红黏土斜坡平推式滑动物理模拟研究

谭利丽，向喜琼，2*，姜思源，吕亚东

(1.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室， 贵阳 550025;2.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025)

平推式滑坡是高水头驱动下沿缓倾层面滑动的一类滑坡，多发生在砂、泥岩互层状地层中[1]，最早由张倬元等[2]在1981年调查研究四川盆地暴雨滑坡时提出；范宣梅[3]结合宣汉县天台乡特大型岩质滑坡，对平推式滑坡成因机制和启动判据进行了分析验证；Jiao J J[4]对香港花岗岩地区斜坡研究表明，地下水流态受到限制，降雨引起的水压上升形成承压水导致斜坡滑动；Lee Y S等[5]指出斜坡内产生的水压力控制着斜坡的破坏模式；赵权利[6]通过多个岩质滑坡案例，构建了典型平推式滑坡地下水渗流分析模型，结合平推式滑坡承压水作用机理分析得出承压水作用范围理论，修正了平推式滑坡启动判据；赵勇等[7]利用偏最小二乘法和回归分析，探讨了平推式滑坡中启动水头；李伟等[8]根据平推式滑坡中承压水的渗流宽度变化规律和不同的渗流形式，建立了相应的地质力学模型；涂园[9]结合新昌县下山岩质滑坡实例，针对传统渗流模型的不足，考虑一维稳定渗流，提出了平推式滑坡承压水新模型，讨论了地质参数、尺寸参数以及初始水力条件参数对透水层流量、承压水范围及渗出面高度的影响。

同时，不少学者注意到土质斜坡中也可能产生平推式滑动。刘羊[10]通过室内模型试验，研究承压水在黏土层内的消散规律、黏土层的实际渗透特征及水位的变化规律，根据承压水的作用特征，提出了承压水诱发的山前缓坡破坏模式；俞良晨等[11]结合南京游子山降雨诱发型滑坡实例，指出表层为不透水或弱透水性的黏性土，在持续强降雨条件下会形成“暂时性承压水”；阎长虹等[12]通过对宁镇地区山前缓坡地层结构及其滑坡机理的分析，探讨了承压水浮托力的作用下上层弱透水或不透水的黏性土层的破坏形式；李伟等[13]在南阳碥滑坡的研究中，认为暴雨引起滑坡上层粉质黏土层后缘拉裂缝或拉陷槽内充水，在裂隙静水压力和沿滑面扬压力的联合作用下形成平推式滑坡。

然而，平推式滑动均是在岩质边坡中进行探讨，承压水在岩质与土质边坡中的作用是不同的，在土质斜坡中还没有进行过系统的研究。总结前人研究，土质边坡中，黏土质边坡发生平推式滑动的可能性较大。工程实践表明，具有岩溶地下水的红黏土斜坡在特定条件下也可以产生平推式滑动，然而这方面的研究尚未见诸报道。本文通过物理模拟试验，探究红黏土斜坡中形成平推式滑动的可能性，分析坡体变形破坏过程及承压水分布特征。

1 模型试验

在岩溶区，红黏土顺层土质斜坡较为常见，坡体内部岩溶裂隙发育。由于强降雨沿岩溶裂隙渗入坡体内部，到达土-岩界面，上层红黏土遇水膨胀，渗透系数随之大幅降低，土体表现为不透水或弱透水性，导致坡体内地下水难以快速排出，从而形成承压水。因此，在具有特殊的地层结构及水文地质特性的红黏土斜坡中，能满足平推式滑坡的基本特征，形成平推式滑坡是可能的。

1.1 地质模型基本特征

本次物理试验以凤冈滑坡为地质原型，滑坡发生于1933年，为岩溶地下水高水压驱动的浅层土质滑坡，滑坡斜长约37m，平均横宽约40m，面积为1 046m2，平均滑体厚度为5m，滑坡总方量5 184m3，主滑向方向147°。滑坡区构造发育，多条逆断层穿过，处于覃子坡背斜内。滑坡区出露的地层主要有：寒武系娄山关组灰岩；奥陶系湄潭组泥质灰岩；第四系红黏土覆盖层。滑体为黏土层，可塑，下伏基岩层为泥质灰岩，产状为142°∠5°，滑面为土-岩界面，滑面倾角约为4°。坡脚有民房，民房右下方有一口岩溶大泉，通过物探查明坡体内部发育有岩溶通道。滑坡发生时，岩溶大泉断流，屋内大量泥水流出，接着大量土体滑入房屋，房屋沿地基向前被推走10多米。滑坡发生后，村民将滑体清走，堆积在房屋下方，房屋后部开挖至基岩处，村民将房屋搬回原来位置，遇到大暴雨或者连续降雨，坡体发生蠕动，会有大量碎石土滑至房屋后阳沟处。滑坡发生前及当天，具有连续暴雨，原始坡体上部为透水性较弱的黏土，下部为多组节理裂隙发育的相对透水层泥质灰岩，雨水通过后缘裸露岩石及岩溶裂隙进入到土-岩界面，坡体内快速增长的地下水不能及时排出，在滑面位置附近形成承压水，导致坡体快速发生破坏(图1)。

