前緣反傾式鎖固型滑坡變形破壞模式及失穩(wěn)機理

耿 正，劉漢東，王四巍，李冬冬，張藝冰，張世英，劉佳賓

(1.華北水利水電大學巖土力學與水工結構研究院，鄭州 450045；2.河南省巖土力學與結構工程重點實驗室，鄭州 450045)

中國幅員遼闊，地形復雜，山高谷深，滑坡災害在各類地質(zhì)災害中數(shù)量位居榜首，大型滑坡在中國也時有發(fā)生，如2017年6月的茂縣新磨村滑坡[1-2]，2018年8月的貴州納雍滑坡[3]等。此類大型滑坡的失穩(wěn)往往伴隨著承受關鍵承載力部分的阻滑體失效，張倬元等[4]將其命名為鎖固段。

為了研究鎖固型滑坡的穩(wěn)定性影響因素，失穩(wěn)機理等，中國學者開始對其進行分類，泮曉華等[5]將鎖固型滑坡分為5 類：跨層斜切式、順層直剪式、均質(zhì)巖橋式、擋墻式和支撐拱式。黃潤秋[6]將鎖固段滑坡分為滑移-拉裂-剪斷三段式模式、擋墻潰決模式、近水平巖層的平推式模式、反傾巖層大規(guī)模傾倒變形模式和順傾巖層的蠕滑-剪斷模式等。每種模式都具有其對應的巖體結構條件和特定的變形破壞演變過程。2017年，黃潤秋等[7]又將鎖固段滑坡細分為三段式、擋墻式、阻滑塊體、線性多級和階梯狀多級型5種類型。劉漢東等[8]根據(jù)豫西地質(zhì)條件和地質(zhì)災害調(diào)查成果，將豫西鎖固型滑坡分為順層直剪式、跨層斜切式和擋墻式。研究的槐扒滑坡屬于豫西鎖固型滑坡中的順層直剪式鎖固型滑坡的一種，被命名為前緣反傾式鎖固型滑坡。

鎖固型滑坡研究目前還處于起步階段，研究多為理論性研究，試驗性研究較少，且鎖固型滑坡研究多為巖質(zhì)邊坡，還有待繼續(xù)完善。現(xiàn)將鎖固這一概念應用于土質(zhì)滑坡中，通過模型試驗對前緣反傾式鎖固型滑坡的變形破壞模式及失穩(wěn)機理進行了研究，為后續(xù)鎖固型滑坡的研究提供參考。

圖1 槐扒滑坡全貌Fig.1 Full view of landslide in Huaiba

降雨是誘發(fā)滑坡發(fā)生的主要因素，這一說法已經(jīng)得到中外許多專家的認同，《中國典型滑坡》[9]中提及的100 多處滑坡，其中大部分都是在降雨期間發(fā)生的。目前研究降雨誘發(fā)型滑坡的分析方法主要有三種：數(shù)學統(tǒng)計法、理論模型數(shù)值模擬方法和模型試驗法。數(shù)學統(tǒng)計法[10-13]一般用于某個區(qū)域的邊坡失穩(wěn)與降雨之間的關系分析，不適用于單體滑坡。理論模型數(shù)值模擬方法[14-16]是根據(jù)分析降雨入滲過程得到的邊坡變形破壞機理，建立相應的數(shù)學模型，再采用數(shù)值模擬的方法進行對比分析，相比于第一種方法，理論模型數(shù)值模擬方法更全面，且應用也更為廣泛。物理模型實驗法[17-20]是根據(jù)邊坡原型，構建物理力學性質(zhì)及構造相似的邊坡模型，然后在模型上進行試驗，通過監(jiān)測模型的應力、應變、位移、變形破壞等特征，進而分析地質(zhì)原型的實際情況，相比于前兩種方法，模型試驗方法得到的結果更加貼近原型邊坡的實際情況，且能直觀觀察到邊坡變形破壞過程中的各種現(xiàn)象。所以采用模型試驗方法，根據(jù)槐扒滑坡的野外調(diào)查資料，建立前緣反傾式鎖固型滑坡的概化模型，以降雨為觸發(fā)條件，進行多次模型試驗，記錄前緣反傾式鎖固型邊坡在不同邊坡形態(tài)時的變形破壞現(xiàn)象，研究該類邊坡的失穩(wěn)機理及破壞模式。

