地震及降雨交互作用下典型路塹滑坡特征及其誘發(fā)機(jī)制
——以云南漾濞6.4 級地震為例

馮 宇 ，向亞文 ，張志權(quán) ，海 同 ，袁剛烈

(1.中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司重慶分公司, 重慶 401329；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240)

滑坡影響因素及運(yùn)動機(jī)理具有多變性和復(fù)雜性。開挖卸荷改變了邊坡坡度及內(nèi)部應(yīng)力場[7]，疊加地震及降雨持續(xù)影響導(dǎo)致路塹滑坡多發(fā)[8-10]。針對地震、降雨及開挖作用的路塹邊坡失穩(wěn)特征及災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制，學(xué)者們通過振動臺試驗及數(shù)值模擬等方法展開了大量研究，如信春雷等[11]研究近斷層地震動對階梯式順層巖質(zhì)路塹邊坡震裂損傷的作用機(jī)制，馬坤等[12]分析降雨作用下路塹邊坡的變形特征及機(jī)理，徐興華等[13]模擬研究降雨作用及坡腳開挖激發(fā)路塹滑坡的災(zāi)變效應(yīng)?，F(xiàn)有研究多針對開挖、地震、降雨單一荷載作用下路塹邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，對于開挖、地震、降雨聯(lián)合作用產(chǎn)生的互促效應(yīng)研究仍存在不足，導(dǎo)致地震及降雨交互作用下路塹滑坡致災(zāi)機(jī)制解釋不清。

在開挖、地震、降雨聯(lián)合作用產(chǎn)生的互促效應(yīng)作用下，邊坡土體的損傷逐漸產(chǎn)生、傳播和聚結(jié)，達(dá)到一定程度后邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞[14-15]，明晰荷載互促效應(yīng)依賴于邊坡?lián)p傷的實時測試及評估?，F(xiàn)階段，對于邊坡?lián)p傷的測試及評估方法主要依賴于邊坡位移監(jiān)測[16-17]，單一的位移數(shù)據(jù)難以反映邊坡整體損傷狀態(tài)，邊坡內(nèi)損傷實時測試及評估技術(shù)難點需要突破，關(guān)于量化邊坡內(nèi)損傷演化過程的研究仍處于起步階段。電測法具有深度數(shù)據(jù)信息豐富、操作簡單及快速測試等優(yōu)勢，被廣泛用于土木工程等領(lǐng)域[18]。土體的電參數(shù)與微結(jié)構(gòu)特征相關(guān)，許多學(xué)者通過電測量方法評估巖土體的損傷演化過程。李笑唯等[19]建立邊坡軟弱層損傷與電阻率變化率的關(guān)系，探討將電測量方法用于邊坡軟弱層損傷累積研究中的可行性；楊榆璋等[20]結(jié)合電測量方法測試及評估降雨作用下的全風(fēng)化花崗巖路塹邊坡侵蝕狀態(tài)。鑒于此，以在建大理-漾濞-云耳高速公路為背景，針對2021年6.4 級漾濞地震下路塹滑坡，采用無人機(jī)航拍及電測量等方法開展現(xiàn)場監(jiān)測，基于土體電參數(shù)與損傷因子的相關(guān)性研究路塹邊坡?lián)p傷演化規(guī)律，揭示地震及降雨交互作用下路塹滑坡的誘發(fā)機(jī)制。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

2021 年5 月21 日，云南省大理州漾濞縣發(fā)生6.4 級 地 震，震 源 深 度8 km，震 中 位 于25°40'N，99°52'E。此次地震最高烈度為Ⅷ度(8 度)，Ⅵ度(6 度)區(qū)(含)以上面積約6 600 km2，等震線長軸呈北西走向，長軸106 km，短軸76 km，共涉及大理州6 縣市[21]。文中研究區(qū)域為在建大漾云高速公路沿線，研究對象為該公路沿線的路塹滑坡。通過地質(zhì)勘察及鉆孔取芯得到大漾云在建高速公路線路穿越區(qū)域工程地質(zhì)圖，如圖1。由圖1 可看出：該區(qū)域地質(zhì)時代跨度不大，巖石種類較為單一，地層主要由上覆土層及下部基巖組成。邊坡上覆土層主要為軟塑、可塑、硬塑粉質(zhì)黏土、黏土及碎塊石土、漂石、卵石、圓礫、砂土等；下部基巖為沉積巖類，具體為泥巖、砂巖、礫巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，局部為泥灰?guī)r、黏土巖等巖石。

