王偉鋒 耿 赟 王青振 單新建 陳曉利

1)中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，青島 266580

2)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

0 引言

滑坡是一種嚴重的巖土體失穩(wěn)現(xiàn)象，斜坡體的某一部分在適宜的地形地質(zhì)條件下可能產(chǎn)生滑坡，但滑坡是否能發(fā)生，還需一些因素對坡體施加影響，這些因素可統(tǒng)稱為觸發(fā)因素。按照觸發(fā)因素，滑坡可分為降雨型滑坡和地震型滑坡(龍萬學等，2008)。本文對降雨型和地震型滑坡進行了物理模擬試驗。通過改變不同的外界條件，進行滑坡模擬試驗進而探討這2類滑坡的影響因素和發(fā)生機理。

1 試驗設備與試驗方案

1.1 地震型滑坡試驗

實驗設備為自主設計的簡易振動模擬試驗儀(圖1)，設備由主體振動部分、傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，再通過軟件將實驗數(shù)據(jù)導出。

實驗將地震振動分解為水平和豎直2個方向，通過改變振動力的輸入方向來探討振動方向(水平、垂直)對滑坡的影響(魏麗，2005);改變振動力的大小來模擬不同振動強度對滑坡的影響;改變振動的時間來探討振動持續(xù)時間對滑坡的影響。

1.2 降雨型滑坡試驗

圖1 簡易振動模擬試驗儀Fig.1 Simple vibration laboratory instruments.

將滑坡體樣本放置在斜板上，通過調(diào)節(jié)斜板的角度來模擬不同坡度的斜坡。實驗時，在上方使用噴頭噴水(圖2)，力求降雨均勻而平穩(wěn)地噴灑在實驗斜坡上。實驗采取短歷時、強降雨模式。降雨分多個時段來進行，各時段間隔為備水和雨水入滲階段(高曉斐等，2007)。實驗過程中記錄下滑坡發(fā)生時降雨所用時間及雨量。

2 降雨型滑坡試驗

通過對土質(zhì)坡體進行降雨實驗，得出不同坡度下降雨誘發(fā)滑坡的臨界降雨量，探討坡度與滑坡臨界降雨量之間的關系;同時觀測坡體在降雨過程中的形態(tài)變化，分析降雨對土質(zhì)滑坡體的破壞影響機制。

降雨實驗所取用土樣的力學性質(zhì)參數(shù)如表1所示，滑坡模型的尺寸為160mm×130mm×50mm，放置在斜坡板上，進行模擬降雨實驗。

2.1 不同坡度下，降雨誘發(fā)滑坡的臨界降雨量

實驗采用短歷時、強降雨模式，對10°、20°、30°、45°坡角的斜坡分別進行實驗。降雨過程中，力求降雨均勻而平穩(wěn)地噴灑在實驗斜坡體上。實驗記錄下滑坡發(fā)生時所用的降雨時間和降雨量。降雨滑坡實驗所得實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 降雨試驗模擬過程Fig.2 Simulated rainfall experiment.

表1 土樣力學性質(zhì)參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of soil

表2 不同坡角滑坡體的降雨時間和臨界降雨量Table 2 Rainfall duration and critical rainfall amount for landslides of different slope angles

通過表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著坡度的增大，誘發(fā)滑坡所用的臨界降雨量急劇減小，降雨所用時間也減少。

2.2 滑坡臨界降雨量與坡度的關系

圖3為臨界降雨量與坡度的關系圖，兩者呈冪指數(shù)函數(shù)關系，可以看出，臨界降雨量隨坡度變大而迅速降低。坡度在10°～30°區(qū)間內(nèi)，臨界降雨量隨坡度變化明顯;坡度＞30°時，臨界降雨量曲線變化緩慢。

在中國南方降雨量較大的地區(qū)，可以應用臨界降雨量與坡度的關系曲線來大致估算斜坡的臨界降雨量，可防治降雨型滑坡的發(fā)生。

2.3 降雨對土質(zhì)坡體的破壞影響機制

降雨實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在降雨初期，雨水迅速下滲，使得土體表層的含水率增加，然后逐漸向滑坡體深部滲流。隨著降雨時間的增加，坡腳處的孔隙水壓力逐漸增大，含水率也達到飽和，使得土體容重增加，抗剪強度減小，導致下滑力大于抗滑力(羅先啟等，2005)，坡腳處土體開始松散滑落;隨后上部的土體含水率也逐漸達到飽和，當主體都達到飽和狀態(tài)時，含水率就會趨于穩(wěn)定，不會隨降雨時間的增加而變化了(楊文東，2006)。

圖3 滑坡臨界降雨量與坡度關系圖Fig.3 The relationship between critical rainfall amount and slope gradient.

