降雨和地震作用下黃土邊坡穩(wěn)定性研究進展

周正山，張斌偉，2，楊金娥，徐德超，張炳祺

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

0 引言

黃土作為一種具有多孔隙、膠結(jié)能力差的特殊土質(zhì)，其廣泛分布在我國中西部地區(qū)[1]?；邳S土自身特殊的性質(zhì)，其工程性質(zhì)極為不良，當(dāng)遇到降雨等作用因素影響時，黃土結(jié)構(gòu)侵蝕性破壞，進而誘發(fā)較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[2]。而黃土與當(dāng)?shù)厝罕姷娜粘Ｉa(chǎn)生活息息相關(guān)，所以認(rèn)識黃土、了解黃土，提前預(yù)防地區(qū)因黃土發(fā)生災(zāi)害，對于促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和保障人民群眾生命財產(chǎn)安全有著十分重要的意義。

我國擁有世界上分布面積最廣、土層厚度最大、成因類型最為復(fù)雜的黃土區(qū)[3-5]。而黃土高原作為我國黃土分布的主要地區(qū)其分布在陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、青海等省區(qū)[6]。其面積分布較廣，跨度大，因此黃土高原內(nèi)地形復(fù)雜多變、地貌溝壑縱橫，且其新地質(zhì)構(gòu)造活動極其強烈[7-8]，是地震災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計該地區(qū)曾有過多次8級以上特大型地震，境內(nèi)中強地震發(fā)生更是頻繁[9-10]。而因地震誘發(fā)的黃土地質(zhì)災(zāi)害，其破壞程度大、范圍廣，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會造成極為嚴(yán)重的破壞。

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，地處黃土區(qū)域的各個城市也迎來了難得的發(fā)展機遇。高速公路、鐵路縮短了黃土大地上的人民的出行時間；各類建筑設(shè)施在黃土大地上展現(xiàn)了現(xiàn)代化的快速發(fā)展。但由于各種因素的影響，在設(shè)施建設(shè)過程中不可避免的要進行邊坡開挖或者邊坡填筑，而這為后續(xù)設(shè)施能否安全運行帶來了極大的考驗。2009年，蘭州某地發(fā)生山體滑坡，造成人員生命和財產(chǎn)損失[11]。2019年，山西鄉(xiāng)寧發(fā)生山體滑坡造成30多人傷亡的災(zāi)難事故[12-13]。這樣的案例，在后續(xù)還會發(fā)生，特別是在地處土質(zhì)性能特殊的黃土地區(qū)。因此，對黃土邊坡進行穩(wěn)定性分析研究，對于在黃土地區(qū)進行邊坡處理，保證邊坡穩(wěn)定性有著極為重要的意義。

黃土在受降雨、地震等因素影響下，導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，進而產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。而黃土邊坡在受到降雨、地震等影響作用時，同樣導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，進而使黃土邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)等現(xiàn)象，造成設(shè)施建筑無法安全正常運行，從而導(dǎo)致人民生命財產(chǎn)受到損失?；谏鲜霰尘?，通過對降雨、地震作用下的黃土邊坡穩(wěn)定性進行影響研究，進而為黃土邊坡失穩(wěn)研究提供支撐。

1 降雨作用對黃土邊坡穩(wěn)定性的分析研究

因其黃土自身具有極為特殊的性質(zhì)，進而導(dǎo)致以黃土為基本材料的黃土邊坡也具有較為特殊的性質(zhì)。而降雨作為導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)受損，進而產(chǎn)生相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害的重要因素之一，因此降雨亦在黃土邊坡穩(wěn)定性分析中扮演著重要角色。所以研究在降雨條件下黃土邊坡穩(wěn)定性對于提高黃土邊坡安全性能具有極為重要的意義；對于優(yōu)化黃土邊坡，如何探索降雨與邊坡之間的相互關(guān)系，這是擺在研究此課題的眾多學(xué)者面前的難題。