图1 凤冈滑坡地质剖面

近几年，该滑坡处房屋正下方堆积大量黏土，无基岩出露，应为滑坡堆积体，且遇到大暴雨或者连续降雨，坡体发生蠕动，会有大量碎石土滑至房屋后阳沟处。因此，研究该滑坡的发生、发展及形成机理，具有一定的理论和现实意义。

1.2 红黏土斜坡平推式滑动基本特征

在岩溶区，红黏土顺层土质斜坡较为常见，红黏土常表现为高含水量、高塑性、高孔隙比、低密度，有较高力学强度、较低压缩性、胀缩性和裂隙性[14-15]，为平推式滑坡的发生提供了一定条件。根据工程实例，结合前人在平推式滑坡中的研究[7-10，13]，红黏土斜坡平推式滑动具有如下基本特征：

1)地质结构特征。滑坡倾角较缓，一般小于10°，红黏土遇水膨胀，渗透系数随之大幅降低，导致坡体中一部分地下水具有承压特征，可视为相对隔水层。滑坡前缘一般具有较好的临空条件。

2)水压力特征。坡体内部岩溶裂隙发育。由于强降雨沿岩溶通道渗入坡体内部，到达土-岩界面，坡体内地下水难以快速排出，从而较快的形成一定的水头。

3)触发条件。在连续降雨、大暴雨或地震条件下使得水头快速增加，导致斜坡破坏。

在具有特殊的地层结构及水文地质特性的红黏土斜坡中，能满足平推式滑坡的基本特征，形成平推式滑坡是可能的。

1.3 模型建立

基于平推式滑坡基本特征，考虑坡体在后缘裂隙中产生的静水压力和底部渗透层承压水形成的扬压力共同作用下的受力情况。结合红黏土斜坡中形成平推式滑坡的基本特征，承压水在黏土层内的作用特征，建立概化模型(图2)。模型考虑了承压水来源于雨水沿岩溶通道进入坡体内部，从而获得较高的压力水头。所构建的模型适用于上层土体渗透性相对较低，易形成承压水的边坡。

试验于2020年7月在贵州大学资环学院降雨实验室开展。试验模型箱采用亚克力玻璃制成，以便于试验过程的观测，玻璃板交界处进行密封处理，防止试验过程中水分流失。模型为200×70×100。模型箱槽首与槽身用亚克力玻璃挡板隔离，玻璃挡板下部设置7cm宽的孔洞，孔洞直径6mm，槽首左侧设置一排孔洞，控制水头高度，模拟斜坡承压水来至坡体内部岩溶通道。槽身侧面布置测压管，每20cm一排，用以观察和测量测压水头高度。槽尾设置排水通道，将水排出模型箱。装置的底部为设有千斤顶，可对模型箱进行0°～15°坡度调节。根据研究对象和试验条件，确定几何相似系数为50，容重相似系数1。选取贵州红黏土为研究对象，裂隙材料选用直径小于0.5cm，级配良好的砂石土。通过室内岩土力学实验得到表1试验参数。

表1 红黏土相关试验参数

①槽首；②槽首与槽身被亚克力玻璃隔开；③槽身；④测压管；⑤模型高30cm；⑥模型长80cmⅠ孔压1；Ⅱ孔压2；Ⅲ孔压3；Ⅳ孔压4；Ⅴ孔压5

平推式滑坡倾角较缓，滑面倾角一般小于10°，以凤冈滑坡为地质原型，设计模型倾角为0°进行试验，本次试验共5组(表2)，#1～#3模型密实度为1.79g/cm2以下，在坡比1∶1.33(30∶40)、1∶2(30∶60)、1∶2.66(30∶80)条件下进行试验。#3～5#模型在坡比为30∶80，改变密实度1.79、1.84、1.89g/cm2条件下进行试验。模型后缘铺设3cm的砂石土代替裂隙，在坡体内部放置两排孔隙水压力计(图2)设置。模型堆砌完成后静止放置，待其在重力作用下没有变形后开始后缘注水试验。当水头升至10cm后，待孔压基本稳定后，水头增加5cm，稳定后继续增加，直到坡体发生整体破坏，结束实验。整个过程采用人工系统每隔 2 min 标记一次测压水管水位高度的方法采集数据，并用高清 DV 摄像机、照相机拍摄记录试验过程中坡体变形破坏现象。

