基于土工離心模型試驗的平緩堆積層滑坡形成機理——以四川南江七嶺村滑坡為例

王維早, 許　強, 鄭海君

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；

2.石家莊經濟學院 勘查技術與工程學院,石家莊 050031)

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基于土工離心模型試驗的平緩堆積層滑坡形成機理
——以四川南江七嶺村滑坡為例

王維早1,2, 許強1, 鄭海君1

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；

2.石家莊經濟學院 勘查技術與工程學院,石家莊 050031)

[摘要]2011年9月16日，四川省南江縣特大暴雨誘發了1 571處滑坡，造成眾多人員傷亡和財產損失。在這些滑坡中65%以上是堆積層滑坡。為了探討南江縣平緩堆積層邊坡的滑動失穩機制，作者利用大型離心模型試驗，再現了強降雨引起紅層地區堆積層邊坡的滑動失穩的全過程，獲得了邊坡變形破壞的特征參量。試驗結果表明:天然情況下，邊坡變形以沿基覆界面軟弱層的蠕滑為主，坡體總體處于蠕滑變形狀態；降雨情況下，坡體中后部拉張破裂變形顯著，并最終產生整體滑動。通過模型和原型的綜合對比分析，該邊坡的滑動失穩機制為以蠕滑拉裂為基礎、暴雨形成的裂隙靜水壓力為觸發滑動的力學動因。

[關鍵詞]滑坡；離心模型試驗；失穩機制；南江縣

Study on formation mechanism of gradual accumulation landslide

七嶺村滑坡位于四川省南江縣境內，所處地勢相對比較平緩，坡度在10°～20°，一般認為這類地形是不會發生滑坡，甚至大規模的群發性滑坡的。但在強降雨作用下,南江縣平緩紅層地區卻屢見大規模群發性滑坡, 可見其形成原因是獨特的，因而對獨特的成因機理進行研究具有非常重要意義。

離心模型試驗由于能夠模擬在重力場作用下邊坡的變形過程，很好地揭示滑坡的形成機理，因而在邊坡工程中的應用逐步得到推廣[1-7]。離心模型試驗的優點主要有：模型結構與原型結構在應力、應變、變形規律和破壞機理等方面有著相似性，成為設計驗證和方案比選的常用工具,也成為探討土與結構相互作用機理的有效手段[8-11]。

本文以四川省南江縣七嶺村滑坡為例，進行大型土工離心模型試驗，以期揭示邊坡變形破壞的規律及其運動過程，為現場防災減災提供參考。通過對七嶺村滑坡的變形特征、成因機制及防治措施的研究，為該類滑坡災害的防治及監測預警提供依據。

1滑坡區工程地質條件

1.1地形地貌與地質

勘查區屬于中低山地貌，區內地勢總體上北底南高，一般海拔高度為878.3～1 421.3 m；滑坡區地勢為一緩傾單面山，地形坡度為10°～18°，局部最大為25°，地形起伏較小。

滑坡區內新構造運動不發育，七嶺村境內未見斷層通過，構造對七嶺村滑坡影響不大。

七嶺村的地層是第四系殘坡積松散堆積層覆蓋在蒼溪組之上。第四系松散堆積體結構松散，分選差，孔隙大，滲透性強，為水的滲流提供了良好的通道，易于地表水、地下水滲流。劍門關組的產狀比較緩，傾角為10°～20°，但層面比較光滑，且滲透性較差，在強降雨或者持續降雨作用下，第四系松散堆積與基巖接觸的部位很容易達到飽和狀態，其抗剪強度大幅度降低，極容易形成滑坡。

1.2氣象及水文地質

南江縣是北亞熱帶濕潤季風氣候。區內氣候溫和,降水豐沛,多年平均氣溫為16.2℃,最高為38.2℃,最低為-6.5℃,年降雨量為1 198.7 mm,雨量集中,85%的降水集中于5—10月份。七嶺村滑坡發生于2011年9月18日，滑坡發生時的降雨情況如圖1。七嶺村2011年7月實測降雨量為440.9 mm，9月份實測降雨量為720.6 mm，其中7月6日降雨量為195.8 mm，9月6日降雨量為117.9 mm，17日降雨量為250.4 mm。

