Vol． 40 No． 3May． 2013

水文地质工程地质HYDROGEOLOGY ＆ ENGINEERING GEOLOGY

第 40 卷 第 3 期2013 年 5 月

大光包滑坡启动机制的物理模拟试验

张 健，王小群，王兰生，朱 雷，沈 曼( 地质灾害与地质环境保护国家重点实验室，成都理工大学，四川 成都 600059)

摘要: 安县大光包滑坡是汶川地震触发的规模最大的滑坡，为了研究其形成机制，本文结合野外现场调查，利用三维振

动台物理模拟试验，研究了大光包滑坡在地震作用下的启动机制与破坏过程，探讨了滑坡发生与坡体结构的密切关系。研究结果表明: 大光包滑坡一个楔型槽状滑落体，沿着白云岩沙化层面和坡体中垂直于层面倾坡内早期 X 构造裂隙构

成，是层面与裂隙在地震力作用下扩展并破坏的宏观表现; 振动作用下坡体首先在坡顶产生一系列的拉张裂缝，随后在

坡体下部产生剪切裂缝; 后缘拉裂面、东侧白云岩层面和西侧拉裂边界将坡体切割成楔形体并滑下; 滑坡为一后退式滑

坡，呈多次后退式破坏。关键词: 地震滑坡; 物理模拟; 启动机制; 破坏过程

中图分类号: P642. 22 文献标识码: A 文章编号: 1000-3665( 2013) 03-0058-05

收稿日期: 2012-09-07; 修订日期: 2012-10-09基金项目: 国家自然科学基金项目( 41072230)

