构造应力场对平推式滑坡形成演化的影响*

唐 然 许 强 范宣梅

(①成都大学建筑与土木工程学院， 成都 610106， 中国)

(②地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059， 中国)

0 引 言

平推式滑坡在四川盆地红层地区广泛分布，多发育在近水平(倾角小于10°)岩层斜坡中，斜坡类型可能为顺层坡、斜交坡甚至反倾坡。传统理论认为这类斜坡应为地质灾害低风险区，却在特大暴雨期间诱发成千上万处滑坡，其中不乏大型、特大型深层滑坡，具有高度的隐蔽性、强烈的突发性和巨大的危害性，其成因机理复杂，提前发现和主动防控难度极大。

王兰生等(1982)、张倬元等(1994)首先提出了平推式滑坡的成因模式，认为滑体是在陡倾裂隙中充水的静水压力和滑面扬压力联合作用下产生的。此后，有大量学者对平推式滑坡形成条件和失稳机理开展研究，取得了一系列重要成果。黄润秋等(2005)提出“平推式滑坡”中存在地下水的顶托、水垫效应以及裂隙水压力对构造裂隙的“楔裂”、“撕开”作用。范宣梅等(2008)通过物理模拟和数值模拟试验验证了平推式滑坡的成因模式和临界启动条件。赵权利等(2012，2014)根据承压水一维稳定渗流理论分析了承压水作用范围，并对平推式滑坡启动判据进行了修正。还有研究人员从变形破坏机制、成因机理、运动特征和预警预报等方面对平推式滑坡开展了研究(Zhao et al.，2015;Xu et al.，2016; 唐然等， 2018; 黄健等， 2019； Lü et al.，2019)，取得了大量有益的成果。

多年的调查研究成果已经证明，平推式滑坡的形成一般要具备2个必要条件，其一为软弱层的存在，多为泥质类岩石。其二为渗透性能较好的张性结构面的存在，张性结构面既为地下水下渗提供通道，又在特大暴雨条件下成为储水裂缝，充水后形成的静水推力将滑体水平推出。平推式滑坡发生后，充水的张性结构面大幅张开拓宽形成的拉陷槽是其最具代表性的特征，其走向通常与张性结构面走向一致，如图1 所示。因此，张性结构面的存在是产生平推式滑坡的前提。

图1 平推式滑坡发育特征示意图

关于近水平岩层斜坡内张性结构面的成因，历年来众多学者多持有的观点是完全由于外动力地质作用影响。王兰生等(1982)提出，平推式滑坡多发育在多面临空的山嘴、山包等卸荷作用比较强烈的部位。板梁状平推式滑坡一般发生在含巨厚层砂岩的斜坡陡崖附近，坡体内陡倾结构面受侧向卸荷作用的影响而具有较大规模(许强等， 2010)。三峡库区发育的大量平推式古滑坡与河谷分期下切和卸荷联系紧密(胡新丽， 1998; 胡新丽等， 2001; 殷坤龙， 2007; 刘雪梅， 2010)。

地质灾害的形成是地球内动力系统和外动力耦合作用或者联合作用的结果(王思敬， 2002; 彭建兵等， 2004; 彭建兵， 2006)，内动力地质作用对地质灾害形成演化的影响同样不能忽视。地质构造对滑坡形成和发展具有区域性控制作用和影响(郭长宝等， 2020)。大量学者研究发现构造应力场对地质灾害形成和活动规律具有一定的控制性作用(吕鸿图等， 1984; 艾南山等， 1985， 1986; 陈洪凯等， 1997; 唐红梅等， 2000; 张帆等， 2007; 李晓等， 2008； 崔圣华等， 2019; 王瑞琪等， 2019; 郭长宝等， 2020)。

四川盆地表层几乎完全被红层覆盖，自印支期以来，盆地边缘的构造带持续向盆地内部产生长期的、有阶段性的挤压作用，红层岩层受到的内动力地质作用的影响长期而久远，岩体内结构面的力学性质必然受到构造应力场的影响，有条件形成渗透性能较好的张性结构面。本文通过分析构造应力场演化对主要结构面性质的控制和改造作用进而探讨其对平推式滑坡形成演化的影响，以期为该类滑坡的早期识别和防灾减灾提供参考。

