基于土工离心模型试验的平缓堆积层滑坡形成机理——以四川南江七岭村滑坡为例

王维早, 许　强, 郑海君

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；

2.石家庄经济学院 勘查技术与工程学院,石家庄 050031)



基于土工离心模型试验的平缓堆积层滑坡形成机理
——以四川南江七岭村滑坡为例

王维早1,2, 许强1, 郑海君1

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；

2.石家庄经济学院 勘查技术与工程学院,石家庄 050031)

[摘要]2011年9月16日，四川省南江县特大暴雨诱发了1 571处滑坡，造成众多人员伤亡和财产损失。在这些滑坡中65%以上是堆积层滑坡。为了探讨南江县平缓堆积层边坡的滑动失稳机制，作者利用大型离心模型试验，再现了强降雨引起红层地区堆积层边坡的滑动失稳的全过程，获得了边坡变形破坏的特征参量。试验结果表明:天然情况下，边坡变形以沿基覆界面软弱层的蠕滑为主，坡体总体处于蠕滑变形状态；降雨情况下，坡体中后部拉张破裂变形显著，并最终产生整体滑动。通过模型和原型的综合对比分析，该边坡的滑动失稳机制为以蠕滑拉裂为基础、暴雨形成的裂隙静水压力为触发滑动的力学动因。

[关键词]滑坡；离心模型试验；失稳机制；南江县

Study on formation mechanism of gradual accumulation landslide

七岭村滑坡位于四川省南江县境内，所处地势相对比较平缓，坡度在10°～20°，一般认为这类地形是不会发生滑坡，甚至大规模的群发性滑坡的。但在强降雨作用下,南江县平缓红层地区却屡见大规模群发性滑坡, 可见其形成原因是独特的，因而对独特的成因机理进行研究具有非常重要意义。

离心模型试验由于能够模拟在重力场作用下边坡的变形过程，很好地揭示滑坡的形成机理，因而在边坡工程中的应用逐步得到推广[1-7]。离心模型试验的优点主要有：模型结构与原型结构在应力、应变、变形规律和破坏机理等方面有着相似性，成为设计验证和方案比选的常用工具,也成为探讨土与结构相互作用机理的有效手段[8-11]。

本文以四川省南江县七岭村滑坡为例，进行大型土工离心模型试验，以期揭示边坡变形破坏的规律及其运动过程，为现场防灾减灾提供参考。通过对七岭村滑坡的变形特征、成因机制及防治措施的研究，为该类滑坡灾害的防治及监测预警提供依据。

1滑坡区工程地质条件

1.1地形地貌与地质

勘查区属于中低山地貌，区内地势总体上北底南高，一般海拔高度为878.3～1 421.3 m；滑坡区地势为一缓倾单面山，地形坡度为10°～18°，局部最大为25°，地形起伏较小。

滑坡区内新构造运动不发育，七岭村境内未见断层通过，构造对七岭村滑坡影响不大。

七岭村的地层是第四系残坡积松散堆积层覆盖在苍溪组之上。第四系松散堆积体结构松散，分选差，孔隙大，渗透性强，为水的渗流提供了良好的通道，易于地表水、地下水渗流。剑门关组的产状比较缓，倾角为10°～20°，但层面比较光滑，且渗透性较差，在强降雨或者持续降雨作用下，第四系松散堆积与基岩接触的部位很容易达到饱和状态，其抗剪强度大幅度降低，极容易形成滑坡。

1.2气象及水文地质

南江县是北亚热带湿润季风气候。区内气候温和,降水丰沛,多年平均气温为16.2℃,最高为38.2℃,最低为-6.5℃,年降雨量为1 198.7 mm,雨量集中,85%的降水集中于5—10月份。七岭村滑坡发生于2011年9月18日，滑坡发生时的降雨情况如图1。七岭村2011年7月实测降雨量为440.9 mm，9月份实测降雨量为720.6 mm，其中7月6日降雨量为195.8 mm，9月6日降雨量为117.9 mm，17日降雨量为250.4 mm。

