葉旭光 王新剛 劉凱 王友林 羅力 薛晨

收稿日期：2023-10-17

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFC3008401）；中國博士后基金特別資助項目（2019T120871）。

第一作者：葉旭光，男，從事地質(zhì)災害防治研究，1521127692@qq.com。

通信作者：王新剛，男，博士生導師，教授，從事地質(zhì)災害機理與防控研究，xgwang@nwu.edu.cn。

摘要? 以柞水縣小嶺鎮(zhèn)羅莊三組滑坡為研究對象，在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎上開展室內(nèi)土工試驗，利用大型直剪試驗和數(shù)值模擬手段，研究不同含水率條件下滑帶土的剪切力學特性，進而在此基礎上揭示降雨誘發(fā)堆積層滑坡的形成機理和變形過程。大型直剪試驗表明：在試驗前期，剪切應力與剪切位移呈線性關系，隨剪切位移增大曲線呈現(xiàn)出非線性特征;在其他試驗工況相同時，剪切應力與含水率呈負相關規(guī)律;當含水率相同時，剪切應力隨法向荷載的增大而增大。數(shù)值模擬結果表明：堆積層坡體在降雨因素的作用下，容易發(fā)生失穩(wěn);隨著降雨強度和時長的不斷增大，土體含水量增加或飽和后易產(chǎn)生破壞，坡體穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小。降雨條件下，堆積層滑坡滑體變形較強烈，其變形過程一般經(jīng)歷蠕動變形→加速變形→滑動破壞3個階段，破壞運動形式以推移式為主，通過推擠作用對威脅對象產(chǎn)生破壞效應，從而造成人員和財產(chǎn)損失。該研究成果對秦巴山區(qū)堆積層滑坡的機理研究與防災減災具有一定的參考意義。

關鍵詞? 堆積層滑坡;降雨;大型直剪;數(shù)值模擬;滑坡機理

中圖分類號： P642.22? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-012

Study on the mechanism of typical rainfall inducedaccumulation layer landslide

YE Xuguang1， WANG Xingang1， LIU Kai1， WANG Youlin2，? LUO Li1， XUE Chen1

（1.State Key Laboratory of Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China;

2.Shaanxi Hydrological Engineering Geology and Environmental Geological Survey Center， Xian 710068， China）

Abstract? The Luozhuang Group 3 landslide in Xiaoling Town， Zhashui County， is the focus of the present study.Geotechnical tests are performed indoors based on the geological survey in the field. By means of large-scale direct shear test and numerical simulation， the shear mechanical properties of sliding zone soil under different water content conditions are analyzed and studied. On this basis， the formation mechanism and deformation process of rainfall-induced accumulation landslide are revealed. The large-scale direct shear test shows： in the early stage of the test， the shear stress and shear displacement are linear， and the curve shows nonlinear characteristics with the increase of shear displacement. When the other test conditions are the same， the shear stress is negatively correlated with the water content. When the water content is the same， the shear stress increases with the increase of the normal load. The numerical simulation results show that the accumulation layer slope is prone to instability under the action of rainfall factors， with the continuous increase of rainfall intensity and duration， the soil moisture content increases or is prone to damage after saturation， and the slope stability coefficient decreases continuously. Under the condition of rainfall， the deformation of the landslide body of the accumulation layer is relatively strong， and its deformation process generally undergoes three stages， creep deformation - accelerating deformation - sliding failure. The form of failure movement is mainly push-type， which has a destructive effect on the threat object through the pushing effect， resulting in personnel and property losses. The research results have certain reference significance for the mechanism research and disaster prevention and mitigation of colluvial landslides in Qinba Mountain area.

Keywords? accumulation layer landslide; rainfall; large direct shear; numerical simulation; landslide mechanism

秦巴山區(qū)，受板塊運動影響，地質(zhì)構造運動強烈，巖性復雜多樣，加之氣候條件的特殊性，滑坡災害多發(fā)［1］。秦巴山區(qū)大部分的滑坡主要發(fā)生在5月至9月的雨季［2-4］，且以堆積層滑坡居多。秦巴山區(qū)堆積層滑坡的頻繁發(fā)生對人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅，因此，研究降雨誘發(fā)型堆積層滑坡機理對于該類滑坡的防治具有重要的意義。

