首页注释：本案例探讨了地质滑坡变形破坏机理的问题。本案例涉及到的内容主要有本构模型、地质建模、地层与构造等相关知识点。作者：程龙飞，岩土工程专业，工学博士，教授，硕士生导师，主要从事地质灾害监测预警实用技术、安全评价与风险管理和智慧工程等方面的研究；工作单位：学院。在此特别指出，本案例充分参阅了前人发表的文章，为了避免版权纠纷，仅供教学使用。    

摘要：滑坡是一种常见的地质灾害现象，可能造成重大的生命财产损失。滑坡的预警与防治一直是政府和众多学者关注的问题，而了解滑坡的变形破坏机理对于滑坡的监测具有重要的理论指导意义。本文以巫山大宁河红岩子滑坡为例，通过数学建模与室内力学试验相结合的手段，对该滑坡的变形破坏机理进行了分析研究。综合研究表明降雨与江水的联合侵蚀是造成该滑坡抗剪强度降低失稳破坏的原因。本案例是针对地质滑坡破坏机理，结合理论分析使学生对地质灾害防治中的相关理论知识有深入的了解，可为学生今后解决同类型工程灾害问题提供理论支撑和实践经验。  

关键词：地质滑坡；变形破坏；机理  

引言：三峡水库从2003年开始蓄水，经历多个蓄水阶段后，于2010年首次蓄水175 m，2013年以后水库开始正常运营，库水位一年一度在145 m至175 m之间涨落。水库的蓄水和水位周期性升降变化，高达30m的水位变幅，必然造成岸坡岩土体处于饱水—风干的循环劣化环境中，再加上蓄水、泄洪而频繁发生的水位升降甚至联合强降雨作用所构成的复杂动水条件，必将成为新一轮岸坡再造的重要营力。就研究区巫山段库岸而言，受到库区蓄降水的影响，水文、地质环境发生重大改变，该库岸段灾害频发，已经严重威胁到库区通航安全及库区人民生命财产安全。因此，对该段岸坡进行变形破坏机理研究，具有重要的理论和现实意义。本案例可以加深岩土工程相关专业研究生、本科生对本构模型、地质建模等理论知识以及在工程实践的应用有深入的了解，从而为将来的学习和工作奠定扎实的基础。  

背景介绍：三峡库区引发滑坡灾害的新风险仍不容忽视。首先，随着全球气候极端异常，三峡库区的暴雨强度和频度还会不断增高；第二，三峡库区城镇化快速发展，工程活动明显加剧，人口无序激增，都会影响到地质环境容量和已有的地质稳定性；第三，支流库岸地质勘查程度相对偏低，存在难以准确圈定和预测的新生型突发地质灾害隐患；第四，峡谷区的陡坡地带滑坡崩塌造成的涌浪灾害不容忽视。这些因素使得库区地质灾害防治的复杂性仍然长期存在。综上所述，研究库区水位变动联合作用下地质灾害成灾机制，将是水库蓄水后库区地质灾害防治的关键科学问题之一。    

内容：    

一、地理位置    

红岩子滑坡位于巫山县江东龙江2社大宁河库岸，地势南高、北低。坡向约308°，原始地形坡角40～60°。  

二、滑坡破坏过程及特征    

滑坡平面呈扇形，滑坡纵长约180 m，横宽约170 m，平面分布面积3×10⁴ m²，滑体平均厚度约20 m，体积约60×10⁴ m³，主滑方向308°。滑体物质为粉质粘土夹碎石，滑床为泥灰岩。后缘高程约276 m，前缘约130 m，滑动面倾角大，属中型土质滑坡。滑坡分布在菜籽上坝至菜籽下坝库岸DE段，地层主要为第四系崩坡积碎石土及含碎块石粉质粘土，下伏嘉陵江组灰岩。碎石土厚度15.00 - 18.90 m，该段库岸地形坡度一般在40 - 60°，为滑移型库岸^[1]。  

该滑坡经历“初现变形－整体滑动－持续变形”过程。2015年6月21日，后缘发生拉裂，前部出现小型滑塌。2015年6月23日高程175 m以下发生滑塌，滑塌方量约1.5×10⁴ m³（图1）。2015年6月24日中后部变形加剧，裂缝呈弧形状，裂缝延伸长25 - 80 m，裂缝宽3 - 10 cm（图2）。24日下午16:00左右，裂缝变形急剧扩张，逐步连接贯通，局部出现坍塌。  

随着中后部裂缝变形急剧扩张-贯通，中前部发生松脱式滑塌，滑坡于2015年6月25日18:25左右沿中后部裂缝发生整体滑移，中后部裂缝随滑体的整体滑移而消失。根据现场情况，将红岩子滑坡分为滑塌区、变形A区、变形B区3部分（图3）。  

   

