地震后降雨作用下堆積體滑坡模型試驗研究

姜鑫　刁顯鋒　任永忠　楊校輝　胡飛

摘要： 為研究震后降雨作用下堆積體滑坡的災變機理、裂縫發展規律、滑坡啟動時間等問題，以甘肅省舟曲縣江頂崖滑坡為對象，采用振動臺及人工降雨模型試驗，開展4組相同地震烈度不同降雨強度的震后降雨試驗。研究結果表明：（1）地震作用使坡體發生剪切破壞，震后降雨工況坡體呈現土體流失的浸蝕破壞，在坡腳處產生明顯的剪出口，震后降雨作用誘發堆積體滑坡發生局部失穩。（2）地震作用使坡體中部產生剪切裂縫與錯臺，后緣處產生“圓弧狀”張拉裂縫，在后期降雨中，裂縫變形隨降雨強度增大而加劇，并在降雨中期發生突變變形。（3）地震烈度相同的情況下，滑坡啟動時間與降雨強度呈指數函數關系，土體沉降變形與降雨強度呈對數函數關系。研究成果可為堆積體滑坡在震后降雨作用下的預警及防治提供參考。

關鍵詞： 堆積體滑坡; 震后降雨作用; 滑坡啟動時間; 破壞機理; 模型試驗

中圖分類號： TU413.6文獻標志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0801-09

DOI：10.20000/j.1000－0844.20211008003

Model tests on accumulation landslides during post－earthquake rainfall

JIANG Xin DIAO Xianfeng2， REN Yongzhong3， YANG Xiaohui2， HU Fei2

Abstract：? This study aims to explore the disaster mechanism， fracture development behavior， and initiation time of accumulation landslides during post－earthquake rainfall， taking the Jiangdingya landslide in Zhouqu County， Gansu Province， as an example. Four groups of post－earthquake rainfall tests with the same seismic intensity and different rainfall intensities were performed using a shaking table and an artificial rainfall model. The results revealed the following： （1） The earthquake causes shear failure of the slope， which is eroded by soil loss due to post－earthquake rainfall， with an obvious shear outlet at the slope foot. Thus， post－earthquake rainfall induces local instability in the accumulation landslide. （2） The earthquake causes shear cracks and dislocations in the middle of the slope and “arc－shaped” tensile cracks at the rear edge. During post－earthquake rainfall， the crack deformation intensifies with an increase in rainfall intensity， and sudden deformation occurs during the rainfall. （3） Given the same seismic intensity， there is an exponential relationship between the initiation time of the landslide and the rainfall intensity and a logarithmic relationship between the soil settlement deformation and the rainfall intensity. The results presented in this paper can provide a reference for the early warning and prevention of accumulation landslides during post－earthquake rainfall.

Keywords： accumulation landslide; post－earthquake rainfall effect; landslide initiation time; failure mechanism; model test

0 引言

甘肅省舟曲位于西秦嶺構造帶南側，構造運動強烈、地震多發，在地震作用下，巖土體被震裂，碎裂巖體沿坡面滑動或經風化作用形成堆積體;降雨作用下，坡表徑流及滲入作用導致裂縫產生并使其進一步發展，當坡內形成貫通的裂縫，雨水更易到達坡體軟弱面，導致滑坡大量發生。該種堆積體滑坡受構造、地層、氣象水文環境以及人類活動等多因素影響，災變機理復雜、防治較為困難。

滑坡機理研究一直是滑坡災害研究的核心難題和熱點問題，不少學者采用多種方法研究了滑坡失穩破壞機理［1－3］。其中，物理模型方法在研究不同誘因［4－6］作用下的滑坡破壞機理、破壞過程等方面應用較為廣泛。蘇燕等［7］通過建立室內人工降雨滑坡試驗模型，從降雨強度入手，模擬降雨型滑坡的發生過程，探求降雨強度對降雨型滑坡的影響機理。Sako等［8］以Shirasu砂土進行了暴雨引發兩個不同密度層土坡失穩的室內模型試驗。于一帆等［9］利用大型振動臺模型試驗，探究了震后邊坡再次承受振動荷載的能力以及地震垂直分量對坡體穩定性的貢獻。肖銳鏵等［10］采用振動臺物理模擬試驗手段，從改變模型的坡度和坡頂寬度、軟巖硬巖結合、階梯狀坡形等角度，較系統地研究了雙面坡在強震作用下的響應規律。但是近年來，部分學者研究發現其他影響也可導致滑坡災害的發生。杜強等［11］運用模型試驗，發現雨水在坡體內部不同位置的流動和累積，是土體發生滑坡的主要原因。周月等［12］利用物理模型試驗，探究了滑塊組成物質粒徑、塊體體積、試塊數量對滑坡運動特性的影響。不難發現，已有的模型研究從降雨強度、地震烈度、滑坡坡度、坡體形狀、誘因作用位置、土體組成等單一因素的角度研究滑坡破壞機理，但在滑坡誘因多樣性導致的災變機理復雜性方面研究成果不多。