滑坡区主要发育有第四系孔隙水和红层裂隙水，第四系孔隙水赋存于松散岩类零星分布的河漫滩、河流阶地及斜坡上；红层裂隙水则主要是松散岩类中的孔隙裂隙水。

2滑坡特征

2.1滑坡体形态

滑坡左侧、右侧以沟为界，后缘以陡壁为界，前缘以沟为界，滑坡体在平面上呈“舌状”(图2)。从地形地貌上看，滑坡上部滑床出露，中部及下部是滑坡堆积体，中部中间位置呈凹形，滑坡周界非常明显。滑坡后缘海拔高度为990～995 m，前缘为900 m，前后缘相差约90 m；前缘剪出口海拔高度为920～930 m；滑体表面坡度较缓，一般为10°～18°，局部最大达到25°；滑坡纵向长357 m，横向长90 m，面积约为32 000 m2，滑坡体上部的主滑方向为335 °，下部主滑方向为30°，滑向前缘的沟谷；厚度为1～6 m，平均约为3 m；滑坡体积约为100 000 m3。从剖面上看(图3)，基本呈一直线型。该滑坡属松散堆积物滑坡，滑体为第四系残坡积和崩积碎块石土，滑面形态呈直线形。

图1　七岭村2011年7月至9月降雨量Fig.1　The rainfall of Qiling during July to September of 2011

图2　滑坡边界Fig.2　Boundary of the Qiling landslide1.滑坡边界； 2.滑坡亚区边界； 3.主滑方向； 4.剖面线及编号

2.2滑面特征

据野外调查取样显示，七岭村滑坡的滑带基本位于紫红色残坡积粉质黏土层中。该层中包含全风化岩石角砾、石英、云母片等，为残积、碎块石土与基岩的接触层，局部滑带土不均匀，切面粗糙，有揉搓或擦动痕迹；手捏有滑腻感，很湿，处于软塑-流塑状态。滑面(带)中部埋深大，前后部较小，纵剖面上呈折线型(图3)，略有起伏。

2.3滑床特征

野外调查显示，七岭村滑坡的滑床所处地层为苍溪组。滑坡上部滑床出露(图4)，滑床为紫红色泥岩。在滑床上覆盖一层约5 mm的土，具有明显的擦痕，表明是滑体滑动以后残留在滑床上的。这部分滑床分为2部分，上部滑床的产状为335°～341°∠15°～17°,下部滑床的产状为337°～341°∠17°～21°，上部滑床稍缓，下部滑床稍陡。在滑床的两侧是土体覆盖层，厚度为30～150 cm；滑体后缘是土体覆盖层，厚度为90 cm，其上有大块石，直径为0.5～3 m，此块石可能是以前崩滑的产物。据野外踏勘结果分析，滑床纵向呈直线型，局部有起伏；横向也呈直线型，局部稍有起伏；两侧几乎对称，并且两侧埋深也几乎相同。

图3　七岭村滑坡Ⅰ-Ⅰ纵剖面实测剖面图Fig.3　Longitudinal measured profile of Qiling landslide

图4　滑坡后缘出露的滑床Fig.4　The sliding beds revealled on the Qiling landslide back margin(A)滑坡上部出露的滑床; (B)滑坡中上部出露的滑床

2.4滑体特征及物质组成

滑体长约357 m，宽约90 m。该滑坡体在厚度分布上具有纵向上薄下厚的特点，在横向具有两侧厚中间薄的特点(图5)。滑体上部形成大小不一的堆积体，土体变动痕迹明显，像耕地翻过一样。在滑坡的中下部水稻田中有大量的裂隙，裂隙的走向为95°，宽度为5～75 cm；局部有塌陷槽，塌陷槽宽度为4.2 m。滑体上有大漂石，证明此滑体是古滑体再次滑动。滑体中部形成错动有序的小平台。滑体前缘有陡坎，坎高约20 m；滑体滑动方向45°，前缘的树木向50°方向倾倒，有土体从上面滑过的痕迹。