图1红岩子滑坡前缘局部坍塌  

   

图2红岩子滑坡左后部及中后部拉裂缝  

滑塌区：仍在持续变形，持续有土石滚落，已滑塌区横宽约120 m，纵长约 180 m，平均厚约15 m，方量约32×10⁴ m³。  

变形A区：后缘发育一条拉裂缝，裂缝延伸长约31 m，宽7-12 cm，可见深度约30 cm，裂缝长度、宽度均呈进一步扩张趋势，可能发生滑移。该区横宽约 35 m，纵长约180 m，平均厚约12m，体积约7×10⁴ m³。  

变形B区：变形相对较弱，主要为滑塌右后缘影响区，因滑坡后壁临空，可能进一步发展至该区域，体积约7×10⁴ m³。  

据监测数据显示，自2015年6月24日17时至25日9时，垂直位移量达395.1 mm，水平位移量达288.6 mm。变形后续仍在持续发展，并伴有间歇性小规模滑塌现象。2015年7月6日，红岩子滑坡后缘发生局部滑塌，滑塌方量近 2000 m³。  

   

图3红岩子滑坡整体滑动  

三、地层岩性  

岸坡分布的地层主要为第四系全新统人工填土（Q₄^ml）、残坡积土层（Q₄^el+dl）、崩坡积堆积层（Q₄^col+dl）、第三系更新统冲洪积土层（Q₃^apl），基岩为三叠系下统嘉陵江组（T₁j）灰岩。各岩土层特征如下：  

（一）第四系全新统（Q₄）    

人工填土（Q₄^ml）：杂色，主要由砼、粉质粘土、砖瓦碎块、炉灰等组成，局部以生活垃圾为主，松散。主要分布于岸坡后缘居民聚居区一带，堆填时间一般2～10年，厚度1～3 m。  

残坡积粉质粘土（Q₄^el+dl）：紫红色，硬～可塑状，粘性较好，夹灰岩、白云质灰岩碎块石，碎块石含量约10%～30%，主要分布于斜坡坡面及坡脚的沟谷底部，江东嘴一带厚度较大，该段土层厚度约5～10 m。  

崩坡积堆积层（Q₄^col+dl）：主要为含碎块石粉质粘土及碎块石土，表层较松散，下部较密实。碎石成分为灰岩、泥灰岩，碎块石含量30%～80%，粒径3～20 cm，最大粒径超过1 m，细粒物质为黄色粉质粘土。  

冲洪积层（Q₃^apl）：一般5～10 m，主要分布于冲沟内及岸坡前缘阶地、大宁河河漫滩等部位。冲沟及沟口主要为漂石、卵砾石。漫滩、阶地则以淤泥质粉质粘土、砂壤土为主，见少量粉细砂。  

（二）三叠系下统嘉陵江组（T₁j）    

岩性为浅灰色微晶-细晶灰岩为主，中厚层、块状结构。底部见有浅灰色薄层白云质灰岩，上部为灰色白云质灰岩及灰岩、角砾状灰岩。该层为调查区内出露的主要地层。  

四、地质构造  

红岩子滑坡位于巫山向斜南翼次级构造长梁子倒转背斜北西翼，地层产状323°∠35°。场地岩体内主要发育两组构造裂隙，分别为：①产状 255°∠30°，裂隙间距 1.5～3.0 m，局部张开度3～4 mm，延伸长约2～5 m，少量裂面附少量的铁锰质浸染物；②产状 122°∠35°，裂隙间距 1.0～2.5 m，张开度1～3 mm，延伸长约2～6 m，裂隙结合程度一般。椐区域地质资料及现场调查，场地内及附近无断层通过。  

五、水文地质  

地表水主要为降雨及库水位，地下水按赋存条件和水理性质分为松散岩类孔隙水和岩溶水。  

松散岩类孔隙水：赋存于崩坡积层、残坡积层、冲积层和人工填土层中。松散岩类孔隙水具有浅循环、短径流、快交替的动态特点，其水量随大气降雨及库水位涨落而有较大变幅，地下水位与库水位相差不大，埋深较浅的主要分布于库岸边，地下水位与库水位基本一致，与库水相通，水位坡降一般3.5%-5%。  

岩溶水：主要分布于灰岩溶隙、溶孔中。地下水常呈带状分布于斜坡中上部，且范围狭小。地下水主要通过降雨入渗、残坡积层间接补给，沿溶蚀裂隙径流，沿灰岩内贯通的岩溶管道以泉的形式排泄，具交替快、水位变化大的特点。  