圖1 公路沿線工程地質(zhì)及調(diào)查測試點Fig.1 Engineering geology and survey testing points along the highway

1.2 研究方法

為探討開挖、降雨及地震下路塹滑坡復(fù)雜的誘發(fā)機(jī)理，以路塹邊坡?lián)p傷累積效應(yīng)為切入點，對云南漾濞6.4 級地震典型路塹滑坡災(zāi)害展開現(xiàn)場調(diào)查，獲取滑坡致災(zāi)因子、失穩(wěn)規(guī)律及運(yùn)移模式；開展無人機(jī)航拍及電測量等現(xiàn)場測試，獲取邊坡表面裂隙演化特征及損傷時空演化特征，分析地震及降雨交互作用下路塹滑坡誘發(fā)機(jī)制。研究技術(shù)路線如圖2。

圖2 技術(shù)路線Fig.2 Technology roadmap

1.2.1 路塹滑坡災(zāi)害特征分析方法

對在建大漾云高速公路沿線在漾濞地震中的典型地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，經(jīng)初步分析，地質(zhì)災(zāi)害主要觸發(fā)因素有地震、降雨、工程活動作用，以降雨、地震為主要致災(zāi)因子?？紤]地震烈度、開挖狀態(tài)及地質(zhì)條件的影響，在研究區(qū)域內(nèi)利用無人機(jī)航測調(diào)查手段，獲取滑坡的滑動方向、堆積體方量及裂隙分布及寬度、深度等特征，分析不同路塹滑坡的破壞特征及失穩(wěn)規(guī)律，并確定典型滑坡勘測點，如圖1。

1.2.2 路塹滑坡電測量測試方法

綜上所述，我國城市發(fā)展逐漸走向數(shù)字化時期，基礎(chǔ)測繪地理信息將在數(shù)字化城市建設(shè)的過程中發(fā)揮巨大的作用。目前，我國的測繪地理應(yīng)著手從加強(qiáng)地理國情監(jiān)測出發(fā)，不斷完善地理信息平臺，對城市不同人群做出不同的分析，利用大數(shù)據(jù)的影響去進(jìn)行智慧城市的建設(shè)。

基于無人機(jī)調(diào)查結(jié)果，在VI 度區(qū)域、VII 度區(qū)域及VIII 度區(qū)域選取若干勘測點采用無人機(jī)航測及地球物理勘探方法中的電測量方法獲取滑坡的上覆土層厚度滑動面分布等地下信息，分析不同路塹滑坡的運(yùn)移模式。假設(shè)土層是各向同性和均勻的，電測量原理如圖3。

圖3 電測量測試原理Fig.3 Testing principle of electrical measurement

采用傳統(tǒng)的溫納裝置進(jìn)行測試，電源通過一對導(dǎo)電電極A 和B 在大地內(nèi)建立穩(wěn)定的電流場，輸入強(qiáng)度為I的直流電。通過電極間距為L的另外2 個導(dǎo)電和非極化測量電極M 和N 測量電極間電位差ΔU，測量點(電極M 和N 之間的中點)的視電阻率ρs計算式如下：

