降雨型與地震型滑坡試驗研究

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)中國地震局地質研究所，北京 100029

0 引言

滑坡是一種嚴重的巖土體失穩現象，斜坡體的某一部分在適宜的地形地質條件下可能產生滑坡，但滑坡是否能發生，還需一些因素對坡體施加影響，這些因素可統稱為觸發因素。按照觸發因素，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、傳感器和數據采集器組成。傳感器將采集到的數據傳輸到數據采集器，再通過軟件將實驗數據導出。

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，通過調節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生時降雨所用時間及雨量。

2 降雨型滑坡試驗

通過對土質坡體進行降雨實驗，得出不同坡度下降雨誘發滑坡的臨界降雨量，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變化，分析降雨對土質滑坡體的破壞影響機制。

降雨實驗所取用土樣的力學性質參數如表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地噴灑在實驗斜坡體上。實驗記錄下滑坡發生時所用的降雨時間和降雨量。降雨滑坡實驗所得實驗數據如表2所示。

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

表1 土樣力學性質參數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數據可以發現，隨著坡度的增大，誘發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，兩者呈冪指數函數關系，可以看出，臨界降雨量隨坡度變大而迅速降低。坡度在10°～30°區間內，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，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生。

2.3 降雨對土質坡體的破壞影響機制

降雨實驗過程中發現，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時，含水率就會趨于穩定，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律。

實驗分土質斜坡和巖質斜坡。土質邊坡模型所用的材料為松散的黏土，經夯擊壓實成形。巖質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)。其巖石力學性質參數如表3所示。

表3 坡體巖石力學性質參數Table 3 Mechanical property parameters of rock slope

3.1 土質和巖質坡體對振動的響應

對土質和巖質坡體分別進行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《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。

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

巖質坡體對振動的響應為:首先在頂部產生一些豎向拉裂縫(宋娟等，2009)，兩側沿著某些結構面也產生一些細小的裂縫。隨著振動的持續，裂縫的規模開始擴大，在主裂縫的底端開始出現近水平的拉裂面，同時主裂縫外側的巖土體內裂縫增多，并迅速發展，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，最后整體失穩破壞(圖5右)。

3.2 振動輸入方向對坡體破壞的影響

將斜坡板的角度調節為30°，在中等振動強度、振動時間為5s的條件下，分別對巖質和土質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

通過實驗對比發現，僅豎向振動一般難以使斜坡產生明顯的變形破壞，而同樣大小的水平振動卻能使斜坡產生劇烈的變形破壞，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、巖土體強度和結構面的影響很大。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構面時，坡體很易發生拉裂破壞。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、巖質坡體滑坡初動時間Table 5 The initial motion time of landslides in soil and rock slopes under different slope angles

圖5 土質和巖質坡體破壞形態圖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)以上條件下發生，記錄下土質和巖質坡體不同坡角下(10°、20°、30°和45°)滑坡初動所用振動持續時間，實驗數據如表5所示。可以看出，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，坡度是滑坡發生的主要控制因素。

圖6為在中等振動強度條件下土質和巖質坡體坡度與滑坡初動時間關系圖，兩條曲線形態相似，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

受試驗結果啟發，對汶川地震型滑坡進行了統計比對，發現汶川地震型滑坡絕大多數是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級特大地震誘發的大小滑坡約1 200多處，新產生的滑坡和不穩定斜坡達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是地震滑坡的高發區域。成都市國土資源局調查統計了該區域在地震期間不同震級下、不同坡度的滑坡發生的次數(喬建平等，2009)(圖8)，圖8中可看出，當震級達到4級時，地震引發的滑坡數量明顯增加。大部分滑坡都集中在30°～55°，坡度越陡越容易發生滑坡。汶川地震的余震持續不斷，據地震局統計(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定的坡體造成新的滑坡災害。

圖6 土質與巖質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.

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

4 結論

4.1 降雨型滑坡

對不同坡角的土質邊坡進行了分時段降雨實驗，得到了不同坡角下降雨誘發滑坡的臨界降雨量。發現坡度與滑坡臨界降雨量呈冪指數關系，坡度越大，誘發滑坡所用的臨界降雨量越小。

4.2 地震型滑坡

(1)土質坡體對振動的響應:坡體頂部產生豎向的拉裂縫，坡體的兩側也產生豎向的小裂縫;裂縫的規模不斷擴大，最后土體沿著裂縫開始垮落。巖質坡體對振動的響應:頂部產生豎向拉裂縫，兩側結構面處產生細小的裂縫，裂縫的規模不斷擴大，主裂縫底端出現近水平的拉裂面，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，土質坡體較巖質坡體易發生滑坡;在坡度＞25°的情況下，巖質坡體更易發生破壞。

(4)對汶川地震滑坡進行的統計分析發現，該地區大多數滑坡都由4級以上地震引起，滑坡的坡度主要集中在30°～50°，坡度越陡越易發生滑坡;當地震震級≥4級時，該地區坡度＞30°的坡體易發生滑坡，應加強對此類邊坡的防治處理。

陳朝玉，黃文輝，譚華.2010.振動對松散含煤夾層順層邊坡穩定性影響的模型研究［J］.礦業工程研究，25(2):29—32.

CHEN Chao-yu，HUANG Wen-hui，TAN Hua.2010.Model experimental study of the effect of vibration on the soft coal sandwich bedding slope stability［J］.Mineral Engineering Research，25(2):29—32(in Chinese).