Lumb[14]通過構(gòu)建一維垂直降雨模型分析論證了我國香港地區(qū)內(nèi)降雨同土體滑坡之間的關(guān)系；Mein等[15]通過分析前人相關(guān)的研究成果，進一步得出了雨水在入滲土體后一定時間段內(nèi)，其積水入滲率的計算方法；Xue等[16]采用模型方程分析研究了部分飽和土邊坡在降雨條件下的滲透速度以及相應(yīng)的變化規(guī)則，進一步分析出短時時間下降雨強度和土壤的滲透反應(yīng)；Hong等[17]通過建立基于連續(xù)性方程的坡面地下水位波動模型，進而研究地下水對滑坡的影響；付建新等[18]通過構(gòu)建非飽和土二維降雨入滲模型，進行了非飽和土的體積含水率分析；馬鵬輝等[19]通過分析黃土淺層裂縫和降雨入滲深度關(guān)系，并得出前者對后者影響較??；常志璐[20]針對降雨誘發(fā)黃土高填方邊坡進行了失穩(wěn)機理和監(jiān)測預(yù)警等的研究，并提出了相應(yīng)的理論成果；劉德仁等[21]從在降雨條件下黃土邊坡容易發(fā)生淺層滑塌失穩(wěn)等現(xiàn)象，應(yīng)用室內(nèi)黃土邊坡模型，探討了降雨入滲和日照蒸發(fā)條件下黃土邊坡內(nèi)部水熱變化狀況；溫永福[22]針對黃土區(qū)梯田邊坡進行了在極端降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性模擬試驗研究分析，結(jié)合試驗結(jié)果提出了改進措施；張宇宇等[23]采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計等相結(jié)合的方式對延安地區(qū)黃土邊坡崩塌進行了分析研究，得出了黃土崩塌類型以及形成崩塌的主要因素；劉海波等[24]根據(jù)非飽和黃土抗剪強度隨土壤質(zhì)量含水量的關(guān)系，通過應(yīng)用摩根斯坦-普拉斯法分析了黃土邊坡在不同坡高、不同體積含水量下的安全系數(shù)的變化情況，同時進一步分析了降雨作用對黃土邊坡安全系數(shù)的影響情況；陳星[25]進行分析了降雨條件下黃土填方邊坡的界面效應(yīng)以及穩(wěn)定性；王劍英等[26]通過室內(nèi)模擬降雨作用對黃土邊坡的沖刷試驗，展現(xiàn)了雨水侵蝕黃土邊坡過程，進而總結(jié)出侵蝕溝在黃土路基邊坡縱斷面上的分布規(guī)律；劉偉等[27]分析研究了降雨和堆載耦合作用下黃土的強度驟降效應(yīng)；鄧義龍[28]應(yīng)用非飽和滲流理論分析了黃土邊坡在降雨入滲作用下的穩(wěn)定性；曾昌祿等[29]為論證黃土邊坡在不同降雨強度作用下的入滲特性，而構(gòu)建邊坡降雨模型以及降雨系統(tǒng)；Li等[30]將邊坡降雨室內(nèi)試驗和黃土邊坡優(yōu)化治理兩方面相結(jié)合，分析研究了黃土高原高陡邊坡在降雨條件下的侵蝕機理及侵蝕治理；王磊等[31]分析研究了在連續(xù)降雨作用下黃土陡坡開裂情況以及陡坡穩(wěn)定性；王磊等[32]在設(shè)置了隔離邊界的陜北大型均質(zhì)黃土邊坡進行了模擬降雨的現(xiàn)場試驗，以期對連續(xù)降雨誘發(fā)黃土邊坡的破壞過程有更加深層的理解；白亞軍等[33]應(yīng)用改進的Mein-Larson降雨入滲模型對黃土邊坡進行了穩(wěn)定性分析研究。從上述文獻中分析可知，在研究降雨與邊坡課題中，通過應(yīng)用滲流等理論，構(gòu)建降雨入滲相關(guān)模型，是學(xué)者們分析研究降雨條件下的黃土邊坡穩(wěn)定性的主要方法之一，同時有關(guān)學(xué)者也將現(xiàn)場或室內(nèi)試驗加入其中，以期更全面的體現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性。