事實上，已有學者注意到地震與降雨組合作用也是誘發滑坡災害的重要因素之一。尹小軍［13］針對黃土邊坡模型進行了大型模型試驗，驗證了降雨與地震耦合作用下黃土邊坡破壞位移特征。王蘭民等［14］通過物理模型試驗，研究了地震和降雨耦合作用下黃土邊坡的動力響應特征。蒲小武［15］以振動臺為主要研究手段，開展了地震和降雨耦合作用下黃土邊坡失穩研究。顯然，上述學者對地震與降雨組合作用滑坡的研究主要集中于黃土類滑坡的穩定性分析和動力響應機制兩方面。但是，利用物理模型試驗研究典型震后堆積體滑坡在不同降雨強度作用下的破壞機理、裂縫發展規律、啟動時間及沉降變形規律的成果鮮見于報端，因此堆積體滑坡在震后降雨作用下的研究成為當前關注的熱點。

綜上，本文以舟曲江頂崖大型堆積體滑坡為研究對象，進行震后降雨作用下的物理模型試驗，揭示滑坡在震后降雨作用下的發生機理以及變形發展規律，分析相同地震烈度作用下，滑坡啟動時間及沉降變形與降雨強度的關系。為滑堆積體坡在震后降雨作用下的預測提供基礎數據。

1 滑坡模型試驗方案

1.1 研究對象

據甘肅省地震危險區劃圖，舟曲縣位于舟曲—武都地震亞帶，地震災害頻發，抗震設防烈度為Ⅷ度;頻發的地震導致舟曲縣境內的巖體破碎、松散，形成了大量的堆積土體。據舟曲縣氣象站和中國氣象數據網統計，舟曲縣境內年平均降雨量為420.6 mm，24小時內最大降雨量約為63.3 mm，1 h內的最大降雨量為47.0 mm，降雨常以陰雨和短時暴雨的形式出現。進入雨季，短時強降雨極易誘發堆積坡體發生滑坡。

受持續強降雨影響，2018年7月12日舟曲南峪鄉江頂崖老滑坡群局部復活，稱江頂崖滑坡。滑體坡度約為25°，最長處約為462 m，平均寬度約為210 m，平均厚度約為26.5 m，總體積近400×104 m3，地質剖面圖如圖1所示，屬于巨型松散堆積層滑坡體。滑坡土體自上而下分別為滑體、滑帶土、滑床，土層相關參數如表1所列。

1.2 試驗相似比與材料選取

1.2.1 試驗相似比設計

物理模型試驗縮尺模型相似設計主要考慮三個方面［16］，即材料相似、幾何相似以及物理相似，實際情況下三個方面很難同時完全滿足。因此，為更合理地研究該滑坡在震后降雨作用下響應，選擇合適的相似參數極為重要。通過量綱分析確定震后降雨作用下模型試驗涉及的相似參數，包括：l為長度（m）、ρ為密度（kg/m2）、c為黏聚力（N）、φ為內摩擦角（°）、E為變形模量（Pa）、μ為泊松比、g為重力加速度（m/s2）、σ為應力（Pa）、ε為應變、u為位移（m）、k為滲透系數（mm/h）、t為時間（s）、q為降雨強度（mm/h）、h為沉降變形（m），共14個。假設堆積體滑坡簡化為線彈性變形的結構體系，則滑坡的受力滿足以下關系：