滑体从表向里分别是第四系耕植土和残坡积松散堆积层，耕植土厚20～30 cm，残坡积松散堆积层厚120～450 cm。残坡积松散堆积层为块碎石土，由角砾土和砂土充填，紫红色-黄褐色。块石含量(体积分数)为30%～50%，粒径为20～100 cm；碎石的体积分数为10%～20%，粒径为2～20 cm，分选及磨圆性差；角砾、砂土及粉质黏土的体积分数为40%～50%。块碎石岩性主要为紫灰色、浅灰色、灰白色细砂岩及浅灰色、灰白色中-细粒长石石英砂岩，偶见紫红色的粉砂质泥岩，与周围出露的基岩一致。

图5　七岭村滑坡Ⅱ-Ⅱ横剖面实测剖面图Fig.5　The measured profiles of the Qiling landslide

3离心机模型设计

3.1相似关系及模型大小

3.1.1相似关系

离心模型的相似比为n，表1是模型与原型主要物理量的相似比，在模型制作时，模型的物理量要严格按照相似比来制作。

表1　离心模型与原型的相似比(模型比尺为n)

3.1.2模型大小

本试验以模型大小(滑体厚度)、质量密度为控制量，滑坡的滑源区长约350 m，滑体的平均厚度约3～5 m，建立概念模型。综合考虑模型大小和原型条件，确定几何相似系数为50，设计模型长150 cm，滑体高均为10 cm，模型宽均为50 cm。

3.2模型材料

滑床材料：南江县堆积层滑坡滑床为棕红、紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及厚—块状中—细粒长石石英砂岩、岩屑砂岩、砾岩，本文采用砖和水泥砂浆来模拟。由于基岩重度对滑坡基本无影响，则对基岩重度无特殊要求。

滑体材料：使用滑坡现场的土体，按照现场土体的颗粒级配进行滑体材料配比，并在实验室对配比材料进行物理力学试验，求出最优含水率，尽量使滑体材料和软弱层的力学参数与野外的滑体相接近(表2)。

3.3传感器布置方案

本次模拟试验拟在滑坡后缘、中部和前缘布设11个微型传感器(图6)。

表2　滑体及软弱层材料力学参数

图6　传感器布置图Fig.6　Layout of the sensor

3.4模型制作

在模型箱的一侧壁粘贴模型大小设计观测网格，作为基岩浇筑和填筑体制作及传感器布置的参照。

滑床制作：用砖和水泥砂浆堆砌滑床，滑床长150 cm，宽0.45 m，后缘高0.55 m，前缘高0.1 m，滑坡的坡角18°。滑床表面用水泥砂浆抹平，略平滑，对基岩进行养护。

滑体与软弱层制作：在滑床表面制作软弱层，将孔隙水压力计、土压力计和土壤含水率计安装在软弱层表面，然后进行滑体的制作。在制作滑体时，进行分层制作，每层的厚度控制在<20 mm，并以原型的天然密度作为模型的质量控制指标。模型制作完成后，将位移标志布置在模型的表面(图7)。

图7　制作完毕的模型Fig.7　The model after making(A)模型侧视图; (B)模型正视图

3.5离心机试验仪器

本试验是在地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)的大型土工离心模型试验装置 TLJ-500 型土工离心机上完成的。该离心机的最大容量：500gt(g为重力加速度,g=9.806 65 m/s2)，在国内目前是最大的，最大加速度值：250g，其主要技术参数见文献[7,11]。本次试验选用长扁大模型箱，其长×宽×高=1.65 m×0.68 m×1.28 m。

3.6试验工况及过程

本次离心机试验过程分为以下3个步骤：(1)天然工况：离心加速度从0g(g为重力加速度，下文皆同)加速至50g，并保持50g旋转10 min后停止试验。(2)第一次降雨工况：离心加速度从0g加速至50g，在50g时进行降雨，并保持2 min后停止试验。(3)第二次降雨工况：离心加速度从0g加速至50g，在50g时进行降雨，并保持5 min后停止试验。