1 平推式滑坡发育分布特征

经过案例初步搜集统计，四川盆地红层地区共发育平推式滑坡347处，其分布如图2 所示。分析其滑体厚度和体积特征后发现，其中大部分为小型、浅层滑坡，占各自分类的70%以上，中型、中层以上的滑坡数量较少，如表1 所示。

图2 四川盆地地质构造与平推式滑坡发育分布特征

表1 四川盆地平推式滑坡发育特征统计表

表面上看平推式滑坡的发育分布与内动力地质作用毫无联系，进一步分析中型、中层以上的新滑坡后发现，大部分滑坡案例拉陷槽的展布方向(表2) 存在一定的规律。如图2 所示，川西地区平推式滑坡拉陷槽总体走向为NW向，川中地区为近NS～NNW向，川东北地区主要为近NE向。可以发现拉陷槽走向总体与邻近的盆缘构造带展布方向垂直，指示其方向与盆缘构造挤压方向接近一致，这其中可能暗含地质构造作用对岩体内张性结构面的形成先期已经产生了影响。要探明其中的关联，需要从四川盆地的地质构造和应力场演化特征来分析。

表2 平推式滑坡案例列表

2 四川盆地地质构造及应力场特征

2.1 四川盆地地质构造特征

四川盆地位于扬子准地台的西北部，属于扬子准地台上的一个次一级构造单元，是上扬子准地台内通过北东向及北西向交叉的深断裂活动形成的菱形构造-沉积盆地。

四川盆地基底构造如图3a所示，自西向东被F1、F2、F4和F5断裂带切割为3大区，俗称“暗3块”，F2和F4断裂之间的区域(川中)基底为刚性，能干性较高，而F1和F2断裂之间(川西)和F4和F5断裂之间区域(川东)则为塑性，能干性相对较弱(邓宾， 2013)。

四川盆地红层分布在沉积盖层的表层，地层分布与构造形迹特征如图3b所示，主要出露侏罗系与白垩系地层，有少量第三系和三叠系地层出露。众多学者对四川盆地构造变形特征及演化进行了探讨(童崇光， 1992; 郭正吾等， 1996; 乐光禹等， 1996; 沈传波等， 2007; 梅廉夫等， 2010； 张岳桥等， 2011)，普遍认为盆地经历了多期构造应力场演化，大部分构造形迹在喜马拉雅期定型，形成了目前的构造特征。受控于基底构造及其能干性的差异，红层地表构造形迹表现出明显的三分性的特点，与基底构造具有良好的对应性，大致可分为川西、川中和川东3个地区，如图4 所示。

图3 四川盆地基底构造与表层构造

图4 四川盆地构造定型阶段应力场略图与滑坡案例拉陷槽走向展布(据(乐光禹等， 1996)，修改)

表3 四川盆地边缘构造带活动时序表(据(沈传波等， 2007)修改)

2.2 四川盆地构造应力场特征

盆地外部构造环境和盆地内部构造的动力联系控制着四川盆地构造应力场特征。盆缘构造带的运动方向均大致指向盆地内部，盆地内部持续受到盆缘侧压力的联合作用。表3反映了盆缘构造带活动强度时序特点。从中可见，自印支期以来，盆缘构造带在不同时间段内的构造运动强弱差异巨大，对盆地内部施加的构造挤压作用此消彼长。

盆地内部构造应力场是动态变化的，要详细恢复四川盆地在不同时期的构造应力场特征难以实现。因此主要分为构造形迹大致定型时期与新构造运动时期两个阶段加以分析。

2.2.1 构造定型时期应力场

根据基底盆地边缘和内部的断裂带作为力学边界结合地表主要构造形迹组合展布和联合的关系，反演得到了构造形迹定型阶段的应力分布，如图4 所示。将图1 中的滑坡案例叠加到图中发现，大部分滑坡拉陷槽走向与图中最大主应力迹线方向比较接近(图4 中滑坡案例A类)，部分偏差较大(图4 中滑坡案例B类)。