2 试验结果分析

2.1 坡比对斜坡变形破坏的影响

2.1.1 坡体变形破坏过程分析

滑动开始前坡面大面积出水，均来自于坡顶和坡体内部，破坏时坡中均出现左右贯穿裂隙(图3a)。以模型#1为例，图4为孔隙水压力和水头随时间的分布，地下水先从后缘基底沿层面渗透到坡脚，孔隙水压力计1到3逐渐出现读数，随着水头上升，地下水从底部和后缘裂隙渗透到坡体内部，孔隙水压力计4开始出现读数，孔隙水压力计5最后出现读数。当水头10cm，时间t=21min时，坡脚底部出水，水从后缘沿着基底面从坡脚流出，孔隙水压力随着水头的上升而增加；当水头29cm，t=90min时，坡脚出现裂隙，此时水头增加，孔隙水压力也随之增加，孔压3随着坡脚裂隙的出现，坡脚渗透性增加，导致孔压先增加后降低；当水头30.3cm，t=92min时，水头高于坡顶，坡顶裂隙出水，沿坡面流向坡脚，坡脚内部出现裂隙，孔隙水压力降低，随之保持不变，裂隙停止扩展；当水头31.5cm，t=101min时，坡顶裂隙充水，大量污水流出，坡体侧面出现圆弧裂隙面，随之坡体整体开始沿圆弧面被推出；当t=115min时，坡脚破坏，坡面中部出现裂隙，大量水从坡脚底面流出，继续加水，水头不再上升，坡体出现良好的水通道，孔隙水压力快速上升至峰值，接着快速下降；实验停止，坡中裂隙贯穿，坡脚冲坏，后缘被推出位移5.5cm，坡脚被冲出位移50cm。根据试验参数和结果，列出表2，在滑坡岩土体物理力学参数相同的条件下，#1至#3模型，后缘被推出位移依次减小(图3b至图3d)，坡面越缓，临界破坏水头越大，破坏需要的时间越长，前缘被冲出位移越小。表明当坡比在1∶1.33情况下，在地下水快速上升时最易滑动，滑体被推的更远。

图3 不同坡比下斜坡变形破坏

2.1.2 承压水分布特征

随着后缘水头的不断抬升，坡体内地下水分布呈不同的形状变化[16]。坡比不同条件下，分析斜坡在裂隙出现、破坏前裂隙大量扩展、整体破坏时孔隙水压力随着后缘至前缘渗流路径的变化规律(图5)。坡比为1∶1.33时，渗流路径较短，承压水以三角形的形式由后缘向前缘推进，前缘出现裂隙后，水头上升，坡脚孔隙水压力变化较小，坡体整体破坏时，孔隙水压力集中在坡体后缘基底处，导致坡体快速被推出。坡比为1∶2的斜坡，在裂隙出现、破坏前裂隙大量扩展时，承压水成梯形形式分布在土-岩接触面，坡体中下部土体较后缘薄弱，中部孔隙水压力较大，导致坡体中下部出现裂隙，孔隙水压力随着坡体中部裂隙的扩展开始缓慢下降，坡体在承压水产生的扬压力和后缘静水压力的作用下逐渐形成裂缝并随着水头的上升向后缘发展，当坡体整体破坏时，承压水以三角形的形式分布，在后缘基底处的高孔隙水压力左右下坡体快速被推出。坡比为1∶2.66的斜坡，渗流路径较长，水头不断抬升，整个坡体内都存在较高的承压水。承压水以近似矩形的形式分布，随着水头增加，三个时间段的孔隙水压力也随之增加，整体破坏时后缘基底处孔压增加幅度较大，坡体整体被推出。