式中，K為電極排列系數(shù)，測試裝置一定時K為常數(shù)。布設(shè)足量的電極，通過在大地產(chǎn)生電場測試地下電參數(shù)分布，由傳輸電纜傳輸電信號并記錄數(shù)據(jù)，其中探測深度隨供電電極間距的增大而增大，最終形成1 個倒梯形的視電阻率剖面，采用最小二乘法進(jìn)行反演計算獲取邊坡電阻率ρ。土體和巖體的導(dǎo)電性相差較大，可通過電阻率的分布獲取邊坡的地質(zhì)構(gòu)造。同時在地震及降雨作用下，邊坡土體受損產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致土體導(dǎo)電性降低，因此可通過電阻率的變化及差異來識別邊坡?lián)p傷的時間演化及空間分布特征。

2 路塹滑坡調(diào)查及測試結(jié)果與分析

2.1 路塹滑坡調(diào)查結(jié)果

2.1.1 不同烈度區(qū)內(nèi)地震滑坡的破壞特征

不同烈度區(qū)內(nèi)地震滑坡的破壞特征如表1。由表1 可看出：VIII 度區(qū)域未開挖斜坡存在局部失穩(wěn)現(xiàn)象，后緣及坡面存在較多裂縫，最大滑坡體積達(dá)到50 000 m3；VII 度區(qū)域半開挖半支護(hù)狀態(tài)路塹邊坡坡體整體向下蠕變，后緣裂縫貫通，坡面存在較多細(xì)小裂縫，混凝土格柵倒塌；VI 度區(qū)域半開挖半加固狀態(tài)路塹邊坡局部塌陷，后緣及坡面存在裂縫。綜上表明開挖擾動會增加路塹邊坡的地震滑坡風(fēng)險，且致災(zāi)程度與地震烈度呈正相關(guān)；支護(hù)措施的增加可顯著降低邊坡的滑移風(fēng)險。

表1 不同烈度區(qū)內(nèi)地震滑坡的破壞特征Tab.1 Failure characteristics of earthquake landslides in different intensity regions

2.1.2 地震和降雨后典型路塹邊坡的表面形態(tài)

以VII 度區(qū)域為例分析邊坡表面裂隙時空演化特征，該區(qū)域邊坡處于半開挖半支護(hù)狀態(tài)，邊坡表層覆蓋有碎石土，下部基巖為板巖，地震和降雨后上部碎石土沿板巖滑移，如圖4。由圖4 可看出：地震后路塹邊坡存在多處開裂，其中形成寬度3～4 m 的1 號貫通主裂縫，在主裂縫后方50～70 m 處存在2 號和3 號2 條裂縫，坡面處錨索框格梁工程折斷。地震后該地區(qū)進(jìn)入雨季，在持續(xù)降雨作用下，1 號貫通主裂縫逐漸拓展，寬度約8 m，同時坡體整體呈向下滑移的趨勢。

圖4 VII 度區(qū)路塹滑坡特征Fig.4 Characteristics of cutting landslide in grade VII area

2.2 地震和降雨后典型路塹邊坡電阻率演化規(guī)律

地震及降雨后VII 區(qū)典型路塹邊坡電阻率剖面如圖5。由圖5 可看出：地震后邊坡電阻率整體呈層狀分布，其中在深度(邊坡表面與目標(biāo)點的垂直高程差)0～＜5 m 區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)局部高阻，電阻率分布區(qū)間為1 000～30 000 Ω·m；深度在5～＜30 m 內(nèi)，電阻率分布較均勻，區(qū)間為0～1 000 Ω·m；深度大于30 m 時，電阻率大于1 000 Ω·m。電阻率除具有層狀分布特征外，同時在局部區(qū)域存在沿深度方向的貫通特征，分布區(qū)間為150～500 Ω·m，該區(qū)域與現(xiàn)場調(diào)研裂縫所在位置較吻合。同時，隨著降雨的進(jìn)行，在深度0～＜5 m 區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)局部低阻區(qū)域，而在沿深度方向貫通特征的區(qū)域內(nèi)電阻率呈增大的趨勢，分布區(qū)間為150～1 600 Ω·m。

圖5 地震及降雨后邊坡電阻率分布Fig.5 Distribution of sope resistivity after earthquake and rainfall