作者简介: 张健( 1987-) ，男，硕士研究生，主要从事岩土工程与

工程地质方面的研究。E-mail: zhangjian523618@ 126． com

大光包滑坡是汶川地震触发的岩质滑坡，因其规

模巨大，成因机理复杂而备受关注。该滑坡在动力学、运动学、堆积学方面有着极为特殊的特征。已有研究

指出大光包滑坡的形成过程首先是坡体的震裂，坡体

沿“V”字型的“滑槽”高速抛出; 然后是前缘大光包孤

立山峰，以磷矿层为溃滑面二次抛射而出［1］。将大光

包滑坡的形成过程概括为 4 个大的阶段: 即坡体震裂

阶段; 滑动面( 带) 摩阻力急剧降低阶段; “锁固段”剪

断，坡体溃滑阶段; 震动堆积阶段。滑动面( 带) 岩体

在强震作用下震动松弛，并碎裂化、角砾化，引发“滚

动摩擦效应”，是导致高速滑动的根本原因［2］。野外调查分析得出，大光包滑坡是一个楔型槽

状滑落体，以下伏震旦系白云岩层面及与层面近于

正交的早期 X 构造裂隙构成，作为滑坡主控制面的

震旦系白云岩岩层，为一经历了强烈岩溶的沙化层，

强烈地震引发沙化层因突然产生的超空隙压力而流

态化，可能是导致山体突然失稳的主要原因( 据王兰

生等) 。本文旨在对大光包滑坡的启动机制进行物

理模拟。

1 滑坡背景

1. 1 滑坡概况

大光包滑坡位于四川省绵阳市安县高川乡泉水村

西北侧，安县、绵竹、茂县三县交界部位。大光包是境

内最高峰，海拔 3 047m，地形高陡突兀，三面临空，南

东侧为门槛石沟，北东侧为黄洞子沟( 图 1) 。

图 1 安县大光包滑坡山坡影像图

Fig． 1 Striograph of the Daguangbao landslide inAnxiang County

根据震后遥感影像图及滑坡区地面调查，大光包

滑坡由后缘拉裂陡壁、西侧拉裂边界、东侧滑床边界、中部主滑体及前缘剪出口、碎屑流堆积围限组成，滑坡

纵向长 约 4. 3km，横 宽 约 3. 5km。其 中 碎 屑 流 长 度

0. 9km( 从门槛石沟与黄洞子沟交汇处算起) 。滑坡区

面积 7. 11km2 ( 从滑坡后缘到前缘碎屑流的整个区

域) ，体积约 10 × 108m3，主滑体滑动距离 1. 75km，主

滑方向为 N53°E，为地震灾区规模最大的滑坡，大光包

滑坡滑后的地质结构见图 2。1. 2 滑坡的结构特征

大光包山顶为三叠系飞仙关组( Tf 2 ) 粉砂岩、粉

砂质泥岩夹少量泥晶灰岩，向下依次为二叠系梁山组

第 3 期 水文地质工程地质 ·59·

图 2 大光包滑坡发生后地质结构示意纵剖面图

Fig． 2 Geological profile after the Daguangbaolandslide occured

( Pl) 、阳新组( Py) 、龙潭组( Pl t) 、吴家坪组( Pw) 灰岩

夹钙质页岩、含铁铝土岩、含燧石泥晶灰岩; 石炭系总

长组( Cz) 灰岩夹微晶白云岩、砂泥岩; 泥盆系沙窝子

组( Ds) 白云岩夹磷矿石，为磷矿产出层; 震旦系灯影

组( Zd) 的白云岩，滑坡主滑面即发生在该岩层中，层

面产状 N80 ～ 88°ENW35 ～ 38°。滑坡北侧山体出露

震旦系水晶组硅质白云岩( Zs3 ) 、含藻微晶白云岩、白云质灰岩和板状结晶灰岩、板岩( Zs2 ) ，推覆在二叠系

地层之上( 图 3) 。

图 3 大光包滑坡发生前地质结构示意纵剖面图

Fig． 3 Geological profile before the Daguangbaolandslide occurred

调查发现滑坡区岩层产状 N65°ENW32°，发育

与层面近正交的早期 X 构造裂隙，N55 ～ 60°ESE60°和 N40°WNE80 ～ 85°; 沿层面存在白云岩沙化现象，

这一软弱面成为滑坡滑动的滑面，该滑面位于震旦系

灯影组三段的白云岩层中( 据王兰生) 。

2 振动台试验

2. 1 试验设备

试验所用振动台系成都理工大学地质灾害防治与

地质环境保护国家重点实验室自主研发的液压施加初

始位移、液压锁紧、瞬间释放型弹簧式二维振动台。其

原理是用一对“在竖直平面内互相垂直的两个简谐振

动运动合成”的特征，进行物理模型振动模拟的机、电、液一体化试验设备。

2. 2 模型主要特征

试验模型几何尺寸为 50cm × 48cm × 50cm。模型

岩层倾角为 32°，模型每层厚 3 ～ 4cm。模型中层面之

间采用锡箔纸和滑石粉，做“井”字型空腔模拟大光包

白云岩中的岩溶砂化现象，砂化层位于滑面处，在制作

过程中在坡体切割一组 X 型结构面。模型较好地呈

现了大光包的原始地貌特征( 图 4) 。

图 4 制作好的模型

Fig． 4 The developed model

因试验条件限制，条件不能完全满足相似，本试验

以密度和弹性模量作为基本量纲，其相似常数分别取

Cp = 1 和 CE = 100，按照 π 定理和量纲分析法，导出其

余物理量的相似常数如表 1 所示［3］。本次试验材料选

取重晶石粉、膨润土和石蜡油，其配比为重晶石粉: 膨

润土: 石蜡油分别为 0. 8: 0. 18: 0. 2。试验时进行一定

程度的压密。表 1 模型试验相似常数

Table 1 Resemblance constants of the model test

物理量 相似常数表示及关系 相似系数

密度 ρ ( 控制量) Cρ 1. 0

弹性模量 E( 控制量) CE 100. 0

粘聚力 c Cc = CE 100. 0

内摩擦角 φ Cφ 1. 0

应力 σ Cσ = CE 100. 0

应变 ε Cε 1. 0

2. 3 试验方案

由于地震活动具有重复性发生的特点，一定区域

内的岩体也将受到多次地震动力的重复破坏，并且斜

坡在地震作用下的破坏是一个变形累积与失稳触发的

过程［4］。本次试验分 4 次加载，在每次加载完成后，对

模型进行观察记录，试验步骤和方案如下: ( 1) 改变振

动振幅、轨迹观察记录模型的变形破裂过程; ( 2) 观察

记录左右侧模型以及振动初动方向作用不同的变形破

裂过程; ( 3) 每次振动前、中、后分别用数码照相机和

·60· 张 健，等: 大光包滑坡启动机制的物理模拟试验 2013 年

摄像机摄像记录。根据以上方案进行多次实验。振动

方案见表 2。

表 2 振动方案

Table 2 Vibration scheme

振动

次序

振动

轨迹

水平

振幅

( cm)