1 槐扒滑坡概況

槐扒滑坡位于三門峽市澠池縣境內(nèi)，處于豫西黃河南岸，屬崤山余脈中低山區(qū)，地形北高南低。其南面與東面環(huán)山，斜坡后緣地形較陡，西側(cè)為西坡溝，深約30～40 m，北側(cè)為黃河。斜坡地形坡度為11°～30°，西側(cè)和北側(cè)是臨空面?；麦w縱長約495 m，東西寬約370 m，總體積約 400×104m3?；麦w后緣高程437 m，前緣最低高程295 m。中下部滑面傾角較緩，中后部地形略陡，自然坡角約30°。滑坡體主滑方向324°(圖1)?；卑腔聦儆谇熬壏磧A式鎖固型滑坡，其滑帶位于土巖結合部位，滑坡前緣部分有一反傾巖層，對整個邊坡起鎖固作用[8]。

2 試驗內(nèi)容及方案

2.1 試驗裝置及其布置

圖2 模型試驗裝置Fig.2 Model test device

模型試驗裝置包括人工降雨系統(tǒng)、液壓變坡鋼槽及監(jiān)測系統(tǒng)。人工降雨系統(tǒng)由電腦終端控制，如圖2(a)所示；降雨器由5 個不同尺寸的噴頭構成，如圖2(b)所示；通過不同的壓強及噴頭組合控制人工降雨強度，其降雨強度模擬范圍為30～180 mm/h；液壓變坡鋼槽坡度調(diào)節(jié)范圍為0°～45°，其單個模型槽長5 m，寬1 m，深0.6 m，如圖2(c)所示；監(jiān)測系統(tǒng)由三維激光掃描儀及無人機組成，三維激光掃描儀型號為FARO Focus3D X330，該掃描儀分辨率大于7 000×104彩色像素，能對0.6～330 m的物體進行掃描，測距誤差為±2 mm，如圖2(d)所示；無人機型號為大疆精靈4RTK，該無人機攝像頭分辨率為4 864×3 648，像素為2 048×104，如圖2(e)所示。

2.2 模型設計及制作

根據(jù)槐扒滑坡的野外調(diào)查資料，突出其前緣反傾巖層對邊坡的阻滑作用，構建室內(nèi)試驗邊坡模型。試驗選用單個模型槽，在其內(nèi)部搭建前緣反傾式鎖固型邊坡模型，邊坡模型長2.33 m，寬1 m，厚0.34 m，如圖3所示。

圖3 模型尺寸Fig.3 Model size

模型共分為基巖、滑帶和滑體三部分。基巖部分特性為不會發(fā)生位移，光滑且不透水，選用泡沫磚上覆竹膠板進行搭建；滑帶部分特性為光滑且不透水，由于滑帶土制作困難，試驗選用透明塑料布模擬滑帶；滑體部分用粉土進行填筑。

圖4 室內(nèi)實驗及實驗結果Fig.4 Laboratory experiments and experimental results

粉土選用鄭州北部邙山粉土，經(jīng)晾曬、篩分處理后進行室內(nèi)實驗[圖4(a)～圖4(d)]。由圖4可知，通過顆粒分析實驗得到粉土的顆粒級配曲線；通過擊實實驗，得到粉土的含水率與干密度的關系曲線，通過擬合計算求出粉土的最大干密度為1.704 g/cm3，最優(yōu)含水率為17%；模型試驗采用壓實度為90%、含水率為17%的粉土，通過直接剪切實驗，得到垂直壓力和剪應力的關系，用Excel擬合出二者的關系曲線，得到試驗所用粉土的c、φ值(c為粉土的黏聚力，φ為粉土的內(nèi)摩擦角)；通過變水頭滲透實驗得到試驗所用粉土的滲透系數(shù)；模型試驗所用粉土的物理力學參數(shù)如表1所示。用處理過的粉土對邊坡進行分層填筑，每層厚度約5 cm，用木錘依次對邊坡左、中、右三部分進行擊實，往返2 次，邊坡大致成形后進行削坡和整平工作，填筑后的邊坡模型如圖5所示。

圖5 填筑后的邊坡模型Fig.5 Slope model after filling

2.3 試驗方案

試驗共進行三次，將其置于相同降雨條件下，通過調(diào)整坡角的方式改變邊坡形態(tài)，如圖6所示。第一次試驗邊坡坡角為30°，前緣反傾巖層位于水平面上方1°位置處，邊坡后緣傾角64°；第二次試驗邊坡坡角為28°，前緣反傾巖層位于水平面上方3°位置處，邊坡后緣傾角62°；第三次試驗邊坡坡角為26°，前緣反傾巖層位于水平面上方5°位置處，邊坡后緣傾角60°。降雨系統(tǒng)位于液壓變坡鋼槽正上方，試驗選用降雨強度為75 mm/h；三維激光掃描儀位于液壓變坡鋼槽正前方，試驗期間間隔20 min對邊坡進行掃描；無人機位于液壓變坡鋼槽斜上方，對邊坡的變化情況進行實時拍照記錄，如圖7所示。通過對比三種不同坡面形態(tài)的邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，研究前緣反傾式鎖固型滑坡的失穩(wěn)機理及破壞模式。