將現(xiàn)場測量得到的電阻率進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，并引入高斯分布模型，結(jié)果如圖6。

圖6 電阻率高斯分布模型Fig.6 Gaussian distribution model of resistivity

由圖6 可看出：電阻率呈近似正態(tài)分布，數(shù)據(jù)可按高斯分布規(guī)律進(jìn)行處理。對于均質(zhì)材料，電阻率呈單峰特征，而隨材料數(shù)量的增加，電阻率單峰峰度減小，概率密度峰值呈減小趨勢[22]。地震后對數(shù)電阻率單峰數(shù)學(xué)期望為2.79，概率密度峰值為0.070；降雨后土體損傷程度進(jìn)一步增加，對數(shù)電阻率單峰數(shù)學(xué)期望為2.99，概率密度峰值為0.056。

為實現(xiàn)邊坡材料的分割，以2 m 作為區(qū)間間距，分區(qū)間分析沿邊坡深度方向的電阻率，結(jié)果如圖7，8。由圖7，8 可看出：在深度0～＜10 m 區(qū)域內(nèi)，電阻率概率密度峰值呈先減后增的趨勢，對數(shù)電阻率數(shù)學(xué)期望則呈逐漸減小的趨勢；在深度10～＜20 m 區(qū)域內(nèi)，隨深度的增加，概率密度峰值呈平穩(wěn)波動的趨勢，對數(shù)電阻率數(shù)學(xué)期望則呈逐漸增大的趨勢；在深度20～＜30 m 區(qū)域內(nèi)，概率密度峰值呈增大的趨勢，對數(shù)電阻率數(shù)學(xué)期望也繼續(xù)呈逐漸增大的趨勢。以概率密度峰值和谷值對應(yīng)的電阻率(457，933 Ω·m)為材料閾值，將邊坡材料劃分為碎石土、裂隙土及板巖3 種。其中電阻率區(qū)間為0～457 Ω·m 識別為碎石土，電阻率區(qū)間為457～933 Ω·m 識別為裂隙土，電阻率大于933 Ω·m 識別為板巖。

圖7 不同邊坡深度電阻率空間概率密度統(tǒng)計Fig.7 Spatial probability density statistics of resistivity in different slope depths

圖8 材料閾值確定Fig.8 Determination of material threshold

結(jié)合電阻率數(shù)據(jù)剖面，對地震及降雨后邊坡的地質(zhì)構(gòu)造及損傷狀態(tài)進(jìn)行評估，結(jié)果如圖9。由圖9可看出：地震后，在表層以下深度20～＜30 m 范圍內(nèi)，為單一的碎石土，表層存在大量裂隙；在30 m 以下為板巖，碎石土與板巖之間存在2～4 m 的裂隙土層。裂隙土除層狀分布特征外，在測線方向70 m 及100 m區(qū)域范圍內(nèi)存在沿深度方向貫通的裂隙土。隨著降雨的進(jìn)行，表層裂隙的拓展更進(jìn)一步，沿深度方向貫通的裂隙土區(qū)域范圍增大。

圖9 地震及降雨后邊坡材料分割Fig.9 Slope material segmentation after earthquake and rainfall

3 考慮地震及降雨交互作用的路塹滑坡誘發(fā)機(jī)制

3.1 邊坡?lián)p傷演化規(guī)律

土體電阻率的變化與土體損傷參數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)性[23]。為評估邊坡的損傷演化規(guī)律，將降雨、地震等荷載作用于土體，模擬土體在地震及降雨作用下的受損過程。試驗過程中開展電測量獲取土體電參數(shù)，同時在荷載作用前后，通過靜三軸試驗測試土體強(qiáng)度。定義土體強(qiáng)度衰變?yōu)閾p傷因子，建立土體電參數(shù)與損傷因子的相關(guān)性：