σ=f（l，ρ，c，φ，E，μ，g，ε，u，k，t，q，h）

本試驗根據原型的基本參數以及試驗相應指標，采用幾何尺寸（Cl=1 000），密度（Cρ=1），重力加速度（Cg=1）作為基本量綱，假設材料為各向同性，φ、μ、ε為無量綱，分析過程中不做考慮，即其相似比為1，通過量綱分析法和π定理計算確定模型的相關物理量的相似系數，如表2所列。

1.2.2 試驗材料選取

試驗材料依據相似系數選配，由于現有技術與材料無法完全按照相似比設計，但為盡可能還原滑坡原型結構特征與力學性質，因此只能對一些重要物理量進行相似統一。參考于一帆等［9］的堆積體滑坡模型試驗黏聚力設計方法確定，本文試驗按照1∶20的進行縮尺設計。同時，根據羅先啟等［17］提出的滑坡模型試驗相似材料擇優方法，選用試驗相似材料選用重石晶粉、河沙、雙飛粉、膨潤土、地板蠟、水、碎石（粒徑小于1 cm）、黃土等配制而成，其中河沙用于調整內摩擦角、雙飛粉用于調整黏聚力。模型材料的主要物理力學參數及詳細配比如表3、表4所列。

1.3 試驗方案設計

（1） 根據相似設計理論及量綱分析，滑坡模型箱的尺寸為50 cm（長）×25 cm（寬）×30 cm（高），模型箱采用有機玻璃板和角鋼制作而成，試驗過程中可以實時觀察滑坡模型的破壞情況，滑坡體模型設計如圖2所示。滑坡模型坡體分為基巖、滑帶土以及滑體土3層，每一層又經過分層鋪設并進行鋪平夯實，自下而上布置。滑坡模型高約150 mm，坡度約25°～30°，滑坡模型前緣較緩，中部和后緣較陡，第一層為基巖土，平均厚度約為5 cm，最厚處為10 cm;第二層為滑帶土，平均厚度約為3 cm，最厚處為5 cm，最薄處為2 cm，第三層土平均厚度約為3 cm，最高厚度處為5 cm。最底層土采用密實的黃土模擬基巖，滑體土、滑帶土分別采用表4所列為材料配制。

（2） 地震工況試驗根據表5地震基本烈度與峰值加速的對應關系，結合舟曲縣地震情況，四組振動試驗的地震加速度設計值為均為0.30g，對震后的滑坡模型的變形情況進行記錄，研究堆積體滑坡模型裂縫的分布與發展情況。

（3） 地震工況完成后，間隔3 h［14］，使土體內部應力分布均勻后進行降雨工況研究。

依據地勘報告［18］及中國氣象網舟曲縣多年降雨實測數據可查得舟曲縣實際降雨強度分別為31.6 mm/h（大暴雨）、77.3 mm/h（大暴雨）、126.8 mm/h（特大暴雨）、170.4 mm/h（特大暴雨），為盡可能復原滑坡時的降雨特征，根據相似理論，將實際降雨強度相似比縮小，最終求得試驗采用的降雨強度分別為1.0 mm/h、2.5 mm/h、4 mm/h、5.5 mm/h的四組連續性短時強降雨。降雨開始即開始計時，記錄滑坡體滑動時的累積降雨時間，作為滑坡啟動的用時。

（4） 對滑坡模型的表面以及側面的變形形態、裂縫發展規律進行詳細記錄，揭示堆積體滑坡的破壞機理。記錄滑坡啟動時間，以此為基礎分析相同地震烈度相同下滑坡啟動時間及沉降變形與降雨強度之間的關系;在模型后緣處、中部陡峭處以及坡腳處選擇三處裂縫寬度測量點，裂縫的開展進行動態測量，以建立裂縫變形與降雨強度的關系。裂縫監測點如圖3所示。

1.4 試驗設備

1.4.1 振動設備

振動試驗采用的設備由WS－Z30－50振動臺、傳感器及對應的Vib－SQK軟件組成（圖4），此裝置具有操作簡單、地震波輸出穩定等優點。

振動臺試驗采用已有的，經過濾波、平滑及錯點剔除處理的典型強震記錄波譜直接輸入汶川波譜（圖5），對四組同工況輸入相同振動加速度時程曲線并使各參數保持一致。通過Vib－SQK軟件調整振動強度峰值加速度為0.3g，使振動裝置產生水平方向的振動。

