降雨型与地震型滑坡试验研究

王伟锋 耿 赟 王青振 单新建 陈晓利

1)中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，青岛 266580

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

0 引言

滑坡是一种严重的岩土体失稳现象，斜坡体的某一部分在适宜的地形地质条件下可能产生滑坡，但滑坡是否能发生，还需一些因素对坡体施加影响，这些因素可统称为触发因素。按照触发因素，滑坡可分为降雨型滑坡和地震型滑坡(龙万学等，2008)。本文对降雨型和地震型滑坡进行了物理模拟试验。通过改变不同的外界条件，进行滑坡模拟试验进而探讨这2类滑坡的影响因素和发生机理。

1 试验设备与试验方案

1.1 地震型滑坡试验

实验设备为自主设计的简易振动模拟试验仪(图1)，设备由主体振动部分、传感器和数据采集器组成。传感器将采集到的数据传输到数据采集器，再通过软件将实验数据导出。

实验将地震振动分解为水平和竖直2个方向，通过改变振动力的输入方向来探讨振动方向(水平、垂直)对滑坡的影响(魏丽，2005);改变振动力的大小来模拟不同振动强度对滑坡的影响;改变振动的时间来探讨振动持续时间对滑坡的影响。

1.2 降雨型滑坡试验

图1 简易振动模拟试验仪Fig.1 Simple vibration laboratory instruments.

将滑坡体样本放置在斜板上，通过调节斜板的角度来模拟不同坡度的斜坡。实验时，在上方使用喷头喷水(图2)，力求降雨均匀而平稳地喷洒在实验斜坡上。实验采取短历时、强降雨模式。降雨分多个时段来进行，各时段间隔为备水和雨水入渗阶段(高晓斐等，2007)。实验过程中记录下滑坡发生时降雨所用时间及雨量。

2 降雨型滑坡试验

通过对土质坡体进行降雨实验，得出不同坡度下降雨诱发滑坡的临界降雨量，探讨坡度与滑坡临界降雨量之间的关系;同时观测坡体在降雨过程中的形态变化，分析降雨对土质滑坡体的破坏影响机制。

降雨实验所取用土样的力学性质参数如表1所示，滑坡模型的尺寸为160mm×130mm×50mm，放置在斜坡板上，进行模拟降雨实验。

2.1 不同坡度下，降雨诱发滑坡的临界降雨量

实验采用短历时、强降雨模式，对10°、20°、30°、45°坡角的斜坡分别进行实验。降雨过程中，力求降雨均匀而平稳地喷洒在实验斜坡体上。实验记录下滑坡发生时所用的降雨时间和降雨量。降雨滑坡实验所得实验数据如表2所示。

图2 降雨试验模拟过程Fig.2 Simulated rainfall experiment.

表1 土样力学性质参数Table 1 Mechanical property parameters of soil

表2 不同坡角滑坡体的降雨时间和临界降雨量Table 2 Rainfall duration and critical rainfall amount for landslides of different slope angles

通过表2数据可以发现，随着坡度的增大，诱发滑坡所用的临界降雨量急剧减小，降雨所用时间也减少。

2.2 滑坡临界降雨量与坡度的关系

图3为临界降雨量与坡度的关系图，两者呈幂指数函数关系，可以看出，临界降雨量随坡度变大而迅速降低。坡度在10°～30°区间内，临界降雨量随坡度变化明显;坡度＞30°时，临界降雨量曲线变化缓慢。

在中国南方降雨量较大的地区，可以应用临界降雨量与坡度的关系曲线来大致估算斜坡的临界降雨量，可防治降雨型滑坡的发生。

2.3 降雨对土质坡体的破坏影响机制

降雨实验过程中发现，在降雨初期，雨水迅速下渗，使得土体表层的含水率增加，然后逐渐向滑坡体深部渗流。随着降雨时间的增加，坡脚处的孔隙水压力逐渐增大，含水率也达到饱和，使得土体容重增加，抗剪强度减小，导致下滑力大于抗滑力(罗先启等，2005)，坡脚处土体开始松散滑落;随后上部的土体含水率也逐渐达到饱和，当主体都达到饱和状态时，含水率就会趋于稳定，不会随降雨时间的增加而变化了(杨文东，2006)。

图3 滑坡临界降雨量与坡度关系图Fig.3 The relationship between critical rainfall amount and slope gradient.