2.2.2 新构造应力场

由于水系对新构造运动反应极为敏感，其发育形态对判断新构造应力场有重要意义(高士钧， 1992)，因此通过水系分析反演新构造应力场。采用GIS技术改进的A. E Scheidegger法(秦胜伍等， 2006)对盆地内的13个区域进行分析，分析结果如图5 所示。分析得到的这些区域最大主应力展布如图6 所示，局部地区采用前人研究成果。从中可见A1～A8区域最大主应力方向皆为NNW～NS向，指向龙门山构造带和米仓山构造带，A9～A13区域主应力方向为NNE～NE～NEE向，指向大巴山推覆构造带。基于图6 进一步绘制这些区域的主应力迹线图，如图7 所示。将其与图4 相比，发现多处区域的主应力方向产生了偏转，其原因必然与构造带的活动性有关。

图5 水系展布玫瑰花图及主应力方向

图6 新构造最大主应力方向展布

图7 新构造应力场略图与滑坡案例拉陷槽走向展布

相关研究认为我国新构造运动的起始时间为距今约10～15Ma(徐杰等， 2012)。结合表3 可以发现新构造运动活动性最强的是大巴山推覆构造带和龙门山构造带。就川东北A12和A13区而言，构造动力源是雪峰山构造带(通过齐岳山断阶带传递)和大巴山推覆构造带，前者在新构造运动中处于平静阶段，向NW方向的作用力几乎停止，后者从NE向SW方向挤压的作用力的大小和效应不断加强，影响到了该区域内主应力方向以NE-SW向为主。龙门山构造带在距今10Ma以来产生强烈隆升，并且至今仍处于较活动的状态(刘树根等， 2001)，由此引起了川中地区北部主应力方向朝龙门山构造带偏转。

图7叠加拉陷槽展布后可以发现，图4中与主应力方向偏差较大的滑坡案例B类已转变为方向相近。滑坡案例A类分布区域主应力方向虽然出现一定偏转，仍然能与主应力方向保持近于平行或小角度相交。从以上分析可见，表2中的平推式滑坡案例的形成发育与新构造运动以来的应力场关系密切。

3 构造应力场对岩体的改造与影响

四川盆地红层近水平岩层地区所受到的构造作用主要为近水平方向，在此应力环境下在岩层内形成陡倾X型共轭节理为主的节理裂隙系统。随着盆缘构造带活动性出现差异，局部区域构造主应力方向出现偏转，改造前期形成的节理裂隙，在多期构造应力作用下形成现今岩体结构。构造应力场对平推式滑坡形成演化的影响主要表现在对岩体结构的改造、对结构面渗透性的控制和对斜坡水文条件的影响等方面。

3.1 多期构造应力场对岩体结构的改造

构造主应力方向的转变对走向与其近于平行的陡倾结构面在力学性质方面能产生显著的改造作用，使原为压(剪)性质的结构面(图8a) 转变为张性(图8b)。当主应力足够大时，会对结构面产生张裂延伸作用。结构面在构造应力作用下沿走向张裂延伸，与邻近的同向结构面贯通(图8b)。秦启荣等(2005)发现川中地区公山庙张性正断层成因与此类似，剪性结构面在与之近于平行的构造应力作用下逐渐延伸贯通、规模扩大而形成张性正断层。

图8 构造主应力方向转变对岩体的改造

相关试验研究显示，当主应力方向与结构面走向夹角小于15°时，结构面尖端应力集中后产生的翼裂纹随着应力增大，最终会沿主应力方向延伸，并与相邻结构面尖端翼裂纹搭接而贯通岩桥。在多处滑坡案例实地调查中均发现了这类“先压(剪)后张”的结构面，这类结构面的普遍特征是张开度比另一组共轭结构面大，充填物均较为松散，具有一定劈理化现象，结构面夹片状岩石或扁长透镜体(图9a～图9d)。