秦巴山區(qū)堆積層滑坡滑體物質(zhì)主要為碎石土，其結構疏松，在降雨作用下，其力學性質(zhì)容易被大幅度削弱［5］。前人學者對堆積層滑坡的成因模式進行了大量研究，王承輝歸結新灘滑坡的誘因為降雨作用［6］;許建聰?shù)瓤偨Y了碎石土滑坡的一般發(fā)育規(guī)律，闡述了碎石土滑坡的破壞機理，認為碎石土滑坡穩(wěn)定性與孔隙水壓力及土體自重應力有關，且明確指出強降雨是淺層碎石土滑坡體發(fā)生失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素［7-9］;孫紅月提出含碎石黏性土滑坡的首要治理原則就是治水，強調(diào)了降雨的影響［10］;徐興華等從實地調(diào)研出發(fā)，通過對官家滑坡變形破壞的研究，強調(diào)了降雨和地下水在碎石土滑坡發(fā)生破壞時的重要作用［11］;胡顯明針對碎石土滑坡，研究了其殘余強度特性，并基于賓漢模型結合自身研究對滑坡的破壞機理進行了研究［12］。此外，還有學者研究了碎石土的物質(zhì)組成，指出了細顆粒成分對其特性的影響［13-15］。

綜上所述，降雨因素對于堆積層滑坡有著顯著影響，特別容易導致其變形加?。?6-17］。梳理過前人研究成果后認為，針對堆積層滑坡滑帶土的剪切力學特性和堆積層滑坡的機理揭示仍需進一步的深入研究［18-19］。本研究以秦巴山區(qū)一典型降雨誘發(fā)型堆積層滑坡作為研究對象，通過前期野外勘察總結了滑坡的發(fā)育特征，結合室內(nèi)試驗研究了滑帶土在大型直剪試驗下的剪切力學特性，并在此基礎上結合GeoStudio軟件綜合室內(nèi)試驗成果，揭示了典型降雨誘發(fā)型堆積層的滑坡機理。

1? 滑坡概況

研究滑坡體位于陜西省商洛市柞水縣的小嶺鎮(zhèn)羅莊三組〔見圖1（a）〕， 其地理位置為109°16′15.75″ E，33°34′35.04″ N。該滑坡是典型的降雨誘發(fā)型堆積層滑坡，曾于2021年9月29日下午2時發(fā)生滑動?；轮芙缛鐖D1（b）所示。

該滑坡位于坡體中下部，滑坡后緣呈圈椅狀，發(fā)育多級陡坎〔見圖2（a）〕，高約1.9 m，側(cè)邊界高約1.6 m，剪出口被滑體掩蓋。后緣陡坎發(fā)育數(shù)條拉張裂縫〔見圖2（b）〕，長度分布在5～20 m，寬度分布在8～20 cm，中下部發(fā)育多條剪切裂縫，寬度約3 cm，長約3 m，并有明顯沖溝發(fā)育〔見圖2（c）〕?；w主要為殘坡積層，主要巖性為第四系坡積碎石土，直徑大小約2 mm，厚度8～10 m?；虑熬壡衅陆ǚ浚驶略斐煞课菔軗p嚴重〔見圖2（d）〕，坡體上陡下緩;可見貫穿性凹型滑面，長約47 m，寬約16 m，滑坡區(qū)未見基巖出露。

通過野外實地勘察，繪制了滑坡的主剖面圖（見圖3），滑坡區(qū)地層主要為碎石土、千枚巖和板巖，坡腳處為滑坡堆積物，坡高50 m，主滑方向為159°。該滑坡呈現(xiàn)出長期蠕動變形的特征，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)當?shù)鼐用窠榻B，2021年，該滑坡曾發(fā)生過一次大規(guī)模滑動，近期當降雨較大時坡體也會產(chǎn)生溜滑，這是長期蠕動變形的結果。從滑面形態(tài)上來看，該滑坡抗滑力主要來源于滑體與滑床碎石土之間的黏聚力、摩擦力與建筑物的阻力。

2? 試驗研究

為獲取滑坡區(qū)滑帶土的力學強度參數(shù)，取堆積層滑坡滑帶土進行室內(nèi)力學試驗（見圖4）。由于碎石土的不均一特性，采用大型直剪試驗研究其物理力學性質(zhì)。

通過室內(nèi)試驗可知（試樣的試驗參數(shù)如表1所示），其干密度為1.52 g／cm3，天然含水率在8％～13％，因研究降雨作用下土的力學性質(zhì)，所以本次直剪試驗的樣品含水率設為5％，10％，15％和20％（此時已近于飽和狀態(tài)）。