1.4.2 降雨裝置

降雨裝置采用自主設計的降雨模擬裝置（圖6）。降雨裝置由12 V自動調節小水泵、流量控制旋鈕、噴淋噴頭及水管組成，每排設置三個噴頭（間距20 cm），布置兩排，進水水管連接水龍頭保證量筒內水位恒定。降雨強度可通過噴頭旋鈕、水泵調節旋鈕以及流量調節旋鈕改變。具體操作方法為旋轉噴頭旋鈕、水泵調節旋鈕以及流量調節旋鈕至某一位置，測定1 min內大量筒內抽出的水量即為降雨強度。水管直徑為8 mm，噴頭霧化噴灑范圍最大直徑為0.5 m。

各工況試驗開始前，均進行降雨強度標定和降雨均勻性檢測。即在噴頭下方不同位置放置多個燒杯，模擬降雨3 min，測量杯中水的體積。試驗發現隨雨強越大，霧化效果越明顯，同一水平面的降雨效果越均勻，測試平面與噴頭高差為46 cm時，裝置降雨均勻性最好。

2 試驗結果與分析

2.1 破壞機理分析

2.1.1 地震工況下裂縫產生機理

堆積體滑坡的抗拉抗剪強度一般較低，坡體受到水平方向的振動荷載后，坡體向前發生剪切蠕動［19］，振動慣性力使得滑坡后緣土體產生剪切應力，導致該位置產生淺層裂縫。隨著振動的持續進行，裂縫進一步發展，在坡體的側部以及中部，剪應力相對集中，剪切裂縫大量分布。同時，松散堆積土體在受到與滑坡豎向滑移面垂直的水平振動荷載時，易發生張拉破壞，產生張拉裂縫。

2.1.2 震后降雨工況下滑坡破壞機理

堆積體滑坡結構松散，透水性極強、細顆粒含量較低。在降雨初期，雨水沿振動產生的裂縫迅速下滲，表層部分土體率先達到飽和狀態，發生局部沉降，最終形成雨水徑流的小溝。

隨著降雨的持續進行，滑坡表層土體整體達到飽和，土體沉降及表面沖刷作用引起的土體流失，使得坡體表面的部分淺層裂縫消失。振動產生的深層裂縫因滲透侵蝕作用不斷向深、向寬發展，使得深層土體逐漸達到飽和。

坡體內部發生明顯滲流，導致土體發生重組或流失，表層部分大顆粒土體被沖刷滲流帶至坡腳，導該處土體的自重增加。由于部分深層土體的流失，坡腳處上部土體出現臨空。降雨作用使得整體土體的抗剪強度降低，使得裂縫順著內部雨水滲流方向發展。

到降雨后期，坡體深處土體流失加劇，使得坡腳處表層土體臨空體積增大，當臨空土體自重產生的下滑力大于抗滑力，坡腳處土體發生滑落。

2.2 破壞過程動態分析及裂縫發展規律

2.2.1 地震工況

在振動過程中，首先滑坡表面的土顆粒碎石向下滑至坡腳處，并在坡腳處堆積。在滑坡的后緣處產生張拉裂縫，滑坡體的兩側以及中部陡峭處產生橫向微小的剪切裂縫。隨著振動的持續，松散滑坡土體向下壓實，裂縫變寬變深，同時在坡腳處產生與振動方向相互正交的裂縫（圖7）。而江頂崖滑坡后緣前且裂縫分布，中部多組剪切裂縫分布，局部已形成反傾斜錯動及錯臺［18］。該類地震堆積層滑坡在遭受地震后，表現出典型的變形破壞特性。

2.2.2 震后降雨工況

在震后的基礎上，對滑坡進行均勻降雨。結果發現，沖蝕破壞為滑坡的主要破壞形式，在坡腳處發生以沙土流失為主的塊狀破壞，且出現明顯土質分層。為反應滑坡破壞過程以及裂縫發展規律，本文選擇降雨強度為1.0 mm/h的滑坡破壞過程，滑坡破壞變形發展過程如下：