式中：Δρ0為電阻率變化率；ρ0為初始電阻率；n為工況數(shù)；ρn為第n個工況下的電阻率；D為損傷因子；σD為荷載作用后損傷土體峰值應(yīng)力；σ0為初始狀態(tài)土體峰值應(yīng)力；a,b為系數(shù)，本研究中a=0.31，b=1.00。通過同時檢測邊坡體內(nèi)電阻變化率Δρ0及邊坡表面裂縫寬度演化來綜合評估邊坡的損傷演化規(guī)律，結(jié)果如圖10。

圖10 電阻率及裂縫演化規(guī)律Fig.10 Evolution law of resistivity and fracture

由圖10 可看出：電阻率的變化率與裂縫寬度的增長趨勢存在一致性，地震后，邊坡的電阻率變化率為0.59，而裂隙的寬度為2.9 m；在地震后的降雨時間段內(nèi)，邊坡的電阻率變化率為0.90，而裂隙的寬度為4.7 m，邊坡的損傷程度開始持續(xù)增長；降雨后，邊坡的電阻率變化率為1.45，而裂隙的寬度為8.0 m，邊坡的損傷程度進(jìn)入快速增長階段，坡體開始滑移。

3.2 滑坡誘發(fā)機(jī)制

結(jié)合地震及降雨后邊坡?lián)p傷狀態(tài)評估結(jié)果，震后受損邊坡的災(zāi)變機(jī)制如圖11。

圖11 滑坡誘發(fā)機(jī)制Fig.11 Trigger mechanism of the landslide

由圖11 可看出：由于開挖路塹邊坡未及時采取支護(hù)措施時受到地震的影響，邊坡處于受損狀態(tài)，坡體多處開裂；在降雨作用下，裂縫受到滲流作用，土體進(jìn)一步受損，坡體沿著滑動面逐步滑移擠壓下部路塹邊坡坡體；同時下部路塹邊坡坡體受到部分錨桿的拉力及摩阻力，隨著降雨作用下土體的進(jìn)一步損傷，坡體多個后緣面區(qū)域損傷因子大于0.36，下滑力逐漸大于拉力及摩阻力，坡體呈緩慢下滑的趨勢，裂縫進(jìn)一步拓展，加劇了降雨損傷作用；另一方面，下部坡體的滑移導(dǎo)致了上部坡體的拉裂，坡體產(chǎn)生多處裂縫，在降雨滲流作用下，上部坡體也開始滑移同時擠壓下部坡體，加劇了下部坡體的滑移。

4 結(jié)論

以2021 年6.4 級漾濞地震下典型路塹滑坡為例，采用高密度電測量法及無人機(jī)航測方法，對路塹滑坡災(zāi)害特征開展現(xiàn)場調(diào)查及測試，探究地震典型路塹滑坡特征及其誘發(fā)機(jī)制，所得主要結(jié)論如下：

1) 支護(hù)不足、地震烈度與邊坡受損程度正相關(guān)，未支護(hù)邊坡受到地震的影響較大。開挖擾動會增加地震滑坡風(fēng)險，致災(zāi)程度與地震烈度正相關(guān)，增加支護(hù)措施可顯著降低邊坡的滑移風(fēng)險。

2) 地震與降雨作用之間存在互促效應(yīng)，降雨會極大影響震損邊坡的穩(wěn)定性。路塹邊坡在地震作用下受損，其開挖面的頂部形成貫通主裂縫，最大寬度及深度可達(dá)3～4 m，但在局部錨桿拉力作用下滑移程度較小。在進(jìn)一步的降雨滲流作用下，沿裂縫深度方向土體損傷度進(jìn)一步升高，坡體局部損傷因子大于0.36；坡體下滑力逐漸大于局部錨桿拉力及摩阻力，坡體呈緩慢下滑的趨勢，裂縫寬度從2.9 m 快速增至8.0 m。下部坡體的滑移導(dǎo)致上部坡體的拉裂，坡體產(chǎn)生多處裂縫并滑移擠壓下部坡體，加劇下部坡體的滑移。