程圣國，羅先啟，方坤河.2002.土質滑坡相似材料試驗設計理論及評價方法研究［J］.水力發電，(4):21—23.

CHENG Sheng-guo，LUO Xian-qi，FANG Kun-he.2002.The test and design theory of the similar materials of soil-type landslide and the study on its assessment method［J］.Water Power，(4):21—23(in Chinese).

樊曉一，張友誼，楊建榮.2012.汶川地震滑坡發育特征及其影響因素［J］.自然災害學報，21(1):128—134.

FAN Xiao-yi，ZHANG You-yi，YANG Jian-rong.2012.Developmental characteristics and influence factors of landslides in Wenchuan earthquake［J］.Journal of Natural Disasters，21(1):128—134(in Chinese).

高曉斐，陳植華，安琪.2007.降雨對斜坡失穩的影響作用探討［J］.地下水，29(1):85—87.

GAO Xiao-fei，CHEN Zhi-hua，AN Qi.2007.Discussion on effect of unstable landslide by rainfall［J］.Ground Water，29(1):85—87(in Chinese).

龍萬學，吳俊，傅鶴林.2008.降雨型滑坡現場模擬試驗研究［J］.貴州工業大學學報(自然科學版)，37(3):20—23.

LONG Wan-xue，WU Jun，FU He-lin.2008.Research on on-site simulation test of landslide by artificial rainfall［J］.Journal of Guizhou University of Technology(Natural Science Edition)，37(3):20—23(in Chinese).

羅先啟，劉德富，吳劍，等.2005.雨水及庫水作用下滑坡模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，24(14):2476—2483.

LUO Xian-qi，LIU De-fu，WU Jian，et al.2005.Model test study on landslide under rainfall and reservoir water fluctuation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，24(14):2476—2483.

宋娟，賀海斌.2009.疊溪地震滑坡振動臺試驗研究［J］.建筑科學，25(5):36—40.

SONG Juan，HE Hai-bin.2009.Study on vibration table test of Diexi earthquake landslide ［J］.Building Science，25(5):36—40(in Chinese).

孫萍，殷躍平，吳樹仁，等.2009.高速遠程地震黃土滑坡發生機制試驗研究［J］.工程地質學報，17(4):449—454.

SUN Ping，YIN Yue-ping，WU Shu-ren，et al.2009.An experimental study on the initiation mechanism of rapid and long run-out loess landslide caused by 1920 Haiyuan earthquake［J］.Journal of Engineering Geology，17(4):449—454(in Chinese).

喬建平，蒲曉虹，王萌，等.2009a.大地震誘發滑坡的分布特點及危險性區劃研究［J］.災害學，24(2):25—29.

QIAO Jian-ping，PU Xiao-hong，WANG Meng，et al.2009a.A study on characteristics of distribution of earthquake-induced landslides and hazard zoning［J］.Journal of Catastrophology，24(2):25—29(in Chinese).

喬建平，蒲曉虹，王萌，等.2009b.汶川地震滑坡的分布特點及最大震中距分析［J］.自然災害學報，18(5):10—15.

QIAO Jian-ping，PU Xiao-hong，WANG Meng，et al.2009b.Analysis of distribution characteristics of landslide induced in Wenchuan earthquake and relevant maximum epicenter distance［J］.Journal of Natural Disasters，18(5):10—15(in Chinese).

魏麗.2005.暴雨型滑坡災害形成機理及預測方法研究［D］:［學位論文］.南京:南京信息工程大學.1—5.

WEI Li.2005.Study on mechanism and predicting method of landslide hazard triggered by extremely heavy rainfall［D］.Ph D thesis.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing.1—5(in Chinese).

校小娥.2010.地震作用下滑坡穩定性分析:以八浪溝滑坡為例［D］:［學位論文］.成都:西南交通大學.29—31.

XIAO Xiao-e.2010.Dynamic and stability of landslide under earthquake loading—Taking Balangguo landslide as an example［D］.Master degree thesis.Southwest Jiaotong University，Chengdu.29—31(in Chinese).

許強，陳建君，馮文凱，等.2009.斜坡地震響應的物理模擬試驗研究［J］.四川大學學報(工程科學版)，41(3):266—272.

XU Qiang，CHEN Jian-jun，FENG Wen-kai，et al.2009.Study of the seismic response of slopes by physical modeling［J］.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition)，41(3):266—272(in Chinese).

楊文東.2006.降雨型滑坡特征及其穩定分析研究［D］:［學位論文］.武漢:武漢理工大學.23—25.

YANG Wen-dong.2006.Study on the characteristics and stability analysis of rainfall-induced landslides［D］.Ph D thesis.Wuhan University of Technology，Wuhan.23—25(in Chinese).

于玉貞，李榮建，李廣信，等.2008.飽和砂土地基上邊坡地震動力離心模型試驗研究［J］.清華大學學報(自然科學版)，48(9):1422—1425.

YU Yu-zhen，LI Rong-Jian，LI Guang-xin，et al.2008.Experimental study on centrifuge model dynamic behavior of slopes with saturated subgrades during earthquakes［J］.J Tsinghua Univ(Sci＆ Tech)，48(9):1422—1425(in Chinese).

左雅婭，馮文凱.2011.土質邊坡震裂機制物理模擬研究［J］.工程地質學報，19(1):21—28.

ZUO Ya-ya，FENG Wen-kai.2011.Physical smulation on genetic mechnism of rupture in soil slope under earthquake［J］.Journal of Engineering Geology，19(1):21—28(in Chinese).