滑坡區主要發育有第四系孔隙水和紅層裂隙水，第四系孔隙水賦存于松散巖類零星分布的河漫灘、河流階地及斜坡上；紅層裂隙水則主要是松散巖類中的孔隙裂隙水。

2滑坡特征

2.1滑坡體形態

滑坡左側、右側以溝為界，后緣以陡壁為界，前緣以溝為界，滑坡體在平面上呈“舌狀”(圖2)。從地形地貌上看，滑坡上部滑床出露，中部及下部是滑坡堆積體，中部中間位置呈凹形，滑坡周界非常明顯。滑坡后緣海拔高度為990～995 m，前緣為900 m，前后緣相差約90 m；前緣剪出口海拔高度為920～930 m；滑體表面坡度較緩，一般為10°～18°，局部最大達到25°；滑坡縱向長357 m，橫向長90 m，面積約為32 000 m2，滑坡體上部的主滑方向為335 °，下部主滑方向為30°，滑向前緣的溝谷；厚度為1～6 m，平均約為3 m；滑坡體積約為100 000 m3。從剖面上看(圖3)，基本呈一直線型。該滑坡屬松散堆積物滑坡，滑體為第四系殘坡積和崩積碎塊石土，滑面形態呈直線形。

圖1　七嶺村2011年7月至9月降雨量Fig.1　The rainfall of Qiling during July to September of 2011

圖2　滑坡邊界Fig.2　Boundary of the Qiling landslide1.滑坡邊界； 2.滑坡亞區邊界； 3.主滑方向； 4.剖面線及編號

2.2滑面特征

據野外調查取樣顯示，七嶺村滑坡的滑帶基本位于紫紅色殘坡積粉質黏土層中。該層中包含全風化巖石角礫、石英、云母片等，為殘積、碎塊石土與基巖的接觸層，局部滑帶土不均勻，切面粗糙，有揉搓或擦動痕跡；手捏有滑膩感，很濕，處于軟塑-流塑狀態。滑面(帶)中部埋深大，前后部較小，縱剖面上呈折線型(圖3)，略有起伏。

2.3滑床特征

野外調查顯示，七嶺村滑坡的滑床所處地層為蒼溪組。滑坡上部滑床出露(圖4)，滑床為紫紅色泥巖。在滑床上覆蓋一層約5 mm的土，具有明顯的擦痕，表明是滑體滑動以后殘留在滑床上的。這部分滑床分為2部分，上部滑床的產狀為335°～341°∠15°～17°,下部滑床的產狀為337°～341°∠17°～21°，上部滑床稍緩，下部滑床稍陡。在滑床的兩側是土體覆蓋層，厚度為30～150 cm；滑體后緣是土體覆蓋層，厚度為90 cm，其上有大塊石，直徑為0.5～3 m，此塊石可能是以前崩滑的產物。據野外踏勘結果分析，滑床縱向呈直線型，局部有起伏；橫向也呈直線型，局部稍有起伏；兩側幾乎對稱，并且兩側埋深也幾乎相同。

圖3　七嶺村滑坡Ⅰ-Ⅰ縱剖面實測剖面圖Fig.3　Longitudinal measured profile of Qiling landslide

圖4　滑坡后緣出露的滑床Fig.4　The sliding beds revealled on the Qiling landslide back margin(A)滑坡上部出露的滑床; (B)滑坡中上部出露的滑床

2.4滑體特征及物質組成

滑體長約357 m，寬約90 m。該滑坡體在厚度分布上具有縱向上薄下厚的特點，在橫向具有兩側厚中間薄的特點(圖5)。滑體上部形成大小不一的堆積體，土體變動痕跡明顯，像耕地翻過一樣。在滑坡的中下部水稻田中有大量的裂隙，裂隙的走向為95°，寬度為5～75 cm；局部有塌陷槽，塌陷槽寬度為4.2 m。滑體上有大漂石，證明此滑體是古滑體再次滑動。滑體中部形成錯動有序的小平臺。滑體前緣有陡坎，坎高約20 m；滑體滑動方向45°，前緣的樹木向50°方向傾倒，有土體從上面滑過的痕跡。