（1） 降雨工況初期

表層土體在振動工況中產生的不明顯裂縫因土體潤濕而清晰可見，局部發生沉降產生小溝，表明該處土體達到飽和。滑坡后緣產生弧狀下陷，沉降變形明顯，與實際坡體中、后部均出現局部下挫和裂縫，多呈“圓弧”狀展布的變形現象相符［18］。雨水順坡面形成的表層徑流將部分塊狀土顆粒帶至坡下，在坡腳聚集（圖8）。

（2） 降雨工況中期

部分小溝發展為小沖溝并延至坡腳處時，表明表層土體整體達到飽和狀態。振動產生的部分較淺層的剪切裂縫因土體流失及沉降而消失，深層裂縫因雨水的沖刷及侵蝕向寬發展（圖9）。

隨著降雨的持續，雨水沿已形成的裂縫加速入滲，滑坡側緣處與后緣處裂縫向深發展（圖10）。滲流水向坡腳流動，內部土體隨著雨水滲流排出至坡下。坡體表面產生與雨水徑流方向一致的豎向裂縫。隨著坡腳下部土體流失及雨水侵蝕作用的持續，下部土體加速流失，上部土體出現臨空，并因自重積壓產生橫向裂縫。

（3） 降雨工況后期

坡腳處的豎向裂縫因表層徑流的侵蝕作用向深發展，雨水沖刷及侵蝕作用上部土體臨空的同時，下部土體體積與自重增大，當土體的下滑力大于抗滑力，土體失穩發生滑動（圖11）。江頂崖滑坡在坡腳處剪出口分布［18］，試驗中，模型坡腳處產生較為明顯的剪出口，坡體在該處發生失穩破壞，試驗現象接近真實。

滑坡坡腳的滑移面處有明顯的土質分層現象，表層土體達到飽和。滑坡表層土體在降雨作用下發生明顯沉降，沉降深度為2.13 cm（如圖12，圖中黑線表示降雨前坡面，紅線表示發生滑坡后的坡面）。此現象與地勘報告［17］中所述現象基本吻合。

圖中紅線表示滑坡土與滑帶土的交界在滑坡模型的后緣處、中部陡峭處以及坡腳處選擇三處裂縫進行變形動態測量，得到裂縫寬度與降雨時間之間的關系，試驗結果如圖13所示。結果發現，地震水平慣性力作用使得坡體產生剪切裂縫，后緣處裂縫寬度最大，坡體中部裂縫數目最多，坡前緣裂縫寬度及數目均最小，與滑坡現場中部裂縫密度大，坡腳裂縫變形程度高的現象基本一致［18］。伴隨著降雨開始，雨水沿裂縫入滲使得土體的含水量增加，雨水垂直順層浸蝕，裂縫開始發展。隨著降雨的持續，坡體表面徑流和內部滲流作用使得雨水不斷在坡下低凹處匯集，致使坡腳處土體的強度大幅度降低，加速坡腳處裂縫的變形。裂縫的進一步發展，導致坡腳下部松散土體被雨水沖刷流失而臨空，坡腳處的臨空面的卸載作用，使上部土體的支持力降低，滑坡中部地勢相對于后緣處較為陡峭且土體的自重不斷增加，使得該處裂縫發展加劇，且中部陡峭處的裂縫發展程度相對后緣處迅速。三處裂縫均隨降雨的持續而加劇變形，尤其在降雨中期，坡體土體達到飽和后，土體自重以及土體強度降低，裂縫發展發生突變，坡腳處裂縫突變變形最為明顯。

裂縫最大寬度與降雨強度的關系如圖14所示，由于滑坡中下部地勢較陡，降雨易導致坡面流的形成，雨水沿坡面徑流流動至坡底，坡腳處雨水入滲的時間充足，土體強度降低，裂縫開展劇烈，坡腳處裂縫極為發育。本文研究的滑坡結構特殊，坡體中部較為突出，成為導水優先通道，雨水徑流的速度增大，且滲流路徑的改變產生邊緣滲透效應，土體強度降低，中部陡峭處裂縫變形加劇，致使此處裂縫變形較后緣處變形更為劇烈。

