王偉鋒 耿 赟 王青振 單新建 陳曉利

1)中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(yán)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(xué)等，2008)。本文對降雨型和地震型滑坡進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)。通過改變不同的外界條件，進(jìn)行滑坡模擬試驗(yàn)進(jìn)而探討這2類滑坡的影響因素和發(fā)生機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1 地震型滑坡試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自主設(shè)計(jì)的簡易振動(dòng)模擬試驗(yàn)儀(圖1)，設(shè)備由主體振動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

實(shí)驗(yàn)將地震振動(dòng)分解為水平和豎直2個(gè)方向，通過改變振動(dòng)力的輸入方向來探討振動(dòng)方向(水平、垂直)對滑坡的影響(魏麗，2005);改變振動(dòng)力的大小來模擬不同振動(dòng)強(qiáng)度對滑坡的影響;改變振動(dòng)的時(shí)間來探討振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對滑坡的影響。

1.2 降雨型滑坡試驗(yàn)

圖1 簡易振動(dòng)模擬試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)斜坡上。實(shí)驗(yàn)采取短歷時(shí)、強(qiáng)降雨模式。降雨分多個(gè)時(shí)段來進(jìn)行，各時(shí)段間隔為備水和雨水入滲階段(高曉斐等，2007)。實(shí)驗(yàn)過程中記錄下滑坡發(fā)生時(shí)降雨所用時(shí)間及雨量。

2 降雨型滑坡試驗(yàn)

通過對土質(zhì)坡體進(jìn)行降雨實(shí)驗(yàn)，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(guān)系;同時(shí)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(jī)制。

降雨實(shí)驗(yàn)所取用土樣的力學(xué)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(jìn)行模擬降雨實(shí)驗(yàn)。

2.1 不同坡度下，降雨誘發(fā)滑坡的臨界降雨量

實(shí)驗(yàn)采用短歷時(shí)、強(qiáng)降雨模式，對10°、20°、30°、45°坡角的斜坡分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。降雨過程中，力求降雨均勻而平穩(wěn)地噴灑在實(shí)驗(yàn)斜坡體上。實(shí)驗(yàn)記錄下滑坡發(fā)生時(shí)所用的降雨時(shí)間和降雨量。降雨滑坡實(shí)驗(yàn)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 降雨試驗(yàn)?zāi)M過程Fig.2 Simulated rainfall experiment.

表1 土樣力學(xué)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(shí)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(shí)間也減少。

2.2 滑坡臨界降雨量與坡度的關(guān)系

圖3為臨界降雨量與坡度的關(guān)系圖，兩者呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)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(shí)，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(yīng)用臨界降雨量與坡度的關(guān)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(jī)制

降雨實(shí)驗(yàn)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(shí)間的增加，坡腳處的孔隙水壓力逐漸增大，含水率也達(dá)到飽和，使得土體容重增加，抗剪強(qiáng)度減小，導(dǎo)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(dá)到飽和，當(dāng)主體都達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，含水率就會趨于穩(wěn)定，不會隨降雨時(shí)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(guān)系圖Fig.3 The relationship between critical rainfall amount and slope gradient.

3 地震型滑坡試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對由不同坡度、不同物質(zhì)組成的斜坡進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，觀測不同條件下模型的變形破壞跡象，分析地震動(dòng)力對斜坡變形破壞的作用機(jī)制與規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)而成(程圣國等，2002)。其巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表3所示。

表3 坡體巖石力學(xué)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(dòng)的響應(yīng)

對土質(zhì)和巖質(zhì)坡體分別進(jìn)行3組坡度為10°的水平振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)強(qiáng)度分別為弱、中、強(qiáng)，最大振動(dòng)速度分別為 3.4cm/s、5.4cm/s 和 7.8cm/s。振動(dòng)速度－時(shí)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(yīng)關(guān)系(表4)，實(shí)驗(yàn)可模擬不同震級的地震力作用，3種振動(dòng)強(qiáng)度的峰值速度大致對應(yīng)震級為4級、4.5級和5級地震的峰值速度。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)坡體在振動(dòng)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(dòng)的持續(xù)，豎向裂縫變大變深，同時(shí)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?cái)U(kuò)大，最后土體沿著裂縫開始垮落(圖5左)。