滑體從表向里分別是第四系耕植土和殘坡積松散堆積層，耕植土厚20～30 cm，殘坡積松散堆積層厚120～450 cm。殘坡積松散堆積層為塊碎石土，由角礫土和砂土充填，紫紅色-黃褐色。塊石含量(體積分數)為30%～50%，粒徑為20～100 cm；碎石的體積分數為10%～20%，粒徑為2～20 cm，分選及磨圓性差；角礫、砂土及粉質黏土的體積分數為40%～50%。塊碎石巖性主要為紫灰色、淺灰色、灰白色細砂巖及淺灰色、灰白色中-細粒長石石英砂巖，偶見紫紅色的粉砂質泥巖，與周圍出露的基巖一致。

圖5　七嶺村滑坡Ⅱ-Ⅱ橫剖面實測剖面圖Fig.5　The measured profiles of the Qiling landslide

3離心機模型設計

3.1相似關系及模型大小

3.1.1相似關系

離心模型的相似比為n，表1是模型與原型主要物理量的相似比，在模型制作時，模型的物理量要嚴格按照相似比來制作。

表1　離心模型與原型的相似比(模型比尺為n)

3.1.2模型大小

本試驗以模型大小(滑體厚度)、質量密度為控制量，滑坡的滑源區長約350 m，滑體的平均厚度約3～5 m，建立概念模型。綜合考慮模型大小和原型條件，確定幾何相似系數為50，設計模型長150 cm，滑體高均為10 cm，模型寬均為50 cm。

3.2模型材料

滑床材料：南江縣堆積層滑坡滑床為棕紅、紫紅色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖及厚—塊狀中—細粒長石石英砂巖、巖屑砂巖、礫巖，本文采用磚和水泥砂漿來模擬。由于基巖重度對滑坡基本無影響，則對基巖重度無特殊要求。

滑體材料：使用滑坡現場的土體，按照現場土體的顆粒級配進行滑體材料配比，并在實驗室對配比材料進行物理力學試驗，求出最優含水率，盡量使滑體材料和軟弱層的力學參數與野外的滑體相接近(表2)。

3.3傳感器布置方案

本次模擬試驗擬在滑坡后緣、中部和前緣布設11個微型傳感器(圖6)。

表2　滑體及軟弱層材料力學參數

圖6　傳感器布置圖Fig.6　Layout of the sensor

3.4模型制作

在模型箱的一側壁粘貼模型大小設計觀測網格，作為基巖澆筑和填筑體制作及傳感器布置的參照。

滑床制作：用磚和水泥砂漿堆砌滑床，滑床長150 cm，寬0.45 m，后緣高0.55 m，前緣高0.1 m，滑坡的坡角18°。滑床表面用水泥砂漿抹平，略平滑，對基巖進行養護。

滑體與軟弱層制作：在滑床表面制作軟弱層，將孔隙水壓力計、土壓力計和土壤含水率計安裝在軟弱層表面，然后進行滑體的制作。在制作滑體時，進行分層制作，每層的厚度控制在<20 mm，并以原型的天然密度作為模型的質量控制指標。模型制作完成后，將位移標志布置在模型的表面(圖7)。

圖7　制作完畢的模型Fig.7　The model after making(A)模型側視圖; (B)模型正視圖

3.5離心機試驗儀器

本試驗是在地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)的大型土工離心模型試驗裝置 TLJ-500 型土工離心機上完成的。該離心機的最大容量：500gt(g為重力加速度,g=9.806 65 m/s2)，在國內目前是最大的，最大加速度值：250g，其主要技術參數見文獻[7,11]。本次試驗選用長扁大模型箱，其長×寬×高=1.65 m×0.68 m×1.28 m。

3.6試驗工況及過程

本次離心機試驗過程分為以下3個步驟：(1)天然工況：離心加速度從0g(g為重力加速度，下文皆同)加速至50g，并保持50g旋轉10 min后停止試驗。(2)第一次降雨工況：離心加速度從0g加速至50g，在50g時進行降雨，并保持2 min后停止試驗。(3)第二次降雨工況：離心加速度從0g加速至50g，在50g時進行降雨，并保持5 min后停止試驗。