受到改造的结构面张裂延伸方向不仅包括走向方向，同时也包括倾向方向。近水平岩层中构造结构面通常尖灭于岩性界面层(陈灿， 2011)，但此类结构面沿倾向方向延伸，具有显著的跨层特征(图9e～图9h)。

图9 “先压(剪)后张”结构面特征

综上所述，经过多期构造应力场的改造，岩体内与构造应力场近于平行的结构面之间相互贯通，加强了斜坡内部裂隙网络的整体连通性。

3.2 构造应力场对结构面渗透性的控制作用

结构面的三维应力状态对其渗透性有明显的影响，四川盆地红层近水平岩层地区，构造主应力方向也为近水平，当构造主应力与结构面走向近于平行时(图10)，会使渗透系数明显增加。在某些地质工作中发现了类似的情况，罗明等(1996)经过调查后发现辽宁南芬区NNE走向断裂与NE～NNE向的构造主压应力方向近于平行，具有良好的透水性和含水性。王志萍等(2012)、陈迎宾等(2013)分析大邑地区须家河组气藏裂缝特征认为，与构造主应力方向平行的裂缝张开度大，形成了流体运移的有效裂缝系统，增加了储层天然气产能。在裂隙岩体渗流与应力耦合的试验研究中也证实了侧向水平应力对裂隙渗透性的促进作用(刘才华等， 2007； 刘光廷等， 2007)。

图10 结构面三维应力状态

3.3 构造应力场对斜坡水文条件的影响

基岩裂隙系统是地下水入渗、运移和储存的主要空间，是导致平推式滑坡发生的主要原因。红层斜坡中的基岩裂隙主要包括：风化卸荷裂隙、层间裂隙、构造裂隙，如图11 所示。风化卸荷裂隙网络分布在靠近斜坡表层的风化卸荷带内，是地下水活动性最强的区域，其裂隙网络的发育程度和深度主要受外动力作用控制，因此风化卸荷带内地下水的活动性也主要与外动力作用相关。处在风化卸荷带内的构造裂隙受到外动力作用改造，普遍比深部结构面张开度和渗透性更大，而深部的构造裂隙多为压剪性质，渗透性极差。地下水通过跨层张性结构面向斜坡深部运移。

图11 近水平岩层斜坡基岩裂隙系统及地下水运移示意图

地下水沿着陡倾裂隙垂向运移，在到达相对隔水层时沿着由原生节理组成的层间裂隙富集，并逐渐转为沿层面近水平方向运移在临空面处排泄。这种垂向和水平运移特征是平推式滑坡发生的主要因素之一，为滑坡的产生提供了演化条件，使下伏软岩与地下水产生物理化学作用，逐渐演化为滑带。同时也为滑坡的形成提供力学条件，使暴雨时滑体受到静水推力和扬压力。地下水沿陡倾裂隙的入渗深度对平推式滑坡的规模和厚度起到一定的控制作用。风化卸荷带内裂隙网络最为发育，最易产生平推式滑坡，风化卸荷带为斜坡浅表层，厚度总体为2～6m(王子忠， 2011)，因此表1 中统计得到的小型、浅层滑坡数量最多。更大规模的平推式滑坡的形成需要地下水有更深的活动范围，这就一定程度上与构造应力场改造的跨层张性结构面相关。

垮梁子滑坡(表2 中案例28)形成之前，地下水在斜坡内部的长期活动深度大于60m，大大超过了风化卸荷带的深度范围。在走向为NW8°～10°的陡倾结构面上形成的钙膜和胶结物(图12) 显示，地下水活动时间远早于滑坡的形成时间。区域构造主应力方向为NW15°～25°(图5中A2)，与该组结构面相近，充分说明了构造应力场的改造和影响作用。