巖質(zhì)坡體對振動(dòng)的響應(yīng)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(xì)小的裂縫。隨著振動(dòng)的持續(xù)，裂縫的規(guī)模開始擴(kuò)大，在主裂縫的底端開始出現(xiàn)近水平的拉裂面，同時(shí)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(dòng)力的作用下沿著底滑面運(yùn)動(dòng)，最后整體失穩(wěn)破壞(圖5右)。

3.2 振動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)時(shí)間為5s的條件下，分別對巖質(zhì)和土質(zhì)的坡體進(jìn)行水平和豎直振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，觀測二者在水平振動(dòng)和豎直振動(dòng)后的形態(tài)變化。

圖4 振動(dòng)速度－時(shí)間圖Fig.4 Vibration velocity time histories.

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

通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，僅豎向振動(dòng)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(dòng)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(yuǎn)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(qiáng)等，2009)。當(dāng)豎向地震力方向向下與重力方向相同時(shí)，相當(dāng)于坡體的重力增加，巖土體間相對運(yùn)動(dòng)的摩阻力也相應(yīng)增大。當(dāng)豎向地震力方向向上與重力相反時(shí)，豎向地震力抵消了部分巖土體的重力，相當(dāng)于使坡體重量減輕。只有當(dāng)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(shí)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(yùn)動(dòng)。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(dòng)坡體在水平方向運(yùn)動(dòng)需克服的僅是巖土體間的內(nèi)聚力和水平錯(cuò)動(dòng)時(shí)的摩阻力(校小娥，2010)。巖土體的抗拉強(qiáng)度一般較低，摩阻力受破壞位置、巖土體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面的影響很大。當(dāng)巖土體強(qiáng)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(shí)，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(dòng)時(shí)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(dòng)破壞時(shí)間關(guān)系

實(shí)驗(yàn)表明，滑坡初動(dòng)需要在中等振動(dòng)強(qiáng)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(dòng)所用振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。可以看出，當(dāng)坡度＜20°時(shí)，兩類坡體的初動(dòng)所需振動(dòng)時(shí)間較長，當(dāng)坡度＞30°時(shí)，坡體初動(dòng)所需振動(dòng)時(shí)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(dòng)強(qiáng)度條件下土質(zhì)和巖質(zhì)坡體坡度與滑坡初動(dòng)時(shí)間關(guān)系圖，兩條曲線形態(tài)相似，滑坡初動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)間變化較大。

3.4 汶川地震滑坡與坡度、震級關(guān)系

受試驗(yàn)結(jié)果啟發(fā)，對汶川地震型滑坡進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(dá)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(jì)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(dāng)震級達(dá)到4級時(shí)，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(jì)(樊曉一等，2012)，截止到2010年7月26日，4級以上余震達(dá)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(zāi)害。

圖6 土質(zhì)與巖質(zhì)坡體坡度與滑坡初動(dòng)時(shí)間關(guān)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(shí)，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(yīng)重點(diǎn)對坡度＞30°的潛在滑坡體進(jìn)行預(yù)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(jìn)行了分時(shí)段降雨實(shí)驗(yàn)，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(guān)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(dòng)的響應(yīng):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(kuò)大，最后土體沿著裂縫開始垮落。巖質(zhì)坡體對振動(dòng)的響應(yīng):頂部產(chǎn)生豎向拉裂縫，兩側(cè)結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生細(xì)小的裂縫，裂縫的規(guī)模不斷擴(kuò)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(dòng)力的作用下沿著底滑面運(yùn)動(dòng)，最后整體失穩(wěn)破壞。

(2)水平振動(dòng)慣性力對斜坡的變形破壞的影響比豎向振動(dòng)慣性力作用要強(qiáng)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(guān)系圖Fig.8 The relation between earthquake magnitude and landslide gradients in Wenchuan earthquake.

(3)在相同的振動(dòng)強(qiáng)度下，在坡度＜25°時(shí)，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(jìn)行的統(tǒng)計(jì)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(dāng)?shù)卣鹫鸺墶?級時(shí)，該地區(qū)坡度＞30°的坡體易發(fā)生滑坡，應(yīng)加強(qiáng)對此類邊坡的防治處理。

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