計算機技術(shù)的發(fā)展，為邊坡穩(wěn)定性的分析研究提供了新的方法，也促進了邊坡穩(wěn)定研究的發(fā)展。杜光波等[34]將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與SEEP/W軟件結(jié)合分析論證了降雨條件下黃土斜坡的入滲特征；葉帥華等[35]應(yīng)用有限元軟件建立了邊坡穩(wěn)定模型，對降雨入滲條件下的多級黃土邊坡進行了穩(wěn)定性分析計算，對降雨入滲條件下的多級黃土邊坡穩(wěn)定分析研究提供了指導(dǎo)；劉林林等[36]應(yīng)用GEO-studio軟件針對在不同降雨強度條件下的黃土邊坡進行了穩(wěn)定性分析；朱建東等[37]通過開展室內(nèi)人工降雨實驗，分析研究了在連續(xù)和間斷兩種雨型作用下黃土邊坡坡面侵蝕動態(tài)變化過程，同時應(yīng)用三維激光掃描坡面獲取點云進而生成DEM，進一步分析坡面的侵蝕特征；樊澤華[38]應(yīng)用Fredlund理論結(jié)合有限元軟件等方法分析了強降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響；鄒德玉[39]應(yīng)用有限元軟件模擬分析了土體水力特性在降雨入滲條件下對邊坡穩(wěn)定性的影響程度；馬強等[40]利用有限元軟件結(jié)合某地實測數(shù)據(jù)，計算得出該地誘發(fā)黃土邊坡滑坡的降雨入滲閾值，為后續(xù)研究飽和-非飽和黃土邊坡在降雨入滲影響下的穩(wěn)定性提供了參考。綜上可知，應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析黃土邊坡穩(wěn)定性亦是學(xué)者們的選擇，通過有限元軟件模擬相關(guān)邊坡，應(yīng)用軟件分析研究其穩(wěn)定性，使得邊坡穩(wěn)定性分析較為簡捷。此外相關(guān)學(xué)者亦將數(shù)值模擬同試驗分析將結(jié)合，使得穩(wěn)定性分析研究更為準(zhǔn)確。

降雨條件下黃土邊坡易受到?jīng)_刷，有關(guān)學(xué)者則圍繞怎樣提高邊坡抗沖刷能力這一角度進行研究。高德彬等[41]實驗表明在暴雨條件下，厚層基材噴播植草對黃土路塹高邊坡有較好的防護效果；郭宇等[42]在進行植被毯對內(nèi)蒙古清水河縣黃土丘陵溝壑區(qū)黃土邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響中將降雨條件作為影響因素之一，進而分析了該因素對產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響；姚凱等[43]將有機材料——三維植生毯技術(shù)應(yīng)用到黃土邊坡抵抗降雨侵蝕研究中，并取得相應(yīng)的成果。王銀梅等[44]應(yīng)用新型高分子材料來提高黃土邊坡的抗沖刷能力。綜上所述，在如何提高黃土邊坡抗沖刷能力方面，學(xué)者從不同材料入手進行了探索研究。

2 地震作用對黃土邊坡穩(wěn)定性的分析研究

地震作為對邊坡穩(wěn)定性影響較大的又一重要因素，雖然地震發(fā)生時間較短，但其所造成影響卻是巨大的，而因地震導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，所造成的生命財產(chǎn)損失也是巨大的。所以以黃土邊坡為研究對象，進行在地震作用下的邊坡穩(wěn)定性分析是非常有必要的。當(dāng)前許多學(xué)者基于不同理論、應(yīng)用不同的方法、側(cè)重不同的角度來研究地震作用條件下黃土邊坡的穩(wěn)定性，以期在該領(lǐng)域下取得一定的成果，進而促進該領(lǐng)域更好的發(fā)展，同時也為在進行黃土邊坡處理整治等工程措施時提供較為安全、合理、優(yōu)良的理論依據(jù)，進而避免邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害發(fā)生。