3.7試驗結果分析

圖8　圖釘布置示意圖Fig.8　Layout of the installing pins

本次模擬在模型表面共安裝了10排圖釘,從模型箱的后部每排間隔10 cm，每排安裝8個圖釘，每2排相鄰圖釘的間距是5 cm(圖7、圖8)，用圖釘來標記滑坡表面的變形情況。滑坡滑帶處的位移監測可根據傳感器變動的位移來確定。

3.7.1邊坡破裂及失穩特征

天然工況下，當加速度達到50g后，細小的裂縫在坡體后緣開始產生；但在試驗過程中沒有發生滑動破壞現象。停機后量測坡面的裂縫，其統計結果如圖 9和圖10 所示。由圖9和圖10可知，在坡面中后部發育有 2 條裂縫帶，裂縫延伸方向與滑坡走向大體平行，呈弧形分布，是拉張裂縫，沒有下錯特征。其張開度為 1～3 mm，橫向長度 8～10 cm。通過對坡面的變形特征詳細研究，認為該類邊坡破壞模式為：沿基覆界面發生剪切蠕滑，引起坡體后部拉裂破壞，即蠕滑-拉裂模式。

圖9　天然工況下滑坡后緣的裂隙Fig.9　Fractures of the landslide back margin under the natural conditions

圖10　天然工況下坡面裂縫平面示意圖Fig.10　Schematic planar of the fractures under the natural conditions

圖11　第一次降雨工況下坡面裂縫平面示意圖Fig.11　Schematic planar of fractures under the natural conditions after the first rain

在第一次降雨工況下，離心加速度從0g加速至50g，在50g時進行降雨，并保持2 min后，停機對坡面裂縫統計，其結果如圖11和圖12。由圖11和圖12可知，在坡面中后部發育 7條裂縫帶，坡面的裂縫已經向內部延伸，裂縫橫向延伸方向與滑坡走向大體平行，多呈弧形分布，是拉張裂縫，沒有下錯特征。其張開度為 1～5 mm，橫向長度為 5～15 cm。

圖12　第一次降雨工況下滑坡后緣的裂隙Fig.12　Fractures of the landslide back margin under the natural conditions after the first rain

在第二次降雨工況下，離心加速度從0g加速至50g，在50g時進行降雨，降雨進行到3 min時，坡體突然出現了整體滑動現象，其整體滑動后破壞情況如圖13所示。

3.7.2邊坡破壞滑動位移特征

滑體滑動后圖釘的位移如圖14所示，第一排至第七排滑動的距離依次是39 cm、40 cm、42 cm、44 cm、45 cm、45 cm、45 cm。其余的圖釘由于降雨較大，已被雨水沖走。

傳感器從前緣起依次為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和11，其滑動的距離如圖15所示。從圖15可以看出，這11個傳感器都產生了滑動，但各傳感器滑動距離不相同。總的來說，滑體下段滑動的距離小，中下段-中上段滑動的距離最大，上段滑動的距離次之。據滑帶中傳感器滑動的距離可知，該類滑坡是沿著基覆界面在滑動，這和野外考察結果是吻合的。

圖13　滑坡最終破壞形態Fig.13　The failure pattern of the landslide

圖14　滑體表面圖釘滑動距離Fig.14　The sliding distance of the pins

圖15　傳感器滑動距離Fig.15　The sliding distance of the sensor

4緩傾角堆積層邊坡失穩機理

由試驗可知，基覆界面處的軟弱層對緩傾角堆積層邊坡的變形破壞起控制作用，未降雨時，模型底部剪切蠕滑變形在緩慢進行。由此可見，基覆界面處的軟弱層是該邊坡失穩的內在因素，在重力場作用下，基覆界面處的軟弱層產生蠕滑是該類邊坡變形破壞的主要原因，其滑動模式是蠕滑-拉裂模式。