3 地震型滑坡试验

实验目的是通过对由不同坡度、不同物质组成的斜坡进行振动试验，观测不同条件下模型的变形破坏迹象，分析地震动力对斜坡变形破坏的作用机制与规律。

实验分土质斜坡和岩质斜坡。土质边坡模型所用的材料为松散的黏土，经夯击压实成形。岩质边坡的材料为碎石土、块石土和少量的黏土夯击压实而成(程圣国等，2002)。其岩石力学性质参数如表3所示。

表3 坡体岩石力学性质参数Table 3 Mechanical property parameters of rock slope

3.1 土质和岩质坡体对振动的响应

对土质和岩质坡体分别进行3组坡度为10°的水平振动试验，振动强度分别为弱、中、强，最大振动速度分别为 3.4cm/s、5.4cm/s 和 7.8cm/s。振动速度－时间曲线如图4所示。根据《中国地震烈度表》(GB/T17742－1999)地震震级、震中烈度及峰值速度的对应关系(表4)，实验可模拟不同震级的地震力作用，3种振动强度的峰值速度大致对应震级为4级、4.5级和5级地震的峰值速度。

实验过程中发现，土质坡体在振动过程中，边坡首先从坡体顶部产生竖向的拉裂缝，坡体的两侧也产生一些竖向的小裂缝。随着振动的持续，竖向裂缝变大变深，同时坡脚处产生与走向一致的裂缝，土体开始沿着裂缝产生少量滑塌(于玉贞等，2008)，随着裂缝规模慢慢地扩大，最后土体沿着裂缝开始垮落(图5左)。

岩质坡体对振动的响应为:首先在顶部产生一些竖向拉裂缝(宋娟等，2009)，两侧沿着某些结构面也产生一些细小的裂缝。随着振动的持续，裂缝的规模开始扩大，在主裂缝的底端开始出现近水平的拉裂面，同时主裂缝外侧的岩土体内裂缝增多，并迅速发展，之后形成底滑面(孙萍等，2009)，上部岩体在振动力的作用下沿着底滑面运动，最后整体失稳破坏(图5右)。

3.2 振动输入方向对坡体破坏的影响

将斜坡板的角度调节为30°，在中等振动强度、振动时间为5s的条件下，分别对岩质和土质的坡体进行水平和竖直振动实验，观测二者在水平振动和竖直振动后的形态变化。

图4 振动速度－时间图Fig.4 Vibration velocity time histories.

表4 震级、震中烈度及峰值速度关系对应表Table 4 The corresponding values between magnitude，epicentral intensity and peak velocity

通过实验对比发现，仅竖向振动一般难以使斜坡产生明显的变形破坏，而同样大小的水平振动却能使斜坡产生剧烈的变形破坏，也就是说，竖向地震力对斜坡变形破坏的影响远小于水平地震力的作用(左雅芬等，2011)。其原因可能是:

坡体始终受到重力的作用，竖向地震力的方向随着地震波的传播呈周期性变化(许强等，2009)。当竖向地震力方向向下与重力方向相同时，相当于坡体的重力增加，岩土体间相对运动的摩阻力也相应增大。当竖向地震力方向向上与重力相反时，竖向地震力抵消了部分岩土体的重力，相当于使坡体重量减轻。只有当竖向地震力克服了重力以及岩土体间的粘聚力和摩阻力时坡体才会发生相对位移(陈朝玉等，2010)。因此这2种情况下坡体在竖向都不易发生较大的相对运动。坡体的完整性自然就不易在竖向地震力的作用下发生明显的变形破坏。

而对于水平地震力来说，其带动坡体在水平方向运动需克服的仅是岩土体间的内聚力和水平错动时的摩阻力(校小娥，2010)。岩土体的抗拉强度一般较低，摩阻力受破坏位置、岩土体强度和结构面的影响很大。当岩土体强度较低，尤其是存在与地震波传播方向相垂直的竖向结构面时，坡体很易发生拉裂破坏。因此水平地震力是地震过程中斜坡变形破坏的主要作用力。

表5 不同坡角下土质、岩质坡体滑坡初动时间Table 5 The initial motion time of landslides in soil and rock slopes under different slope angles

图5 土质和岩质坡体破坏形态图Fig.5 Failure modes of soil and rock slopes.