劉勇等[45]開展了復(fù)雜斜坡動力響應(yīng)特征分析；張澤林等[46]基于天水地區(qū)的典型邊坡和滑坡，應(yīng)用黃土-泥巖組合模型，分析了西北地區(qū)特殊黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)機制；桂永慶等[47]應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件構(gòu)建黃土邊坡模型，進而分析了在地震荷載作用下邊坡動力響應(yīng)特性以及動力失穩(wěn)機制；彭達等[48]通過論述海原特大地震所誘發(fā)的地質(zhì)滑坡災(zāi)害，系統(tǒng)總結(jié)了黃土地震滑坡的形成機理、黃土動力學(xué)特性等成果，并提出該領(lǐng)域需要進一步研究的內(nèi)容和方向；葉帥華等[49]利用GeoStudio2012有限元軟件論證分析了黃土多級高填方邊坡在水平地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律以及穩(wěn)定性，而該結(jié)果為西北地區(qū)黃土高填方邊坡工程的抗震提供了理論支撐；楊博等[50]從細觀角度出發(fā)，分析了高路塹黃土邊坡在地震作用下的力學(xué)變化規(guī)律，為進一步理解在地震作用下導(dǎo)致此類邊坡產(chǎn)生破壞具有重大意義。綜上所述，在地震作用下黃土邊坡穩(wěn)定性分析中，黃土邊坡的動力響應(yīng)機制是邊坡失穩(wěn)研究中的方向之一。

數(shù)值模擬軟件的興起，促進了邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展。王軍等[51]應(yīng)用有限元數(shù)值模擬軟件分析研究了在地震作用下坡高和坡率對黃土高邊坡穩(wěn)定性的影響；田欣欣等[52]分析研究了在地震作用下含有暗穴的高邊坡黃土路基的穩(wěn)定性；靳飛飛[53]以錨桿支護的黃土邊坡為研究對象，分析了地震作用下該邊坡承受力的效果；王應(yīng)麟[54]針對黃土邊坡上層建筑因受地震作用而產(chǎn)生破壞進行分析并提出相應(yīng)對策；王俊卿等[55]分析研究了不同坡度黃土邊坡在地震荷載影響下的邊坡穩(wěn)定性；李旭東等[56]分析研究了強震作用下坡頂建筑荷載對邊坡的穩(wěn)定性，其結(jié)果表明在距坡頂20m外將不再受到邊坡潛在分析滑動面的影響。綜上可見，有限元數(shù)值模擬因其便捷等特點，導(dǎo)致在地震作用下黃土邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用較為廣泛。

試驗在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用亦是普遍，通過試驗可以更加直觀的反映出邊坡失穩(wěn)特征特性，使得邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果更為合理。魯?shù)梦牡萚57]以黃土隧道為背景，通過進行大型振動臺模型試驗，分析研究了該隧道在地震作用下的動力響應(yīng)特征；王尚等[58]應(yīng)用小波包和反應(yīng)譜等方法，通過大型振動臺模型試驗分析研究了黃土邊坡的動力特征；陳金昌等[59]通過大型振動臺模型試驗，分析研究了地震荷載作用下純黃土邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律以及破壞機理；葉帥華等[60]為驗證采用框架錨桿支護的黃土邊坡在地震作用下的可靠性，進行了大型振動臺模型試驗；Wu等[61]通過有、無裂隙邊坡模型振動臺試驗，研究了地震作用下的邊坡動力響應(yīng)特征以及變形失穩(wěn)規(guī)律。

綜上所述，在地震作用下邊坡穩(wěn)定分析課題中，不同學(xué)者針對不同角度進行探索研究，并取得了較為理想、可靠的成果依據(jù)，對提高黃土邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性，減輕因地震作用導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)所造成的損失具有極為重要的意義。但由于地震作用的突發(fā)性、續(xù)發(fā)性，導(dǎo)致在進行地震條件下邊坡穩(wěn)定分析時，存在可能的不確定性。因此還需要不斷地針對地震作用下的黃土邊坡穩(wěn)定作更加深入的研究。