图12 垮梁子滑坡岩体张性结构面地下水长期活动痕迹

3.4 典型案例分析

以新津狮子山滑坡(案例1)作为典型案例，对构造应力场演化对坡体结构的改造进行具体分析。

3.4.1 滑坡概况

狮子山滑坡于2013年8月8日凌晨6时左右发生剧烈运动。滑坡发育地层为白垩系上统夹关群(K2j)厚层状砂岩与紫红色薄层泥岩互层，地层产状25°～40°∠5°。区域内稳定分布1组延伸长度较大的共轭结构面，J1：211°～230°∠84°～88°，J2：135°～144°∠78°～87°，区域节理走向玫瑰花图如图13b所示。滑坡后部拉陷槽总体上追踪J1结构面，如图13a所示。从图13c中可见，拉陷槽后部陡壁由一条沿走向延伸长度超过60m的结构面组成，陡壁表面有地下水长期活动的痕迹，与拉陷槽另一侧崩塌后的新鲜岩石陡壁形成鲜明对比。

图13 狮子山滑坡结构面发育特征

3.4.2 构造应力场演化

狮子山滑坡发育于川西地区熊坡背斜北端核部，区域构造如图14a所示。如图14b所示，四川盆地在喜马拉雅早期受近EW向压扭作用(李智武等， 2009; 王志萍等， 2012; 蔡泽训， 2013; 操成杰， 2005; 陈迎宾等， 2013)，声发射、岩石磁组构、超显微构造分析等方法证实了西侧紧邻的邛崃地区在喜马拉雅期最大古应力场为EW向(陈颖莉等， 2008)。

图14 区域构造应力场演化示意图

通过狮子山滑坡周边区域分布的J1和J2结构面走向优势方位恢复的主应力方向也恰好为近EW向，可以判断这两组结构面是在早期近EW向构造挤压作用下形成的，如图14c所示。

大量研究测试证明新构造运动以来，区域构造主应力方向为NW-SE向(周存忠等， 1985; 陈颖莉等， 2008; 邓虎成等， 2009; Fu et al.，2019； 毛经伦等， 2019)， 如图14d所示。因此J1组陡倾结构面在后期构造应力的改造下转变为张性结构面，如图14e所示。

3.4.3 张性结构面特征

通过对滑坡周边近水平岩层斜坡调查发现，J1组结构面普遍具有一定的张开度和较好的连通性。结构面充填特征大致可分为两类，第一类结构面靠近地表水活动强烈部位，内部只有少量碎屑充填，渗透性能极强(图9a)； 第二类结构面内部充填松散碎屑夹黏粒(图9g)，渗透性中等。形成狮子山滑坡拉陷槽的结构面属于第一类。

4 结 论

(1)四川盆地红层地区分布大量平推式滑坡，其中70%以上为浅层、小型滑坡，主要发育在风化卸荷带，受外动力作用控制。大部分中层、中型以上新滑坡的发育受构造应力场控制，拉陷槽展布方向与新构造主应力方向相近。

(2)构造应力场对岩体结构产生改造作用，对结构面渗透性起到控制作用。构造主应力方向的转换使与其近于平行的压(剪)性质结构面转变为张性，并产生张裂延伸作用，扩大规模，结构面沿走向相互贯通，沿倾向跨层。并且使具有这种三维应力状态的结构面渗透性得到显著提高。因此，结构面的渗透性、规模、连通性、张开度等同时被扩大。

(3)受构造应力场改造和影响的近水平岩层斜坡给水性和导水性得到改善，由于跨层张性结构面的存在，地下水有条件垂向运移到斜坡深处，与深层的软弱层产生物理化学作用，为形成规模和厚度更大的平推式滑坡提供条件。由此解释了拉陷槽与构造主应力方向相近的缘由。

(4)四川盆地红层分布的中型、中层以上的平推式滑坡虽然数量相对较少，但危害巨大，由于其突发性和隐蔽性较高，很难做到早期预测预警。本文的结论对该类滑坡的早期防范具有重要的参考价值，通过岩体结构面特征和构造应力场的分析，并结合岩性组合、地貌特征、临空面分布等其他形成条件，可预测评价近水平岩层斜坡发生大规模平推式滑坡的可能性。