坡度不發生改變的滑坡體，裂縫在坡腳處的發展程度最為劇烈，后緣處次之，坡體中部最小，而滑坡坡度的改變，使得滲流破壞在坡度改變界面加劇。不同工況下，堆積體滑坡模型的坡體破壞往往發生在某一局部位置，不會發生整體破壞，且變形越為強烈的坡體，該位置的破壞程度越大，裂縫越發育，試驗中表現出裂縫發展程度較后緣處劇烈。該現象與江頂崖滑坡多次發生局部復活的現象基本吻合［18］。同時，孔隙水壓對坡體前緣坡腳處的穩定性也不利，容易在邊坡工程中形成剪出口，應采用有效的排水措施來降低坡內孔隙水壓力。

2.3 滑坡啟動時間與降雨強度關系

滑坡在相同地震烈度下加載之后，進行不同強度的降雨試驗，探討得到在先地震后降雨作用下，堆積體滑坡的啟動時間與降雨強度之間的關系，試驗結果數據如表6所列。

試驗發現，隨著降雨強度的增大，滑坡啟動時間縮短。對試驗數據進行擬合得到在相同地震烈度下，滑坡啟動時間與降雨強度呈指數函數關系（圖14），表達式為：

t=-47.31ln（q）+190.39 （1）

式中：t為滑坡啟動時間（min）;q為降雨強度（mm/h）。

由圖15可知，由于松散堆積體滑坡在地震作用下產生裂縫，降雨發生時，水分優先匯集在裂縫處，水分入滲導致潛在滑移面形成。下部的密實基巖相對隔水，隨著降雨強度的增大，形成潛在滑移面的時間縮短，雨水的參與使得土體的抗剪強度折減，當土體剪應力到達土體的抗剪強度極限時，滑坡啟動，曲線一定程度上反映了堆積體滑坡抗剪強度的變化趨勢。同時，該曲線也表現出降雨強度對徑流強度及滲流強度的顯著影響，即隨著降雨強度的增大，徑流量和滲流量增加，坡體加速破壞，閾值的時長縮短。

2.4 滑坡沉降與降雨強度的關系

在降雨作用下坡體發生失穩滑動后，測量滑體土的平均厚度作為沉降變形，對得到的數據取均值，由于土體流失量遠小于坡體土體總量，則可認為流失土體可忽略不計，結果如表7所列。

對試驗結果進行擬合發現土體沉降變形與降雨強度呈對數函數關系（圖15），表達式為：

h=0.352 2e0.434 5q （2）

式中：h為滑坡沉降變形高度（mm）;q為降雨強度（mm/h）。

由圖16可知，降雨強度的改變伴隨著土體沉降變形的加劇，土體結構在自重及雨水作用下有壓密的趨勢，發生沉降。隨著降雨強度的增強，大量土顆粒被帶出坡體，坡體沉降量增大，變形破壞顯著。沉降變形隨降雨強度的增加而大幅度增加，說明降雨強度的增大使表層徑流強度增大，堆積體滑坡表層松散土體流失以及土體達到飽和的速度加快，變形量開始呈現遞增的趨勢，且隨著降雨強度的增大，不同降雨強度之間發生的沉降變形量相差較大。

3 結論

（1） 地震作用下，堆積體滑坡發生剪切破壞，震后不同降雨工況作用下，主要發生以沙土流失為主的塊狀破壞，坡腳處產生剪出口，堆積體滑坡在剪出口處發生局部失穩。

（2） 地震作用下，在坡體中部產生剪切裂縫及反傾錯臺，在后緣處“圓弧狀”張拉裂縫發育劇烈，震后降雨工況下，隨著降雨強度增大，坡體裂縫寬度增大，尤其在降雨中期均發生不同程度的突變，坡腳處裂縫突變變形最為明顯。

（3） 在相同地震烈度作用后，隨降雨強度的增大，坡體啟動時間與降雨強度呈指數函數關系、沉降變形與降雨強度呈對數函數關系。

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收稿日期：2021-10-08

基金項目：甘肅省地質礦產勘查開發局創新基金項目（2020CX09）;甘肅省自然資源廳科技創新項目（202222）；甘肅省青年科技基金計劃（20JR5RA434）

第一作者簡介：姜 鑫（1982-），高級工程師，主要從事地質災害防治與生態修復方面設計與研究工作。E－mail：68760030@qq.com。

通信作者：任永忠（1986-），博士，副教授，主要從事基坑、邊坡支擋結構及滑坡防治的研究工作。E－mail：renyz518@163.com。