3 降雨地震耦合作用對黃土邊坡穩(wěn)定性的分析研究

降雨與地震耦合作用對于黃土邊坡所造成的影響似乎非常小的，但根據(jù)眾多學(xué)者的研究以及真實案例表示，降雨地震耦合作用所造成危害更為嚴(yán)重，因此分析研究降雨地震耦合作用對黃土邊坡的穩(wěn)定性，能夠更加真實的體現(xiàn)黃土邊坡在多因素條件下的破壞機理，為黃土邊坡建設(shè)治理提供更為可靠的理論依據(jù)。齊信等[62]以汶川地震強震區(qū)為研究對象，對地震誘發(fā)滑坡和后期降雨誘發(fā)滑坡中的控制因子進行耦合分析，為當(dāng)?shù)貫?zāi)后重建提供參考；龔文俊等[63]以甘肅西和縣西山Ⅲ號滑坡作為研究對象，利用GEOSTUDIO有限元軟件，對降雨地震耦合作用對西山Ⅲ號滑坡進行了穩(wěn)定性分析；徐舜華等[64]通過分析岷縣漳縣6.6級地震典型滑坡，位于極震區(qū)永光村黃土滑坡具有泥流特征，其主要是因為過量降水和強地震動耦合作用導(dǎo)致；馬紫娟等[65]通過對禮縣爛山滑坡特征分析并結(jié)合有限元軟件進行降雨地震耦合作用等工況下的穩(wěn)定分析，得出降雨和地震耦合作用對滑坡的穩(wěn)定性具有累計折減效果；王蘭民等[66]通過進行黃土邊坡失穩(wěn)滑移的振動臺試驗，分析了邊坡在地震降雨耦合作用下的失穩(wěn)機制；王蘭民等[67]開展了地震降雨耦合作用下黃土邊坡振動臺模型試驗，分析研究了黃土邊坡的動力響應(yīng)特征；馬磊[68]數(shù)值模擬分析了在地震降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性情況；尹小軍[69]將直剪試驗、掃描電鏡實驗、振動臺模擬試驗等多種試(實)驗相結(jié)合分析研究了黃土邊坡在降雨地震耦合作用下的穩(wěn)定性；Pu等[70]進行了地震降雨耦合作用下的震陷性黃土滑坡的振動臺試驗研究，其結(jié)果表明在該作用模式下，該滑坡的失穩(wěn)模式和失穩(wěn)機理同液化型滑坡有明顯不同。綜上可見，降雨地震耦合作用對黃土邊坡失穩(wěn)也是不可忽視的重要因素，兩種作用的耦合往往會加速黃土邊坡失穩(wěn)，進而造成更為嚴(yán)重的事故。

4 結(jié)語

黃土邊坡作為普遍又較為特殊的結(jié)構(gòu)，在黃土地區(qū)工程建設(shè)中不可避免，而安全穩(wěn)定的邊坡又能避免生命財產(chǎn)損失。降雨、地震作為影響黃土邊坡穩(wěn)定性的主要因素，又不斷的推動邊坡失穩(wěn)。從上述文獻綜述中發(fā)現(xiàn)，黃土邊坡在降雨、地震條件下的穩(wěn)定性影響研究已有很多，無論是各因素條件下的試驗研究，或是數(shù)值模擬，亦或是試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合進行研究，都取得了眾多成果，但依舊存在一些不足。

(1)單因素條件下黃土邊坡的穩(wěn)定性影響研究較多，但雙因素作用或雙因素耦合作用的研究略有缺乏。

(2)在進行黃土邊坡因降雨地震耦合作用失穩(wěn)分析過程中，對影響黃土邊坡穩(wěn)定性的其他因素存在考量不足。

未來，在進行黃土邊坡穩(wěn)定性分析研究中，除考慮降雨、地震等主要影響因素之外，還應(yīng)側(cè)重考慮對黃土邊坡自身特性(如黃土邊坡構(gòu)成：是否存在裂隙等)進行分析研究；應(yīng)加強雙因素或雙因素耦合作用下黃土邊坡的穩(wěn)定性的研究，以期為多因素條件下黃土邊坡穩(wěn)定性分析研究提供理論支撐。