2.1? 試驗設備

本試驗所采用的儀器設備為TT-ADS型全自動單聯(lián)直剪儀（見圖5），該設備經(jīng)過一系列的改良優(yōu)化，性能優(yōu)越，具有精確度高、試驗誤差小等特點。該設備主要由加載系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)與控制設備組成，其中，剪切盒設計為下盒固定、上盒受剪切裝置按一定速率推動剪切的方式。本次試驗選用的剪切盒尺寸為150 mm×150 mm×100 mm。

2.2? 試驗方案

對于滑帶土，試驗設置了5％，10％，15％和20％四種不同含水率及不同法向應力。在試驗階段，將這4組樣本分三到四層填裝在儀器盒內(nèi)，分層按壓，在不同法向應力σ作用下進行剪切。

鑒于樣品中40％左右的碎石成分，為了確保試驗準確，試驗開展前先對碎石的吸水量做了初步探索，發(fā)現(xiàn)碎石的吸水量較小，約5％含水率時已達到飽和，故在配置含水率時將碎石獨立進行配置［20］。

3? 試驗結果分析

3.1? 法向荷載對剪切力學特性的影響

通過不同含水率下，剪應力與剪切位移的關系曲線（見圖6）可以發(fā)現(xiàn)，在不同法向荷載下，試樣剪應力-位移曲線一般都具有峰值；有的沒有較明顯的峰值，是因為在較低法向荷載作用下，試樣中顆粒，較大部分由于受力不夠未能相互緊密咬合，與顆粒較小部分還沒有緊密接觸，形成了點面接觸或者點點接觸〔見圖7（a）〕的現(xiàn)象，此時試樣還存在體積膨脹的趨勢；高法向荷載作用時，試樣間結合緊密〔見圖7（b）〕，所以一般都具有較明顯的峰值。

3.2? 剪切強度與剪切位移的關系分析

圖6為研究區(qū)堆積層碎石土在不同含水率條件下的剪應力與位移關系曲線圖，圖6（c）、（d）中出現(xiàn)曲線點瞬時下移的特征，并在試驗進行中發(fā)出石子碰撞聲，這是由于試樣在試驗剪切過程中遇到光滑的石子，導致剪切應力迅速減小，或是試樣內(nèi)部某一部分發(fā)生石子錯動引起的。圖6（a）、（b）、（d）中的曲線呈現(xiàn)出高低起伏的V字形小型波動現(xiàn)象，是因為碎石土在剪切試驗中，堆積層碎石塊會發(fā)生相互作用，直接碰撞或者摩擦，當發(fā)生錯位或者損傷時，就會導致剪應力快速增大，當碎石塊完成錯位或者被影響消失的時候，其他部分的土石混合體會迅速充填并重組結構，其中攜帶著碎石塊損傷被剝離掉的部分，又恢復到之前的大?。ㄒ妶D8）。

綜合對比分析圖6可以看出，試驗樣品在試驗前期被剪切時，剪切應力隨剪切位移的增加而增大，近似呈線性關系;當試樣剪切位移達到一定程度時，剪切應力與剪切位移關系呈現(xiàn)出非線性關系，隨剪切位移的增大而緩慢增加，最終剪切應力可能會出現(xiàn)峰值，然后會維持定值，或出現(xiàn)剪切應力減小的現(xiàn)象。

在相同壓實程度、相同含水率的同一工況下，當法向荷載不斷增大時，剪切應力也相應隨之增大;在上述同一工況下，含水率與抗剪強度在數(shù)值變化上呈現(xiàn)負相關關系。

3.3? 抗剪強度分析

根據(jù)不同工況下剪切試驗得出的抗剪強度值如表2所示。

從表2中可以分析出：①比較DJ-1、DJ-2、DJ-3和DJ-4可以得出，當法向應力相同的情況下，抗剪強度隨含水率的增大而減?。ㄒ妶D9），水分對碎石土的抗剪強度影響較大，這是因為水分大大降低了堆積層碎石土顆粒之間的摩擦力，同時也將顆粒相互之間的咬合力大大減弱。②經(jīng)過一系列試驗，結果證實了碎石土抗剪強度隨著法向應力的增大而增大。③DJ-1、DJ-2、DJ-3和DJ-4各組試驗進行組內(nèi)比較可以看出，隨法向應力增大，其抗剪強度也會增大，且在未達到試樣飽和含水率時，抗剪強度會隨法向應力的增大呈相同比例增大，但當含水率過大時，抗剪強度會大幅度下降，該結果表明了強降雨條件下易發(fā)生地質(zhì)災害。