3 地震型滑坡試驗

實驗目的是通過對由不同坡度、不同物質(zhì)組成的斜坡進行振動試驗，觀測不同條件下模型的變形破壞跡象，分析地震動力對斜坡變形破壞的作用機制與規(guī)律。

實驗分土質(zhì)斜坡和巖質(zhì)斜坡。土質(zhì)邊坡模型所用的材料為松散的黏土，經(jīng)夯擊壓實成形。巖質(zhì)邊坡的材料為碎石土、塊石土和少量的黏土夯擊壓實而成(程圣國等，2002)。其巖石力學性質(zhì)參數(shù)如表3所示。

表3 坡體巖石力學性質(zhì)參數(shù)Table 3 Mechanical property parameters of rock slope

3.1 土質(zhì)和巖質(zhì)坡體對振動的響應

對土質(zhì)和巖質(zhì)坡體分別進行3組坡度為10°的水平振動試驗，振動強度分別為弱、中、強，最大振動速度分別為 3.4cm/s、5.4cm/s 和 7.8cm/s。振動速度－時間曲線如圖4所示。根據(jù)《中國地震烈度表》(GB/T17742－1999)地震震級、震中烈度及峰值速度的對應關系(表4)，實驗可模擬不同震級的地震力作用，3種振動強度的峰值速度大致對應震級為4級、4.5級和5級地震的峰值速度。

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)坡體在振動過程中，邊坡首先從坡體頂部產(chǎn)生豎向的拉裂縫，坡體的兩側(cè)也產(chǎn)生一些豎向的小裂縫。隨著振動的持續(xù)，豎向裂縫變大變深，同時坡腳處產(chǎn)生與走向一致的裂縫，土體開始沿著裂縫產(chǎn)生少量滑塌(于玉貞等，2008)，隨著裂縫規(guī)模慢慢地擴大，最后土體沿著裂縫開始垮落(圖5左)。

巖質(zhì)坡體對振動的響應為:首先在頂部產(chǎn)生一些豎向拉裂縫(宋娟等，2009)，兩側(cè)沿著某些結(jié)構(gòu)面也產(chǎn)生一些細小的裂縫。隨著振動的持續(xù)，裂縫的規(guī)模開始擴大，在主裂縫的底端開始出現(xiàn)近水平的拉裂面，同時主裂縫外側(cè)的巖土體內(nèi)裂縫增多，并迅速發(fā)展，之后形成底滑面(孫萍等，2009)，上部巖體在振動力的作用下沿著底滑面運動，最后整體失穩(wěn)破壞(圖5右)。

3.2 振動輸入方向?qū)ζ麦w破壞的影響

將斜坡板的角度調(diào)節(jié)為30°，在中等振動強度、振動時間為5s的條件下，分別對巖質(zhì)和土質(zhì)的坡體進行水平和豎直振動實驗，觀測二者在水平振動和豎直振動后的形態(tài)變化。

圖4 振動速度－時間圖Fig.4 Vibration velocity time histories.

表4 震級、震中烈度及峰值速度關系對應表Table 4 The corresponding values between magnitude，epicentral intensity and peak velocity

通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，僅豎向振動一般難以使斜坡產(chǎn)生明顯的變形破壞，而同樣大小的水平振動卻能使斜坡產(chǎn)生劇烈的變形破壞，也就是說，豎向地震力對斜坡變形破壞的影響遠小于水平地震力的作用(左雅芬等，2011)。其原因可能是:

坡體始終受到重力的作用，豎向地震力的方向隨著地震波的傳播呈周期性變化(許強等，2009)。當豎向地震力方向向下與重力方向相同時，相當于坡體的重力增加，巖土體間相對運動的摩阻力也相應增大。當豎向地震力方向向上與重力相反時，豎向地震力抵消了部分巖土體的重力，相當于使坡體重量減輕。只有當豎向地震力克服了重力以及巖土體間的粘聚力和摩阻力時坡體才會發(fā)生相對位移(陳朝玉等，2010)。因此這2種情況下坡體在豎向都不易發(fā)生較大的相對運動。坡體的完整性自然就不易在豎向地震力的作用下發(fā)生明顯的變形破壞。

而對于水平地震力來說，其帶動坡體在水平方向運動需克服的僅是巖土體間的內(nèi)聚力和水平錯動時的摩阻力(校小娥，2010)。巖土體的抗拉強度一般較低，摩阻力受破壞位置、巖土體強度和結(jié)構(gòu)面的影響很大。當巖土體強度較低，尤其是存在與地震波傳播方向相垂直的豎向結(jié)構(gòu)面時，坡體很易發(fā)生拉裂破壞。因此水平地震力是地震過程中斜坡變形破壞的主要作用力。

表5 不同坡角下土質(zhì)、巖質(zhì)坡體滑坡初動時間Table 5 The initial motion time of landslides in soil and rock slopes under different slope angles

圖5 土質(zhì)和巖質(zhì)坡體破壞形態(tài)圖Fig.5 Failure modes of soil and rock slopes.