竖直

振幅

( cm)

水平峰

值加速

度 ( ms2 )

竖向峰

值加速

度 ( ms2 )

持续

时间

( s)

第 1 次 椭圆 2. 5 1. 5 2. 5 1. 5 3

第 2 次 椭圆 2. 5 1. 5 2. 5 1. 5 4

第 3 次 椭圆 5 1. 5 5 1. 5 3

2. 4 坡体变形破裂特征

模型正面为试验中俯视图，模型东侧边界为门槛

石沟，西侧为长石板沟处山脊( 图 4) 。( 1) 裂缝形成及扩展。后缘出现了 2 条拉裂缝

L1、L2，后缘拉裂缝宽度在 0. 3cm 左右，位置在大光包

之下( 图 5a) 。试验控制的岩溶砂化层和矿洞层出现

了 2 层滑移面 L7、L8，未贯通，高度约为坡高的 13( 图

5b) 。坡体表面出现 2 条拉裂缝 L3、L5，长约 15cm，宽

0. 2cm，深 1cm，1 条裂缝位于长石板沟，1 条位于长石

板沟和黑沟所夹山脊处( 图 5c) 。

图 5 模型第一次震动

Fig． 5 The first shock of the model

( 2) 局部破坏、裂缝贯通。坡体几组裂缝进一步

扩展，坡体下部出现小规模破坏，整个坡体向下滑移了

2cm，坡体中的细微裂缝扩展并贯通，大光包下方 2 组

裂缝 L1、L2 贯通，成为拉裂面 L1，宽 2cm，长 25cm，深

10cm，而大光包山体后缘出现 1 组拉裂面 L4，并逐步

扩展，构成滑坡后缘边界( 图 6a) ; 东侧底部岩溶沙化

层的剪切面 L6 贯通形成了滑坡的主滑面( 图 6b) ; 坡

体西侧长石板沟与黑沟围限的山脊处，拉裂缝 L5 贯

通，构成滑体西侧滑坡拉裂边界，3 条边界呈楔形。

图 6 模型第二次震动

Fig． 6 The second shock of the model

( 3) 整体失稳。滑体沿楔形边界启动滑出，发生

整体破坏，前缘解体严重，滑床处可见模拟岩溶沙化的

层面( 图 7) 。

图 7 模型第三次震动

Fig． 7 The third shock of the model

2. 5 坡体震动下变形破裂机制分析

以模型震动以振幅为 5cm 的一次椭圆轨迹振动，

根据试验过程中摄像视频采集到的图像绘制出振动台

运动轨迹( 图 8a) ，并注意观察振动过程中变形破裂的

出现、演化发展与振动轨迹状态的对应关系，绘制出从

第 3 期 水文地质工程地质 ·61·

A1 ～ A4 状态的变形破裂过程图，并根据模型上某一

变形破裂特征点可绘制出该点的位移曲线图( 图 8b) ，

轨迹图上 A1 一 A4 为变形破裂拐点［5］。

图 8 振动轨迹( a) 和位移曲线( b)

