明，泥化夹层的分布仍表现一定的规律性。在软硬互层的岩层中，软硬岩层间弹性参数相差越大，接触面上的应力越高，软岩越容易破坏。另外，软层厚度增大，应力将逐渐衰减；软层厚度较小时，应力集中大，更易形成泥化夹层。马国彦和高广礼[9]在研究黄河小浪底顼区泥化夹层的分布规律时，将较厚的砂岩和较薄的软岩组成的互层称为易泥化互层，而且其中抗剪强度越低的软岩夹层泥化作用越强。他们还发现泥化夹层多分布在大断层附近或厚度较薄的软岩夹层上部，而且全泥型泥化夹层仅分布在厚度小于10cm的软岩夹层上部。因为，砂岩刚度大，易于传递应力；软岩刚度低，不易传递应力，两者交界部分应力更高，易发生泥化。软岩夹层厚度越小，应力集中越大，泥化程度越高。这也证明了地质构造活动诱导产生的剪切应力，是泥化夹层形成的必不可少的条件之一。

 泥化夹层的成分复杂多样，地区不同，原岩成分不同，形成的泥化夹层成分也有很大差别。从总体来看，黏土矿物通常在泥化夹层矿物成分中占到较大比例。侯建华通过化学、X射线、电子探针分析兰营采场边坡钻孔岩心得出，该边坡泥化夹层主要成分为高岭石、埃洛石、滑石、绿泥石、蒙脱石，少量黄铁矿。但仍有部分泥化夹层不含黏土矿物或黏土矿物含量很低，熊亚萍等[11]取了三段三峡库区巴东组泥化夹层，并采用X射线粉晶衍射分析其矿物成分，发现三段中黏土矿物均不占优势，其具体成分如表1-1所示。曹运江等[12]在研究某工程泥化夹层时，对煤系地层作地质鉴定，发现仅含有少量的次生黏土矿物。但即使黏土矿物在泥化夹层中不占优势时，也能表现出明显的控制作用，特别是亲水的黏土矿物更应该引起重视。

 目前国内外学者提出的泥化夹层的分类方案有很多种。林天健等提出的LCL分类法是个较好的分类方案，不足的是，他将含水量作为分类的主要依据，而含水量是随着天然湿度变化而变化的状态指标，并不能反映泥化夹层本质特征。肖树芳将泥化夹层按粒度成分分为全泥型、泥夹碎屑型、碎屑夹泥型和泥夹粉砂、粉砂夹泥型，其具体分类如表1-2所示。李青云和王幼麟[13]曾采用模糊数学对泥化夹层进行工程分类，该分类综合考虑了天然含水量、粒度特征、比表面积、抗剪强度、地质赋存状态五种因素，较好地考虑了泥化夹层本身性质和赋存条件对工程的综合影响，在一定程度上克服了泥化夹层分类中存在的片面性和非定量性。

 在研究泥化夹层结构时，有学者从宏观角度出发，对泥化夹层进行结构分带。徐国刚[14]在研究碛口水利枢纽泥化夹层时根据其宏观结构将泥化夹层分成节理带、劈理带和泥化错动带，分带研究泥化夹层特征（图1-4）。陶振宇[15]认为这三个部位不仅构造破坏程度不同，所受地下水的影响不同，三者的结构特性、物理化学性质、力学性质均有明显不同。节理带受构造影响较轻，在微观上仍然保持着原岩的结构特征；劈理带的原岩结构已经受到较严重的构造破坏，出现了与构造应力相适应的“新”结构，裂隙和微裂隙极其发育；泥化错动带中原岩结构被彻底改造，颗粒受到剪损，黏粒含量增高，并且与地下水形成了一种动态的平衡，化学成分和性质基本上保持稳定。泥化错动带和劈理带“岩性”基本丧失，具有近似于土的特征。泥化夹层所处的物理化学状态在很大程度上影响了它的物理、力学性质，其不同部位亦是如此。物理化学活性越强，吸附能力就越大，亲水性就越显著，含水量和流塑限便越大。因此，泥化错动带的天然含水量、黏粒含量、流塑限*高，劈理带次之，节理带*低。天然干重度和抗剪强度则刚好相反。

 也有学者根据微观结构特征，来研究泥化夹层结构和强度。王先锋等[16]认为不同类型夹泥具有各向差异的宏观与微观结构形式，表现出各自不同的变形性质和强度特征。他们将泥化夹层微结构分为非均粒团聚基底结构、块状架空填充结构等7种结构，并分别作了阐述。肖树芳[17]认为砂岩、页岩、泥岩中的泥化夹层受构造层间错动，结构一般可分为表面层、定向带和非定向带三带（图1-5），表面层矿物团粒多呈点-面、边-面接触，粒间联结较弱；定向带矿物团粒呈面-面、边-面接触，粒间联结弱；非定向带中矿物团粒呈边-面接触，联结强度较高。将碳酸盐、泥灰岩中的泥化夹层分成表面淋溶层、泥化层、沉积胶化层和片状层。这类分带考虑了泥化夹层的地质赋存状况，更系统且更贴合实际。

 在对泥化夹层的剪切特性进行研究时，徐国刚[18]发现泥化夹层的抗剪强度不仅取决于泥化夹层自身的性质，地层结构、试验方法等因素也会影响其抗剪强度。应釆取能限制泥化夹层膨胀的大型原位抗剪试验来测试抗剪强度，釆用固结慢剪指标来测试有效应力。柳群义和朱自强[19]在研究常吉高速公路上的红砂岩泥化夹层时发现，其内摩擦角随着泥化夹层含水量的增加而减小，黏聚力先增大后减小。李桂平研究了砂岩中泥化夹层的膨胀性和剪切强度，提出了针对泥化夹层的处理措施。刘少华等[21]在研究下溪水利枢纽引水隧洞中泥化夹层时，将泥化夹层看