3.3 滑坡坡度與振動破壞時間關系

實驗表明，滑坡初動需要在中等振動強度(里氏4.5級)以上條件下發(fā)生，記錄下土質(zhì)和巖質(zhì)坡體不同坡角下(10°、20°、30°和45°)滑坡初動所用振動持續(xù)時間，實驗數(shù)據(jù)如表5所示?？梢钥闯?，當坡度＜20°時，兩類坡體的初動所需振動時間較長，當坡度＞30°時，坡體初動所需振動時間迅速減少。說明相同震級條件下，坡度是滑坡發(fā)生的主要控制因素。

圖6為在中等振動強度條件下土質(zhì)和巖質(zhì)坡體坡度與滑坡初動時間關系圖，兩條曲線形態(tài)相似，滑坡初動時間都隨著坡度的增加而減小，在20°～30°坡度范圍內(nèi)滑坡初動時間變化較大。

3.4 汶川地震滑坡與坡度、震級關系

受試驗結(jié)果啟發(fā)，對汶川地震型滑坡進行了統(tǒng)計比對，發(fā)現(xiàn)汶川地震型滑坡絕大多數(shù)是4級以上地震引起的，坡度多為30°～50°。

2008年5月12日四川汶川8.0級特大地震誘發(fā)的大小滑坡約1 200多處，新產(chǎn)生的滑坡和不穩(wěn)定斜坡達2 794處(喬建平等，2009)，87%的地震滑坡坡度都集中在30°～50°(圖7)，其中4級以上地震引起的占79%。

汶川附近的彭州地區(qū)是地震滑坡的高發(fā)區(qū)域。成都市國土資源局調(diào)查統(tǒng)計了該區(qū)域在地震期間不同震級下、不同坡度的滑坡發(fā)生的次數(shù)(喬建平等，2009)(圖8)，圖8中可看出，當震級達到4級時，地震引發(fā)的滑坡數(shù)量明顯增加。大部分滑坡都集中在30°～55°，坡度越陡越容易發(fā)生滑坡。汶川地震的余震持續(xù)不斷，據(jù)地震局統(tǒng)計(樊曉一等，2012)，截止到2010年7月26日，4級以上余震達到316次，這些余震可能會對欠穩(wěn)定的坡體造成新的滑坡災害。

圖6 土質(zhì)與巖質(zhì)坡體坡度與滑坡初動時間關系圖Fig.6 Diagram of slope gradient and initial motion time in soil and rock slopes.

圖7 汶川地震滑坡坡度分布圖Fig.7 Distribution of landslide gradients in Wenchuan earthquake.

汶川地區(qū)地震滑坡大都集中在坡度為30°～50°范圍之內(nèi)，在震級≥4級時，坡度＞30°的大部分坡體都易發(fā)生滑坡。因此，在汶川地區(qū)應重點對坡度＞30°的潛在滑坡體進行預防治理。

4 結(jié)論

4.1 降雨型滑坡

對不同坡角的土質(zhì)邊坡進行了分時段降雨實驗，得到了不同坡角下降雨誘發(fā)滑坡的臨界降雨量。發(fā)現(xiàn)坡度與滑坡臨界降雨量呈冪指數(shù)關系，坡度越大，誘發(fā)滑坡所用的臨界降雨量越小。

4.2 地震型滑坡

(1)土質(zhì)坡體對振動的響應:坡體頂部產(chǎn)生豎向的拉裂縫，坡體的兩側(cè)也產(chǎn)生豎向的小裂縫;裂縫的規(guī)模不斷擴大，最后土體沿著裂縫開始垮落。巖質(zhì)坡體對振動的響應:頂部產(chǎn)生豎向拉裂縫，兩側(cè)結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生細小的裂縫，裂縫的規(guī)模不斷擴大，主裂縫底端出現(xiàn)近水平的拉裂面，形成底滑面，上部巖體在振動力的作用下沿著底滑面運動，最后整體失穩(wěn)破壞。

(2)水平振動慣性力對斜坡的變形破壞的影響比豎向振動慣性力作用要強烈得多。在地震過程中，地震水平慣性力是使斜坡產(chǎn)生變形破壞的主要原因。

圖8 汶川地震滑坡坡度與地震震級關系圖Fig.8 The relation between earthquake magnitude and landslide gradients in Wenchuan earthquake.

(3)在相同的振動強度下，在坡度＜25°時，土質(zhì)坡體較巖質(zhì)坡體易發(fā)生滑坡;在坡度＞25°的情況下，巖質(zhì)坡體更易發(fā)生破壞。

(4)對汶川地震滑坡進行的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)大多數(shù)滑坡都由4級以上地震引起，滑坡的坡度主要集中在30°～50°，坡度越陡越易發(fā)生滑坡;當?shù)卣鹫鸺墶?級時，該地區(qū)坡度＞30°的坡體易發(fā)生滑坡，應加強對此類邊坡的防治處理。

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