3.7试验结果分析

图8　图钉布置示意图Fig.8　Layout of the installing pins

本次模拟在模型表面共安装了10排图钉,从模型箱的后部每排间隔10 cm，每排安装8个图钉，每2排相邻图钉的间距是5 cm(图7、图8)，用图钉来标记滑坡表面的变形情况。滑坡滑带处的位移监测可根据传感器变动的位移来确定。

3.7.1边坡破裂及失稳特征

天然工况下，当加速度达到50g后，细小的裂缝在坡体后缘开始产生；但在试验过程中没有发生滑动破坏现象。停机后量测坡面的裂缝，其统计结果如图 9和图10 所示。由图9和图10可知，在坡面中后部发育有 2 条裂缝带，裂缝延伸方向与滑坡走向大体平行，呈弧形分布，是拉张裂缝，没有下错特征。其张开度为 1～3 mm，横向长度 8～10 cm。通过对坡面的变形特征详细研究，认为该类边坡破坏模式为：沿基覆界面发生剪切蠕滑，引起坡体后部拉裂破坏，即蠕滑-拉裂模式。

图9　天然工况下滑坡后缘的裂隙Fig.9　Fractures of the landslide back margin under the natural conditions

图10　天然工况下坡面裂缝平面示意图Fig.10　Schematic planar of the fractures under the natural conditions

图11　第一次降雨工况下坡面裂缝平面示意图Fig.11　Schematic planar of fractures under the natural conditions after the first rain

在第一次降雨工况下，离心加速度从0g加速至50g，在50g时进行降雨，并保持2 min后，停机对坡面裂缝统计，其结果如图11和图12。由图11和图12可知，在坡面中后部发育 7条裂缝带，坡面的裂缝已经向内部延伸，裂缝横向延伸方向与滑坡走向大体平行，多呈弧形分布，是拉张裂缝，没有下错特征。其张开度为 1～5 mm，横向长度为 5～15 cm。

图12　第一次降雨工况下滑坡后缘的裂隙Fig.12　Fractures of the landslide back margin under the natural conditions after the first rain

在第二次降雨工况下，离心加速度从0g加速至50g，在50g时进行降雨，降雨进行到3 min时，坡体突然出现了整体滑动现象，其整体滑动后破坏情况如图13所示。

3.7.2边坡破坏滑动位移特征

滑体滑动后图钉的位移如图14所示，第一排至第七排滑动的距离依次是39 cm、40 cm、42 cm、44 cm、45 cm、45 cm、45 cm。其余的图钉由于降雨较大，已被雨水冲走。

传感器从前缘起依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和11，其滑动的距离如图15所示。从图15可以看出，这11个传感器都产生了滑动，但各传感器滑动距离不相同。总的来说，滑体下段滑动的距离小，中下段-中上段滑动的距离最大，上段滑动的距离次之。据滑带中传感器滑动的距离可知，该类滑坡是沿着基覆界面在滑动，这和野外考察结果是吻合的。

图13　滑坡最终破坏形态Fig.13　The failure pattern of the landslide

图14　滑体表面图钉滑动距离Fig.14　The sliding distance of the pins

图15　传感器滑动距离Fig.15　The sliding distance of the sensor

4缓倾角堆积层边坡失稳机理

由试验可知，基覆界面处的软弱层对缓倾角堆积层边坡的变形破坏起控制作用，未降雨时，模型底部剪切蠕滑变形在缓慢进行。由此可见，基覆界面处的软弱层是该边坡失稳的内在因素，在重力场作用下，基覆界面处的软弱层产生蠕滑是该类边坡变形破坏的主要原因，其滑动模式是蠕滑-拉裂模式。