六、变形破坏机理  

（一）形成因素    

滑坡形成的主要影响因素有：降雨、地形地貌、地层岩性、库水位等。  

雨量充沛，多连续降雨，滑体为崩坡积层的碎块石土，透水性较好，滑床为灰岩，为相对隔水层，遇水后抗剪强度降低，促使滑坡变形。  

滑坡前缘长期受江水冲刷，前缘阻滑段消失。地形坡度前缘较陡，中后缘土层较厚，剪出口一带为临空，为滑坡形成创造了有利的空间条件。  

组成滑坡体的成分为粉质粘土夹碎块石，当土体饱水浸润或其外动力因素触发，易顺坡向临空方向产生变形破坏。  

三峡库区水位浸泡、侵蚀作用是导致滑坡滑移失稳的重要因素。主要表现为弱化岩土体抗剪强度。碎块石土浸泡前抗剪强度参数c、φ值分别为38kPa、33°，浸泡后抗剪强度参数c、φ值下降为30 kPa、28°。  

（二）失稳破坏类型    

1.结构模型  

王成华等通过试验研究土体的应力—应变关系，得出同种土体在不同受力状态呈现出应变硬化与应变软化本构关系^[2]。三峡库区最高水位与最低水位之间30 m的岩土体受到库水的周期性浸泡，水与岩土体的相互作用会劣化岩土体的物理力学性能。因此，可将库区岸坡潜在滑动面分为两部分：即水位线175 m以上的弹性介质和175 m以下被库水浸泡的应变软化介质。弹性介质由于介质强度高或所受剪应力小其变形随剪应力的增大而增大，而处于被水淹没的坡脚段的应变软化介质，由于介质破碎，长期被水淹没而软化或者所受剪应力大，其变形随剪应力增大而减小。岸坡结构模型图见图4。两种介质的本构模型如图5所示。  

岸坡滑动面弹性段的本构方程为：  

；                          (1)  

式中     为弹性阶段的剪应力(kPa)；G₁为弹性段介质的剪切模量；     为剪应力峰值点对应的位移（m）；     为弹性段介质的残余抗剪强度；h为滑动面的厚度（m）。  

应变软化区段介质的本构关系为：  

                                   (2)  

式中     为弹性阶段的剪应力(kPa)；G₂为弱化段介质的剪切模量；u₂为应力峰值点对应的位移（m）。  

   

图4红岩子滑坡地质模型与力学模型  

   

图5两种介质的剪应力与变形关系  

2.岸坡破坏突变模型  

（1）势能计算  

当库岸边坡滑动面弹性段发生蠕滑位移u但位移小于抗剪峰值时     ，弹性介质产生弹性形变能为  

                                   (3)  

式中，     为滑动面为滑动面弹性段长度（m）。  

滑动面应变软化段发生蠕滑位移u 时，产生的弹性形变能为  

                        (4)  

式中，     为滑动面应变软化段长度（m）。  

岸坡的重力势能为  

                                         (5)  

式中，m为滑坡滑坡体总质量(kg)；     为滑动面倾角(°)。  

渗透压力是岸坡破坏的重要影响因素，根据达西定律及土力学分析，可得出渗流力及岸坡势能变化为  

                                             (6)  

                                           (7)  

式中，      为坡体内地下水以下的渗透力(KN)；     为水体的质量(KN)；i为水力坡降；     为渗透力产生的势能(KN·m)。  

（2）岸坡破坏突变模型  

取单位宽度岸坡为研究对象，岸坡势能函数为  

           (8)  

对上式求偏导得  

=     +      (9)  

求解该方程，令     ，该方程为平衡曲面（突变流形），根据其光滑流形的性质，有     ，解得     ，将式9在     处按Taylor级数展开。  

突变理论要解决的一个重要问题是在适当的位置截断一个函数，使其Taylor展开式为安全展开，即在展开点小邻域内反应该函数拓扑结构。因此，运用确定  

性法则，取至3次项即可。  

 (10)  

式中，     为滑动面应变软化段本构曲线拐点所对应的位移(m)。  

自变量归一化可得  

 (11)  

将式11做变量替换可得尖点突变的理论标准形式的平衡曲面为  

                                     (12)  

式中，     ，     ，     ，     ，     。  

参数     是系统的状态变量，a、b为控制变量， k为弹性性质区段介质的刚度与应变弱化区段介质本构曲线拐点处刚度之比，     为几何-力学参数。  

分叉集为  

                                    (13)  

将a、b代入标准形式5.12中可得  

                           (14)  

   

图6滑坡尖点突变模型  

由式12可得突变流形M图，结合突变理论，库岸边坡演化过程中，随着岸坡滑动面错动产生位移u，会出现如下两种情况：  

当     ，势函数呈光滑变化，岸坡稳定性态沿图6中的路径2−2′演化。由于状态变量     连续变化，岸坡的势能也呈连续变化趋势，不发生突变破坏，属于启程缓动型破坏方式。  