3.4? 強度指標與含水率關系特征

通過庫侖公式得出碎石土的強度特性既受細粒土的黏聚力影響，又受到大顆粒的咬合作用影響，還會因為摩擦強度而改變。

圖10為研究區(qū)小嶺鎮(zhèn)羅莊三組滑坡碎石土的內(nèi)摩擦角及黏聚力與含水率的關系柱狀圖。從圖10中可以看出，隨含水率增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角整體上都呈現(xiàn)出下降的趨勢，黏聚力存在短暫上升的緩沖區(qū)段，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。

1）當含水率在5％～20％（近飽和）變化時，其黏聚力在30.9～21.8 kPa變化，總降幅為29.4％，且在含水率為5％～10％時，碎石土的黏聚力隨含水率先小幅增大，然后隨含水率增加先緩慢減小，然后急劇減小；特別是在含水率為15％～20％時，黏聚力從28.7 kPa下降到21.8 kPa，黏聚力的降幅為24％。由此可知，含水率為15％～20％時，黏聚力降幅占總降幅的75.8％左右，說明水對于碎石土黏聚力的影響在這個含水率區(qū)間表現(xiàn)的尤為明顯。

2）對于內(nèi)摩擦角而言，整體來看，其隨含水率的增大而持續(xù)減小，整體的下降幅度大于黏聚力的下降幅度，從上限36.3 kPa下降到下限20.8 kPa，降幅約為42.7％，且與黏聚力相同的是，其降幅也在含水率為15％～20％時下降幅度最大，從27.8 kPa下降到20.8 kPa，占總降幅的45.1％。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因為：碎石土的黏聚力主要受碎石土中細粒成分所影響，具體表現(xiàn)為顆粒之間的相互引力、水膜結合力等［21］。當含水率從5％增加至10％時，由于顆粒之間的強結合水增多，使得土體顆粒愈加穩(wěn)定，從而導致黏聚力的小幅增大；當含水率繼續(xù)增大時，土體顆粒之間的強結合水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒之間的自由水，所以會導致黏聚力的持續(xù)減小。

內(nèi)摩擦角主要源于土體顆粒之間的相互作用，可分為滑動與滾動兩種模式。隨著含水率增大，顆粒之間的強結合水溢出，轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒間起潤滑作用的自由水，產(chǎn)生剪切軟化的現(xiàn)象，所以內(nèi)摩擦角會隨著含水率的增大而減小。

4? 數(shù)值模擬與滑坡機理分析

本研究選用GeoStudio有限元數(shù)值模擬軟件，以柞水縣小嶺鎮(zhèn)羅莊三組滑坡為研究對象，將斜坡工程地質(zhì)主剖面圖概化后，再建立數(shù)值模型，設定不同降雨工況，通過計算分析各工況下模擬的變化情況，從而揭示滑坡的變形機理。

4.1? 幾何模型及工況的建立

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖， 采用GeoStudio軟件進行數(shù)值模擬，模型高50 m， 長82 m， 共2 154個節(jié)點， 2 054個單元， 具體位置及幾何模型如圖11所示， 模型中材料分別為板巖、 千枚巖、 碎石土滑體及滑坡堆積物。 模型底部邊界條件設置為限制其XY方向的移動， 模型左側(cè)限制其X方向的運動。 根據(jù)柞水縣9.23特大暴雨的降水量設置模型的水力邊界， 同時綜合原位、 室內(nèi)試驗及前人對研究區(qū)巖土參數(shù)的研究成果確定了各模型的相關參數(shù)（見表3）， 以此獲得降雨過程中坡體孔隙水壓力、 變形、 應力及應變等特征的發(fā)展和變化過程。 本研究根據(jù)研究區(qū)的降雨情況， 選擇了4種降雨強度：? 0.02 m／d（小雨），0.08 m／d（大雨），0.12 m／d（暴雨），0.16 m／d（大暴雨），降雨歷時設定為1～5 d。

4.2? 滑坡滲流場分析

在降雨條件下，坡體淺層碎石土層由于滲透性好，雨水下滲較快，當下滲到與千枚巖巖層的交界面時，會因為二者滲透性差異而形成飽和區(qū)域；隨降雨時間的增長，孔隙水壓力不斷增大，飽和區(qū)域面積隨之增大〔見圖12（a），（b）〕；而下部基巖滲透性較差，雨水較難滲透，當降雨達到一定時間時，孔隙水壓力才開始緩慢變化。經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，當分別以0.02 m／d的強度降雨 4 d 和以 0.08 m／d 的強度降雨 1 d 時，二者降雨量總量相等，但后者飽和區(qū)域面積、孔隙水壓力略小〔見圖12（b），（c）〕。分析可得，對于等時降雨而言，當降雨強度小于坡體的入滲強度時，降雨強度越大，入滲水量越多;當降雨強度足夠大時，會形成大量坡面徑流與小部分地下徑流，坡體上部較容易達到飽和狀態(tài)，而低強長時降雨所形成的坡面徑流很小，水分入滲較為充分，可以從圖12（d）中觀察到，千枚巖巖層與板巖交界面有明顯的孔隙水壓力變化，產(chǎn)生了少量飽和紅色區(qū)域。