试验表明，在未降雨时，在加速度作用下，坡体后缘产生少量的裂缝。降雨作用下，雨水从裂隙渗入坡体，直至基覆界面。由于基覆界面是不透水层，大量的雨水在基覆界面处汇集。现场勘察也揭示坡体中特别是基覆界面附近地下水丰富。雨水引起基覆界面处的软弱层含水率发生变化，降低了该层土体的强度，在很大程度上降低了边坡的稳定性。降雨引起土体中孔隙水压力变化，导致土体的基质吸力降低，最终在土体达到完全饱和时，基质吸力降低为零，降低了土体的抗滑力，从而降低了堆积层边坡的稳定性。雨水的渗入使边坡由非饱和状态逐渐达到饱和状态，在水的作用下边坡土体很容易被软化，同时会使孔隙水压力升高及土体重量增加，在这多重作用下，边坡产生滑动破坏。

该试验较好地重现了缓倾角堆积层边坡的滑动过程，试验结果与原型在变形破坏、滑动过程等方面相吻合。由试验可知，该边坡的失稳是由于基覆界面处的软弱层所引起的。该边坡的滑动机制可概括为：以蠕滑拉裂为基础、暴雨形成的裂隙静水压力为触发滑动的力学动因。

5结 论

a.南江县七岭村滑坡都是浅表层顺层土质滑坡，坡体是第四系崩坡积层，滑床都是苍溪组的浅灰、灰紫色块状中细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩夹棕色泥岩和粉砂岩。七岭村滑坡在滑动前后缘没有拉裂缝，降雨沿堆积层表面的裂缝入渗，进入相对不透水的基覆界面，在土-岩接触面上汇流贯通，形成滞水，滑带土体完全饱和，软化，强度大幅度降低，从而使得坡体稳定性大为下降。滑坡体前缘有一条小沟，形成滑坡的临空面，有利于滑体的滑动。滑坡是牵引式滑坡。

b.离心模型试验较好地重现了南江县七岭村滑坡的变形破坏过程，在变形破坏、滑动方式等方面，试验结果与原型相吻合。该边坡失稳过程中具有的推移式剪切蠕滑、后部拉裂、整体滑动等特征都在离心模型试验中得到了很好的验证。

c.南江县七岭村滑坡的滑动失稳受基覆界面附近的软弱层和强降雨的控制。在强降雨作用下，水沿着裂缝进入基覆界面，引起边坡滑动。该滑坡的滑动机制可概括为：以蠕滑拉裂为基础，暴雨形成的裂隙静水压力为触发滑动的力学动因。

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[第一作者] 牛文林(1979-)，男，博士研究生，研究方向：地质工程, E-mail:nwlin@163.com。

based on centrifugal model tests: A case study of

Qilingcun landslide in Nanjiang, Sichuan, China

WANG Wei-zao1,2, XU Qiang1, ZHENG Hai-jun1

1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityof

Technology,Chengdu610059,China;

2.CollegeofProspectingTechniques,ShijiazhuangUniversityofEconomics,Shijiazhuang050031,China

Abstract:The Nanjiang rainstorm induced 1571 landslides, causing many casualties and property losses on September 16, 2011. More than 65% of these landslides are the debris accumulation landslides. They slide mainly along the base cover interface. In order to explore the sliding instability mechanism of the gradual accumulation slope in Nanjiang, the authors simulate the whole landslide process and the characteristic parameters of deformation under rainfall by centrifugal model tests. The centrifugal model test results indicate that the deformation is mainly the slope creeping of the soft layer and the slope appears creeping state. Under natural conditions, the tensile fractures of the rear of the slope body are obvious and finally the slides occur under rainfall. Comparing the model test with the prototype test, it is found that the sliding mechanism of the slope is based on the creep cracking basis and the fissure hydrostatic pressure formed by rainstorm is the mechanics to trigger a sliding.

Key words:landslide; centrifugal model test; sliding mechanism; Nanjiang County

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41172279, 41230635); 交通运输部西部交通建设科技项目(20113188051090)。

[收稿日期]2015-03-25。

[文章编号]1671-9727(2015)06-0658-07

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.03

[文献标志码][分类号] P642.22 A