3.3 滑坡坡度与振动破坏时间关系

实验表明，滑坡初动需要在中等振动强度(里氏4.5级)以上条件下发生，记录下土质和岩质坡体不同坡角下(10°、20°、30°和45°)滑坡初动所用振动持续时间，实验数据如表5所示。可以看出，当坡度＜20°时，两类坡体的初动所需振动时间较长，当坡度＞30°时，坡体初动所需振动时间迅速减少。说明相同震级条件下，坡度是滑坡发生的主要控制因素。

图6为在中等振动强度条件下土质和岩质坡体坡度与滑坡初动时间关系图，两条曲线形态相似，滑坡初动时间都随着坡度的增加而减小，在20°～30°坡度范围内滑坡初动时间变化较大。

3.4 汶川地震滑坡与坡度、震级关系

受试验结果启发，对汶川地震型滑坡进行了统计比对，发现汶川地震型滑坡绝大多数是4级以上地震引起的，坡度多为30°～50°。

2008年5月12日四川汶川8.0级特大地震诱发的大小滑坡约1 200多处，新产生的滑坡和不稳定斜坡达2 794处(乔建平等，2009)，87%的地震滑坡坡度都集中在30°～50°(图7)，其中4级以上地震引起的占79%。

汶川附近的彭州地区是地震滑坡的高发区域。成都市国土资源局调查统计了该区域在地震期间不同震级下、不同坡度的滑坡发生的次数(乔建平等，2009)(图8)，图8中可看出，当震级达到4级时，地震引发的滑坡数量明显增加。大部分滑坡都集中在30°～55°，坡度越陡越容易发生滑坡。汶川地震的余震持续不断，据地震局统计(樊晓一等，2012)，截止到2010年7月26日，4级以上余震达到316次，这些余震可能会对欠稳定的坡体造成新的滑坡灾害。

图6 土质与岩质坡体坡度与滑坡初动时间关系图Fig.6 Diagram of slope gradient and initial motion time in soil and rock slopes.

图7 汶川地震滑坡坡度分布图Fig.7 Distribution of landslide gradients in Wenchuan earthquake.

汶川地区地震滑坡大都集中在坡度为30°～50°范围之内，在震级≥4级时，坡度＞30°的大部分坡体都易发生滑坡。因此，在汶川地区应重点对坡度＞30°的潜在滑坡体进行预防治理。

4 结论

4.1 降雨型滑坡

对不同坡角的土质边坡进行了分时段降雨实验，得到了不同坡角下降雨诱发滑坡的临界降雨量。发现坡度与滑坡临界降雨量呈幂指数关系，坡度越大，诱发滑坡所用的临界降雨量越小。

4.2 地震型滑坡

(1)土质坡体对振动的响应:坡体顶部产生竖向的拉裂缝，坡体的两侧也产生竖向的小裂缝;裂缝的规模不断扩大，最后土体沿着裂缝开始垮落。岩质坡体对振动的响应:顶部产生竖向拉裂缝，两侧结构面处产生细小的裂缝，裂缝的规模不断扩大，主裂缝底端出现近水平的拉裂面，形成底滑面，上部岩体在振动力的作用下沿着底滑面运动，最后整体失稳破坏。

(2)水平振动惯性力对斜坡的变形破坏的影响比竖向振动惯性力作用要强烈得多。在地震过程中，地震水平惯性力是使斜坡产生变形破坏的主要原因。

图8 汶川地震滑坡坡度与地震震级关系图Fig.8 The relation between earthquake magnitude and landslide gradients in Wenchuan earthquake.

(3)在相同的振动强度下，在坡度＜25°时，土质坡体较岩质坡体易发生滑坡;在坡度＞25°的情况下，岩质坡体更易发生破坏。

(4)对汶川地震滑坡进行的统计分析发现，该地区大多数滑坡都由4级以上地震引起，滑坡的坡度主要集中在30°～50°，坡度越陡越易发生滑坡;当地震震级≥4级时，该地区坡度＞30°的坡体易发生滑坡，应加强对此类边坡的防治处理。

陈朝玉，黄文辉，谭华.2010.振动对松散含煤夹层顺层边坡稳定性影响的模型研究［J］.矿业工程研究，25(2):29—32.

CHEN Chao-yu，HUANG Wen-hui，TAN Hua.2010.Model experimental study of the effect of vibration on the soft coal sandwich bedding slope stability［J］.Mineral Engineering Research，25(2):29—32(in Chinese).

程圣国，罗先启，方坤河.2002.土质滑坡相似材料试验设计理论及评价方法研究［J］.水力发电，(4):21—23.

CHENG Sheng-guo，LUO Xian-qi，FANG Kun-he.2002.The test and design theory of the similar materials of soil-type landslide and the study on its assessment method［J］.Water Power，(4):21—23(in Chinese).

樊晓一，张友谊，杨建荣.2012.汶川地震滑坡发育特征及其影响因素［J］.自然灾害学报，21(1):128—134.

FAN Xiao-yi，ZHANG You-yi，YANG Jian-rong.2012.Developmental characteristics and influence factors of landslides in Wenchuan earthquake［J］.Journal of Natural Disasters，21(1):128—134(in Chinese).

高晓斐，陈植华，安琪.2007.降雨对斜坡失稳的影响作用探讨［J］.地下水，29(1):85—87.