图4 坡比1∶1.33 孔压随水头分布

图5 不同坡比下孔隙水压力分布

2.2 密实度对斜坡变形破坏的影响

2.2.1 坡体变形破坏过程分析

#3模型破坏现象和#1、#2基本相同，#4、#5模型破坏形式类似(图6)。以模型#5为例，图7为孔隙水压力随时间的分布，由于密度较大，透水性较差，地下水先沿基底后缘裂隙向上渗流，孔隙水压力计4和1先有数值，随着水头上升，孔隙水压力计2开始有数值，接着地下水沿着基底土-岩接触面渗流，孔隙水压力计3开始出现数值，然后向上渗流，孔隙水压力计5开始出现数值，孔压5整体变化较小。当水头28cm，t=112min时，坡顶出水，大量水从后缘裂隙流出，沿坡面流向坡脚；当水头40.1cm，t=201min时，左侧坡顶裂隙出现，水头上升，孔隙水压力随之上升，裂隙产生后导致坡体渗透性变强，坡面大面积出水，后缘水头快速下降，孔隙水压力计1和4随之下降，2、3、5依然上升。当水头43.6cm，t=326min时，左侧坡底出现裂隙，贯通后缘裂隙，形成滑动面，坡脚出现裂隙，孔隙水压力计2、3出现突变；当水头45.2cm，t=332min时，达到破坏水头，坡面及侧面裂隙扩展，坡体整体沿圆弧面被推出，孔隙水压快速下降，水头也不再上升，后缘位移1.5cm，前缘被冲出位移46cm。#4、#5模型滑动开始前坡面大面积出水，基本来自于坡顶，地下水很难到达坡面从坡面渗出，承压水产生的扬压力和后缘静水压力的作用下，发生平推式滑坡，滑动过程中，坡面形成拉裂隙。#3模型密度较低，透水性较大，一部分地下水能进入坡体内部，从坡面渗出。#5模型密度最大，透水性较差，体积最大，最难破坏。根据表2试验参数及数据，当坡比一定时，不同密实度条件下，红黏土密度为1.84g/cm2的临界破坏水头相对较低，破坏所需的时间较短。

图6 不同密度下斜坡变形破坏

图7 密度1.89g·cm-2，孔压随水头分布

2.2.2 承压水分布特征

在红黏土密度不同条件下，分析斜坡在裂隙出现、破坏前裂隙大量扩展、整体破坏时孔隙水压力随着后缘至前缘渗流路径的变化规律(图8)。 #3模型中，承压水以近似矩形的形式分布，#4、#5模型承压水分布近似三角形。虽然#4模型破坏时，承压水压力较高，由于密度相对较大，形成承压水较快，故最易滑动。#5模型的破坏水头最高，破坏时孔隙水压力低于#4模型，在出现裂隙时，#5模型靠近后缘裂隙基底处的孔隙水压力最大，随着水头的增加，孔隙水压力不再加大，随着裂隙扩展靠近后缘裂隙基底处孔隙水压力下降，坡脚孔隙水压力上升。

图8 不同密实下孔隙水压力分布

2.3 综合分析

随着后缘水头上升，孔隙水压力随之增加，当坡体整体被推出前，孔隙水压力快速上升至峰值；当坡体整体被推出后，孔隙水压力快速下降，不再上升。滑动开始前坡面大面积出水，滑动过程中坡面及侧面伴有裂隙产生，随着水头的增加，变形发展，坡体整体被推出，后缘裂隙变宽，水头快速降低，滑坡减速滑动，最终停止。

由孔隙水压力分布可知地下水在斜坡中的渗流路径。当密度为1.79g/cm2时，坡体内部地下水随着后缘水头增加(图9a)，地下水先从基底内部沿层面向坡脚渗流，接着向坡中，最后到达坡面。故地下水到达一定水位，坡面会整体出水，坡体整体被软化。当密度增加，密度为1.84、1.89g/cm2时，地下水沿基底向坡脚及坡顶渗流，由于密实度增加，渗透性降低，坡脚堵塞，基底能更快的在土-岩分界面上形成承压水(图9b)。坡体内承压水分布形式不同，破坏过程中裂隙分布位置有所不同，同时破坏程度也有所不同，破坏时，基底处承压水水压力达到最大值。

表2 试验参数

由试验结果可知，在黏土质斜坡中，平推式滑动变形破坏过程为：坡面先出水，坡体被软化，坡脚出现裂隙，大量水从坡脚流出，接着坡表出现裂隙，随着水头上升坡体内部出现裂隙，当水头达到临界水头，坡体整体快速推出。

图9 渗流路径

3 结语

通过野外调查和室内试验，建立了红黏土斜坡平推式滑动模型，通过后缘坡体内部注水模拟承压水作用下滑坡变形破坏过程，得出以下结论。

1)分析平推式滑坡的基本特征和红黏土特性，结合物理模拟试验，证明红黏土斜坡中发生平推式滑动是可能的。

2)红黏土斜坡中平推式滑动的一般过程为：强降雨主要沿岩溶裂隙渗入坡体内部，导致地下水水位上升，后缘裂隙充水，当渗透到达土-岩界面，上层为不透水或弱透水性的黏性土，地下水难以快速排出，在坡体内部形成承压水， 坡体产生拉裂，当水头达到临界破坏水头，在后缘裂隙水的静水压力和土-岩接触面承压水的浮托力作用下，坡体发生平推式滑动。

3)坡体土-岩接触面上承压水分布受控于地下水水位、后缘水头高度、坡比及密度等因素。后缘水头越高、密实度越大，透水性越差，越容易形成承压水，坡度越缓，破坏时所需承压水头越大。坡体被整体推出时，临界破坏水头均高于坡面。