試驗表明，在未降雨時，在加速度作用下，坡體后緣產生少量的裂縫。降雨作用下，雨水從裂隙滲入坡體，直至基覆界面。由于基覆界面是不透水層，大量的雨水在基覆界面處匯集。現場勘察也揭示坡體中特別是基覆界面附近地下水豐富。雨水引起基覆界面處的軟弱層含水率發生變化，降低了該層土體的強度，在很大程度上降低了邊坡的穩定性。降雨引起土體中孔隙水壓力變化，導致土體的基質吸力降低，最終在土體達到完全飽和時，基質吸力降低為零，降低了土體的抗滑力，從而降低了堆積層邊坡的穩定性。雨水的滲入使邊坡由非飽和狀態逐漸達到飽和狀態，在水的作用下邊坡土體很容易被軟化，同時會使孔隙水壓力升高及土體重量增加，在這多重作用下，邊坡產生滑動破壞。

該試驗較好地重現了緩傾角堆積層邊坡的滑動過程，試驗結果與原型在變形破壞、滑動過程等方面相吻合。由試驗可知，該邊坡的失穩是由于基覆界面處的軟弱層所引起的。該邊坡的滑動機制可概括為：以蠕滑拉裂為基礎、暴雨形成的裂隙靜水壓力為觸發滑動的力學動因。

5結 論

a.南江縣七嶺村滑坡都是淺表層順層土質滑坡，坡體是第四系崩坡積層，滑床都是蒼溪組的淺灰、灰紫色塊狀中細粒長石砂巖、巖屑長石砂巖夾棕色泥巖和粉砂巖。七嶺村滑坡在滑動前后緣沒有拉裂縫，降雨沿堆積層表面的裂縫入滲，進入相對不透水的基覆界面，在土-巖接觸面上匯流貫通，形成滯水，滑帶土體完全飽和，軟化，強度大幅度降低，從而使得坡體穩定性大為下降。滑坡體前緣有一條小溝，形成滑坡的臨空面，有利于滑體的滑動。滑坡是牽引式滑坡。

b.離心模型試驗較好地重現了南江縣七嶺村滑坡的變形破壞過程，在變形破壞、滑動方式等方面，試驗結果與原型相吻合。該邊坡失穩過程中具有的推移式剪切蠕滑、后部拉裂、整體滑動等特征都在離心模型試驗中得到了很好的驗證。

c.南江縣七嶺村滑坡的滑動失穩受基覆界面附近的軟弱層和強降雨的控制。在強降雨作用下，水沿著裂縫進入基覆界面，引起邊坡滑動。該滑坡的滑動機制可概括為：以蠕滑拉裂為基礎，暴雨形成的裂隙靜水壓力為觸發滑動的力學動因。

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[第一作者] 牛文林(1979-)，男，博士研究生，研究方向：地質工程, E-mail:nwlin@163.com。

based on centrifugal model tests: A case study of

Qilingcun landslide in Nanjiang, Sichuan, China

WANG Wei-zao1,2, XU Qiang1, ZHENG Hai-jun1

1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityof

Technology,Chengdu610059,China;

2.CollegeofProspectingTechniques,ShijiazhuangUniversityofEconomics,Shijiazhuang050031,China

Abstract:The Nanjiang rainstorm induced 1571 landslides, causing many casualties and property losses on September 16, 2011. More than 65% of these landslides are the debris accumulation landslides. They slide mainly along the base cover interface. In order to explore the sliding instability mechanism of the gradual accumulation slope in Nanjiang, the authors simulate the whole landslide process and the characteristic parameters of deformation under rainfall by centrifugal model tests. The centrifugal model test results indicate that the deformation is mainly the slope creeping of the soft layer and the slope appears creeping state. Under natural conditions, the tensile fractures of the rear of the slope body are obvious and finally the slides occur under rainfall. Comparing the model test with the prototype test, it is found that the sliding mechanism of the slope is based on the creep cracking basis and the fissure hydrostatic pressure formed by rainstorm is the mechanics to trigger a sliding.

Key words:landslide; centrifugal model test; sliding mechanism; Nanjiang County

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(41172279, 41230635); 交通運輸部西部交通建設科技項目(20113188051090)。

[收稿日期]2015-03-25。

[文章編號]1671-9727(2015)06-0658-07

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.03

[文獻標志碼][分類號] P642.22 A