GAO Xiao-fei，CHEN Zhi-hua，AN Qi.2007.Discussion on effect of unstable landslide by rainfall［J］.Ground Water，29(1):85—87(in Chinese).

龙万学，吴俊，傅鹤林.2008.降雨型滑坡现场模拟试验研究［J］.贵州工业大学学报(自然科学版)，37(3):20—23.

LONG Wan-xue，WU Jun，FU He-lin.2008.Research on on-site simulation test of landslide by artificial rainfall［J］.Journal of Guizhou University of Technology(Natural Science Edition)，37(3):20—23(in Chinese).

罗先启，刘德富，吴剑，等.2005.雨水及库水作用下滑坡模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，24(14):2476—2483.

LUO Xian-qi，LIU De-fu，WU Jian，et al.2005.Model test study on landslide under rainfall and reservoir water fluctuation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，24(14):2476—2483.

宋娟，贺海斌.2009.叠溪地震滑坡振动台试验研究［J］.建筑科学，25(5):36—40.

SONG Juan，HE Hai-bin.2009.Study on vibration table test of Diexi earthquake landslide ［J］.Building Science，25(5):36—40(in Chinese).

孙萍，殷跃平，吴树仁，等.2009.高速远程地震黄土滑坡发生机制试验研究［J］.工程地质学报，17(4):449—454.

SUN Ping，YIN Yue-ping，WU Shu-ren，et al.2009.An experimental study on the initiation mechanism of rapid and long run-out loess landslide caused by 1920 Haiyuan earthquake［J］.Journal of Engineering Geology，17(4):449—454(in Chinese).

乔建平，蒲晓虹，王萌，等.2009a.大地震诱发滑坡的分布特点及危险性区划研究［J］.灾害学，24(2):25—29.

QIAO Jian-ping，PU Xiao-hong，WANG Meng，et al.2009a.A study on characteristics of distribution of earthquake-induced landslides and hazard zoning［J］.Journal of Catastrophology，24(2):25—29(in Chinese).

乔建平，蒲晓虹，王萌，等.2009b.汶川地震滑坡的分布特点及最大震中距分析［J］.自然灾害学报，18(5):10—15.

QIAO Jian-ping，PU Xiao-hong，WANG Meng，et al.2009b.Analysis of distribution characteristics of landslide induced in Wenchuan earthquake and relevant maximum epicenter distance［J］.Journal of Natural Disasters，18(5):10—15(in Chinese).

魏丽.2005.暴雨型滑坡灾害形成机理及预测方法研究［D］:［学位论文］.南京:南京信息工程大学.1—5.

WEI Li.2005.Study on mechanism and predicting method of landslide hazard triggered by extremely heavy rainfall［D］.Ph D thesis.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing.1—5(in Chinese).

校小娥.2010.地震作用下滑坡稳定性分析:以八浪沟滑坡为例［D］:［学位论文］.成都:西南交通大学.29—31.

XIAO Xiao-e.2010.Dynamic and stability of landslide under earthquake loading—Taking Balangguo landslide as an example［D］.Master degree thesis.Southwest Jiaotong University，Chengdu.29—31(in Chinese).

许强，陈建君，冯文凯，等.2009.斜坡地震响应的物理模拟试验研究［J］.四川大学学报(工程科学版)，41(3):266—272.

XU Qiang，CHEN Jian-jun，FENG Wen-kai，et al.2009.Study of the seismic response of slopes by physical modeling［J］.Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition)，41(3):266—272(in Chinese).

杨文东.2006.降雨型滑坡特征及其稳定分析研究［D］:［学位论文］.武汉:武汉理工大学.23—25.

YANG Wen-dong.2006.Study on the characteristics and stability analysis of rainfall-induced landslides［D］.Ph D thesis.Wuhan University of Technology，Wuhan.23—25(in Chinese).

于玉贞，李荣建，李广信，等.2008.饱和砂土地基上边坡地震动力离心模型试验研究［J］.清华大学学报(自然科学版)，48(9):1422—1425.

YU Yu-zhen，LI Rong-Jian，LI Guang-xin，et al.2008.Experimental study on centrifuge model dynamic behavior of slopes with saturated subgrades during earthquakes［J］.J Tsinghua Univ(Sci＆ Tech)，48(9):1422—1425(in Chinese).

左雅娅，冯文凯.2011.土质边坡震裂机制物理模拟研究［J］.工程地质学报，19(1):21—28.

ZUO Ya-ya，FENG Wen-kai.2011.Physical smulation on genetic mechnism of rupture in soil slope under earthquake［J］.Journal of Engineering Geology，19(1):21—28(in Chinese).