表1 土體物理力學參數(shù)Table 1 Soil physical and mechanical parameters

圖6 試驗模型設計圖Fig.6 Design drawing of test model

圖8 第一次模型試驗(預實驗)邊坡模型失穩(wěn)過程Fig.8 First model test (pre-test) slope model instability process

3 試驗結果

3.1 第一次試驗(預實驗)

第一次試驗為預實驗，邊坡坡角為30°，前緣反傾巖層位于水平面上方1°位置處，邊坡后緣傾角64°，試驗共進行1.5 h，降雨強度為75 mm/h，降雨量共112.5 mm，試驗結果如圖8所示。由圖8可知，前緣反傾式鎖固型滑坡模型坡體在0～0.65 h坡體無明顯變化，在t=0.65 h坡體后緣出現(xiàn)第一條拉裂縫；0.65～0.75 h坡體后緣開始下沉，裂縫不斷擴展和延伸，同時新的裂縫不斷產(chǎn)生，在0.75 h已經(jīng)遍布坡體后緣；當t=0.8 h時，坡體后緣下沉4.5 cm；當t=0.9 h時，坡體后緣下沉8.5 cm，由于后緣沉降產(chǎn)生的臨空面和后緣土體對邊坡底部土體的推擠作用，在邊坡后緣產(chǎn)生新的橫向貫通整個坡面的裂縫，同時前緣出現(xiàn)明顯隆起，有明顯的鼓脹裂縫產(chǎn)生；當t=1.15 h時，雨水在坡體后緣沉降處開始累積，說明坡體底部土體已經(jīng)接近飽和；當t=1.35 h時，坡體前緣隆起約1.5 cm，同時坡體前緣土體由于雨水不斷的沖刷和重力作用，沿著邊坡前緣的鼓脹裂縫處發(fā)生垮塌；當t=1.50 h時，坡體已經(jīng)整體失穩(wěn)，坡體后緣沉降處積水嚴重，即將溢出沉降部位，坡體前緣部分土體垮塌，堆積于坡腳處，在垮塌部分上方形成一定的臨空面。

圖7 試驗裝置布置Fig.7 Layout of test equipment

3.2 第二次試驗

圖9 第二次模型試驗邊坡模型失穩(wěn)過程Fig.9 Second model test slope model instability process

圖10 第二次模型試驗邊坡模型位移云圖Fig.10 Second model test slope model displacement nephogram

第二次試驗邊坡坡角為28°，前緣反傾巖層位于水平面上方3°位置處，邊坡后緣傾角62°，試驗共進行3.3 h，降雨強度為75 mm/h，降雨量共262.5 mm，試驗結果如圖9、圖10所示。前緣反傾式鎖固型滑坡模型坡體在0～2/3 h整體位移小于2 cm，坡體前緣土體受雨水沖刷產(chǎn)生少量小型沖溝；2/3～4/3 h坡體前緣土體沖蝕范圍加大，遍布邊坡前緣，并沿坡面向上擴展，坡體后部出現(xiàn)第一條貫通坡面的拉裂縫，裂縫后部土體發(fā)生明顯沉降，共下降2～4 cm；4/3～2 h坡體開始整體滑動，邊坡后緣開始積水，說明邊坡土體已經(jīng)接近飽和，后緣土體持續(xù)下沉，且沉降范圍沿坡面不斷向前擴大，坡體前緣土體也開始出現(xiàn)明顯的推擠隆升現(xiàn)象；2～10/3 h坡體繼續(xù)滑動，后緣沉降量不斷增加，范圍不斷增大，前緣的土體在后緣土體的推擠作用下，隆升現(xiàn)象也進一步加?。辉囼灲Y束時坡體后緣土體沉降最大處為28 cm，前緣土體隆升最大處為20 cm。

3.3 第三次試驗

第三次試驗邊坡坡角為26°，前緣反傾巖層位于水平面上方5°位置處，邊坡后緣傾角60°，試驗共進行7 h，降雨強度為75 mm/h，降雨量共525 mm，試驗結果如圖11、圖12所示。前緣反傾式鎖固型滑坡模型坡體在0～5 h基本沒有位移變化，整體位移小于1 cm，只有坡體前緣因為雨水不斷沖刷產(chǎn)生少量小型沖溝；5～6 h坡體前緣小部分土體在雨水沖蝕作用下發(fā)生垮塌，坡體后部出現(xiàn)少量沉降；6～7 h坡體開始發(fā)生整體滑動，坡體后緣土體在1 h內(nèi)共下沉15 cm左右，坡體前緣土體也開始出現(xiàn)變化，但其位移量較小，通過肉眼無法識別，在處理后的云圖(圖12)可以看出坡體前緣有明顯的推擠隆升現(xiàn)象；7～8 h坡體繼續(xù)滑動，后緣沉降量不斷增加，前緣的推擠隆升現(xiàn)象也更加明顯；試驗結束時坡體后緣土體沉降最大處為19 cm，前緣土體隆升最大處為11 cm。