4.3? 滑坡位移場分析

羅莊三組滑坡的變形主要集中在滑帶的中上部碎石土層，推測其與滑坡后緣發(fā)育的裂縫有關?；略谄麦w中上部位移最為明顯，隨著降雨時長的增加，其位移明顯增大，當降雨時長從1 d增加到3 d時，坡體的最大位移從1.6 m增加到3.4 m〔見圖13（a，b）〕。

從圖13中可以看出，隨著降雨時間和降雨強度的增加，坡體位移顯著增大。從圖13（b），（c）可以看出，當降雨總量相同時，降雨強度影響更為顯著，變形更加明顯。

4.4? 不同降雨時長下滑坡穩(wěn)定性分析

圖14所示為不同工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化情況。由圖14可以看出，天然狀態(tài)下，滑坡較穩(wěn)定，系數(shù)均大于1；降雨時坡體逐漸失穩(wěn)，滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài)會受到雨強與時長的影響，穩(wěn)定性系數(shù)會在前一階段快速減小，而后漸漸趨于定值?；乱?0.02 m／d 降雨 5 d，0.08 m／d 降雨 4 d，0.12 m／d 降雨 3 d，0.08 m／d 降雨 2 d時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)減小到1以下，滑坡應力狀態(tài)改變，發(fā)生失穩(wěn)破壞。

滑坡機理分析：原始坡形如圖15（a）所示，由于上部堆積層結構松散，滲透性較好，而下部基巖一般滲透性較差，當發(fā)生降雨時，上部巖層含水率快速增加，滑體重度增加，下滑分力相應增加；同時地下水對滑體形成滲透壓力，在滑面附近形成潛水軟弱帶（滑帶），當滑帶的總下滑力大于抗滑力時，滑體產(chǎn)生變形，產(chǎn)生應力釋放和重分布。在土體含水量增加或飽和后易產(chǎn)生破壞，滑體變形較強烈，變形過程一般經(jīng)歷蠕動變形→加速變形→滑動破壞3個階段；當發(fā)生蠕動變形時，滑體局部發(fā)育小型沖溝，中上部有裂縫產(chǎn)生〔見圖15（b）〕；隨著降雨持續(xù)，出現(xiàn)次級臺坎，最終使上覆土體沿軟弱結構面產(chǎn)生整體滑動〔見圖15（c）〕，形成蠕滑-推移式破壞，坡體失穩(wěn)〔圖15（d）〕；再次降雨的情況下坡體還會繼續(xù)滑動。

5? 結論

1）在大型直剪試驗前期，剪切應力與剪切位移呈線性增長關系，后期剪切應力隨剪切位移的增大而緩慢增加，最終剪切應力大部分出現(xiàn)峰值，峰值過后曲線呈現(xiàn)上下小幅波動，部分曲線呈現(xiàn)剪切應力減小的現(xiàn)象。

2）當含水率相同時，隨著法向荷載不斷增大，剪切應力也相應隨之增大;當法向應力相同時，剪切應力隨著含水率的加大而減小，剪切應力與含水率在數(shù)值變化上呈現(xiàn)負相關關系。樣品中的水分大大降低了堆積層碎石土顆粒之間的摩擦力，同時也將顆粒相互之間的咬合力大大減弱，可見含水率對碎石土的抗剪強度影響較大。

3）降雨誘發(fā)型堆積層滑坡機理可以被歸納為：大氣降水滲入坡體之后，坡體重度增加，抗滑能力減弱；隨著降雨的持續(xù)，大量地下水在堆積層下部基巖頂面匯集并形成附加滲透壓力，加快了軟弱結構面裂隙的擴展和滑動面的貫通，最終使上覆土體沿軟弱結構面產(chǎn)生整體滑動，發(fā)生滑移破壞。

4）強降雨是誘發(fā)研究區(qū)滑坡的主要因素，建議對滑坡進行實時監(jiān)測，并對滑坡進行反壓抗滑、削方減重等工程治理措施，以確保下方居民的生命財產(chǎn)安全。

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（編? 輯? 雷雁林）