当     时，函数非连续变化，岸坡稳定性态沿图6中的路径1−1′演化。由于状态变量     要穿越分岔集B₁，只要控制变量有微小变化，岸坡的稳定性态便易于发生突发性衰减，从折翼的下叶跃迁到上叶，属于启程剧动型破坏方式。  

根据滑坡破坏后地质剖面，构建其力学模型，滑动面可分为175 m水位线以上部分和145 m 到175 m水位变动带间部分，分别为弹性介质和应变软化介质。  

根据地勘资料及相关实验，岸坡弹性介质：c =38 kPa，φ=33°，泊松比     0.18，弹性模量     28.5 Mpa，     140.1 m；应变软化介质：c =30 kPa，φ=28°，泊松比     0.21，弹性模量      23.8 Mpa，     89 m。浸润线长度ΔL=70 m，高度Δh=18.25 m，水力梯度i=0.26，土体质量m=8.5×10⁴ kg，m_w=0.8×10⁴ kg，根据前述公式可得：  

   

   

   

从上一节Δ的物理意义可得，Δ>0时，红岩子滑坡属于启程缓动型滑坡。当外界给予扰动时，如库水位升降变化、降雨的润滑及加重滑体重量时，滑坡会发生局部破坏。其计算结果与红岩子滑坡实际破坏过程较为相符，从红岩子滑坡的破坏过程可以看出，滑坡前缘首先局部失稳滑塌，进而拉动后缘裂隙扩张，随着裂隙逐渐贯通，再加上前缘进一步临空，滑坡最终整体失稳滑塌，整个滑坡滑动过程经历时间较长。  

     

大宁河红岩子滑坡变形破坏机理分析案例    

教学指导手册    

教学目的与用途：    

1.本案例适用于全日制土木水利工程类硕士专业研究生的专业基础课《高等土力学》。地质滑坡是三峡库区一种常见的地质灾害现象，对库区人们生命财产安全造成了较大的威胁。滑坡的预警与防治是减少滑坡灾害带来损失的有效手段，而阐明地质滑坡的变形破坏机理对于地质灾害的预防和治理具有重要的理论指导意义。  

2.通过此教学案例，使研究生掌握地质滑坡的成因机理，进一步掌握本构方程、工程地质学、地质建模等相关理论知识。在研究滑坡的成因机理时，如何从纷繁复杂的外界因素中，筛选出影响滑坡的关键因素，需要建立合适的地质模型，运用数学的手段来进行判别。此外，此教学案例也可用于土木工程相关本科专业的教学。  

3.通过案例讲解使学生对滑坡的成因机理进行深入的分析与探讨，在此基础上通过组织学生进行其它类似案例的实践，为学生今后进行科研、工程建造提供理论支撑和实践经验。  

教学内容：    

1.涉及知识点  

（1）本构方程；  

（2）地质建模；  

（3）地层；  

（4）构造；  

（5）强度。  

2.理论依据及分析思路  

（1）理论依据：  

通过运用前人所提出的本构模型和岸坡破坏突变模型，结合相关室内试验数据，对大宁河红岩子滑坡的类型进行了判别。同时，结合降雨、地形地貌、地层岩性、库水位等因素对该滑坡的成因机理进行了解释。运用该模型对滑坡的解释与实际情况较接近一致，可以为同类型的滑坡预警提供借鉴。  

（2）分析思路  

本案例先是描述了红岩子滑坡的基本特征，并对该滑坡选取了代表性的样品进行力学测试，得到了一系列相关数据。同时，借助相关学者提出的地质模型，将室内数据带入计算，得到滑坡类型判别依据。最后，对该滑坡的成因进行了较为合理的解释，与实际情况较为接近。  

建议课堂计划：    

时间安排：根据教学需要，整个案例课的课堂时间控制在6学时，以便比较充分地了解案例所涉及的知识点，以下是根据课程时间进度安排的课堂学习计划。  

课前计划：发放案例材料，提出课后思考题，请学生在课前完成阅读和初步思考。  

课中计划：课堂前言，明确该案例主题（20分钟）；案例讲述，案例总体介绍，引导学生分析和认真学习该案例的理论知识点，并提出思考题（120分钟）；分组讨论（20分钟）；小组发言（20分钟一个小组，4组）；案例总结：包括案例中的关键知识点，以及如何运用理论知识去分析和解决实际问题（30分钟）。  

课后计划：通过案例分析和总结，使学生掌握本构模型、地质建模、地层与构造等知识点以及在实际问题中的分析应用，然后布置相关作业，以论文或者报告形式写出案例分析，并对难点和易错点可以进一步研究。    

参考文献    

1.罗晓龙．三峡库区巫山段岸坡变形破坏机理[D].重庆:重庆交通大学,2018.  

2.王成华,李广信.土体应力-应变关系转型问题分析[J].岩土力学,2004,25(8):1185-1190.