圖11 第三次模型試驗邊坡模型失穩(wěn)過程Fig.11 Slope model instability process in the third model test

圖12 第三次模型試驗邊坡模型位移云圖Fig.12 Third model test slope model displacement nephogram

3.4 試驗結果分析

對比三次模型試驗發(fā)現(xiàn)，前緣反傾式鎖固型邊坡當坡角變小，邊坡前緣反傾角變大時，邊坡的失穩(wěn)時間顯著縮短，失穩(wěn)時間呈非線性增長趨勢。該類邊坡整體失穩(wěn)始于邊坡后緣，首先邊坡后緣開始沉降，推動邊坡底部土體，邊坡底部土體推動邊坡前緣土體，加速邊坡前緣土體變形破壞。邊坡前緣土體受雨水不斷沖刷形成沖溝，隨著降雨的持續(xù)，坡體后部土體沉降量和范圍不斷增大，推動整個坡體向前滑動，邊坡前緣土體由于坡面雨水下滲及坡體后部孔隙水向邊坡前緣匯聚，土體強度降低，在雨水的沖蝕及后緣土體的推擠作用下，沖溝范圍沿坡面向上及水平方向不斷擴展，逐漸形成大面積的垮塌，垮塌部分的土體由雨水帶離坡體；邊坡前緣土體逐漸減少，強度降低，無法提供足夠的抗滑力，邊坡開始整體向前滑動，在坡體前緣呈現(xiàn)出推擠隆升現(xiàn)象，坡體發(fā)生整體失穩(wěn)。

4 邊坡失穩(wěn)機理

前緣反傾式鎖固型邊坡為后緣推移式滑動破壞。開始降雨后，雨水從坡面不斷向下滲入坡體，導致邊坡土體自重增加，強度降低，坡體后部土體在強度降低后出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，邊坡前緣土體由于反傾巖層的存在，在前期沒有出現(xiàn)大的位移，但由于持續(xù)的降雨，雨水不斷從坡表滲入，以及后緣孔隙水不斷向前緣匯聚，使其強度顯著降低，提供的抗滑力不斷減小，后緣土體持續(xù)沉降，下滑力不斷增大，當下滑力大于抗滑力時，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)。

5 結論

通過模型試驗，對比前緣反傾式鎖固型邊坡在三種不同坡體形態(tài)時的邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，研究前緣反傾式鎖固型滑坡的失穩(wěn)機理及破壞模式，得到的邊坡破壞結果與實際情況基本相符，且多次試驗避免了試驗結果的偶然性，能更加全面的揭露此類邊坡的失穩(wěn)機理和破壞模式。得到以下結論。

(1)前緣反傾式鎖固型滑坡模型由于持續(xù)的降雨，雨水從坡表不斷滲入，坡體內(nèi)部土體重度增大，基質(zhì)吸力及土體抗剪強度減小，邊坡后緣土體發(fā)生持續(xù)的沉降，邊坡前緣土體由于雨水不斷從坡表滲入及后緣孔隙水不斷向前緣匯聚，使其強度顯著降低，無法提供足夠的抗滑力，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)。

(2)前緣反傾式鎖固型邊坡為后緣推移式滑動破壞，其破壞模式為開始降雨→雨水從坡面向坡體內(nèi)部入滲，邊坡土體強度降低→坡體后緣土體發(fā)生沉降→邊坡前緣土體發(fā)生垮塌→坡體后緣持續(xù)下沉，推動邊坡底部土體向前滑動→坡體前緣出現(xiàn)推擠隆升現(xiàn)象→邊坡整體失穩(wěn)。

(3)前緣反傾式鎖固型邊坡在鎖固部分未失效時保持穩(wěn)定，在鎖固部分失效后破壞迅速。在第三次試驗中表現(xiàn)尤為明顯，邊坡在前5 h基本保持穩(wěn)定，在t=6 h時邊坡前緣土體垮塌，邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)，當t=7 h時邊坡后緣已經(jīng)沉降15 cm左右，前緣隆起9 cm左右。

(4)前緣反傾式鎖固型邊坡坡體發(fā)生失穩(wěn)開始于邊坡后緣，應加強對該類邊坡后緣沉降的監(jiān)測，從而實現(xiàn)對該類邊坡的預防預報。