Fig． 8 Orbit of ( a) vibration and ( b) displacement curve

从图中可以看出在振动方向的拐点对应坡体破坏

的时刻，当振动方向与模型的惯性力相反时，坡体产生

裂缝，随着反复变向，变形累积，形成永久位移。模型试验发现，在动荷载作用下，斜坡具体的变形

破坏形式与坡体中控制性结构面的组合有关［7］。坡

体顶部出现的拉裂缝 L1、L4 ( 图 6a) 追踪走向与水平

地震力作用方向近于垂直的结构面产状 N40°W NE80 ～ 85°发育，在地震力作用下裂隙两端产生应力集

中，裂面向两端扩展，两端的切向拉应力集中程度增

高，显示呈拉断破坏，这与调查显示后缘断臂陡立、裂面粗糙呈锯齿状有较好的对应。倾向坡外的结构面即

岩层产状 N65°ENW32°，发生拉张和剪切的复合变

形破坏，表现出拉张和剪切特性即 L6、L7 ( 图 6b) ，层

面发生剪切破坏。而坡体右侧剪切裂缝 L5 ( 图 6c) 追

踪走向与水 平 地 震 力 作 用 方 向 近 于 平 行 的 结 构 面

N55 ～ 60°ESE60°发育，发生剪切破坏。将滑坡启动分为 3 个阶段，首先中部坡体追踪陡

倾结构面 N40°WNE80 ～ 85°被拉开，岩溶沙化的白

云岩层面发生剪切错动; 然后中部陡倾裂面与白云岩

层面贯通，向黄洞子沟滑出，大光包后缘出现新的拉裂

面; 滑体后缘形成新的空腔，山体出现后退式破坏。实验得出，坡体后缘拉裂面是追踪陡倾结构面

N40°WNE80 ～ 85°产生; 滑面沿沙化的白云岩层面发

育，层面产状 N65°ENW32°，滑动方向为近北方向;

西侧山脊上裂面追踪 N55 ～ 60°ESE60°结构面，受滑

体牵动和“黄洞子沟”剪出口位置控制( 图 6b) 。大光包滑坡是在地震力和自重共同作用下的一个

楔型槽状滑落体，以下伏震旦系白云岩层面及与层面

近于正交的早期 X 构造裂隙构成，呈滑移拉裂破坏。大光包滑坡为一后退式滑坡，首先大光包后缘和

西侧山脊产生的拉裂缝和沙化的白云岩层面贯通，滑

体滑入黄洞子沟，从而为大光包山体提供了新的临空

面，大光包山体继续产生新的拉裂缝，进而继续破坏，

堆积于主滑体之上。

3 结论

( 1) 滑坡体所处的地形三面临空，大光包山顶后

缘，东侧为门槛石沟，前缘为黄洞子沟，滑坡结构中发

育于白云岩的岩溶沙化层和早期的 X 构造裂隙是滑

坡发生的必要条件。( 2) 大光包滑坡是一个楔型槽状滑落体，以下伏

震旦系白云岩层面及与层面近于正交的早期 X 构造

裂隙构成，是层面裂隙和构造裂隙在地震力作用下扩

展的宏观体现。( 3) 滑体滑动方向受白云岩层面和层面近于正交

的 X 构造裂隙的控制面交线倾向控制，向最低剪出口

剪出，因此从模型上可以看见裂缝在山脊上顺坡向拉

开的现象。( 4) 大光包的滑坡为一后退式滑坡，呈后退式破

坏，这与野外调查发现滑后地形显示垄岗相间的地形

比较吻合。

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Physical simulation on the formation mechanism of the Daguangbao landslide

ZHANG Jian，WANG Xiao-qun，WANG Lan-sheng，ZHU Lei，SHEN Man( State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，

Chengdu，Sichuan 610059，China)

Abstract: The Daguangbao landslide in Anxian County is the largest landslide occurred in the Wenchuanearthquake． In order to examine the formation mechanism of the landslide，based on field investigation，a 3-dimensional vibrostand physical simulation test is used to study the formation mechanism and destroy processand the affinity of the landslide and the slope structures is discussed． The results indicate that the landslide isa wedge and trough shaped fall，it formed by the underlying layer of sinianperiod dolomitite and early Xtectonic fractures orthogonal to the layer． The landslide formed by the layer and crevice in the earthquake．Tension crevice appeared first on top of the slope，soon after shearing crack appeared on the bottom of theslope，the crevice formed in order． The pull cracks on top of the slope under vibrations，the slope slide faceforms by the layer on the right of the slope，and tension crevice appear on the left of the slope． They form awedge and trough shaped fall． The slope is a fallback one and it fell back repeatedly．Key words: landslide in earthquake; physical simulation; formation mechanism of landslide; destabilisingprocesses

责任编辑: 张明霞