地震作用下陈庄黄土－泥岩接触面滑坡失稳机理及稳定性研究

马紫娟　张有龙　刘小丰　郑龙　高中南

摘要： 以甘肃礼县陈庄黄土－泥岩接触面滑坡为研究对象，在对该滑坡的地震地质环境、基本特征等调查的基础上，运用数值分析对陈庄黄土－泥岩接触面滑坡在各人工计算场地基岩地震动时程作用下的失稳机理及稳定性进行动态模拟研究。结果表明，陈庄滑坡在地震诱发下变形破坏模式为受拉和受剪的复合破坏模式。失稳机理过程可概括为：地震作用→底部岩体受张拉→潜在滑面主滑段上部剪应力增大→剪应变集中带出现→剪应变集中带延伸扩展贯通→滑坡失稳;滑坡稳定性方面，随着输入地震动的增大，陈庄黄土－泥岩接触面滑坡稳定性降低，其中在50年超越概率2%的基岩地震动时程作用下滑坡处于不稳定状态。

关键词： 黄土－泥岩接触面滑坡; 陈庄滑坡; 失稳机理; 稳定性

中图分类号： P642.22文献标志码：A 文章编号： 1000－0844（2023）04-0810-09

DOI：10.20000/j.1000－0844.20201009001

Instability mechanism and stability analysis of Chenzhuangloess－mudstone interface landslide under seismic action

MA Zijuan， ZHANG Youlong， LIU Xiaofeng， ZHENG Long， GAO Zhongnan

Abstract：  The loess－mudstone interface landslide in Chenzhuang Village， Lixian County， Gansu Province， was investigated in this study. A dynamic numerical simulation of the instability mechanism and stability of the landslide subjected to ground motion at various artificial calculation sites was conducted based on an analysis of the seismic geological environment and basic characteristics of the landslide. Results show that the deformation and failure of the Chenzhuang landslide are associated with a composite failure mode of tension and shear when subjected to ground motion. The process of instability can be summarized as follows： ground motion due to an earthquake → tension at the bottom of rock mass → increase in shear stress at the upper part of the main slip section of the potential slip surface → emergence of a shear strain concentration zone → extension and penetration of the shear strain concentration zone → landslide instability. The stability of the Chenzhuang loess－mudstone interface landslide decreases with an increase in the ground motion， and the landslide is in an unstable state when subjected to bedrock ground motion with a exceeding probability of 2% in 50 years.

Keywords： loess－mudstone interface landslide; Chenzhuang landslide; instability mechanism; stability

0 引言

黃土－新近纪红色泥岩接触面滑坡是黄土地区分布最广、发生最频繁的滑坡类型之一［1］。此类滑坡由于 “双层异质”的结构，在地震等外因作用下破坏力强，灾害损失惨重，影响力巨大。目前尽管众多学者对黄土滑坡机理做了大量的研究，但针对黄土－泥岩接触面滑坡失稳机理的研究还较少：文宝萍等［1］提出了牵引、累进式变形和沿接触面的解体式块体滑移并伴随沿古土壤层的局部滑移的失稳方式;李媛等［2］提出天水市孟家山滑坡为蠕动－拉裂－滑带扩展－剪出口形成－突滑的变形破坏机理;石瑞红［3］应用工程地质成因法对黄土－泥岩（红层）接触面滑坡的变形特征和机理进行了探讨;郑程波［4］分析了坡角、降雨以及人为活动引起的黄土泥岩接触面滑移机理;马健［5］应用Geostudio分析了池沟滑坡稳定性，探讨了其形成演化机理;朱建东等［6］分析了两种典型降雨模式下黄土－泥岩接触面滑坡的失稳模式等。上述研究大都是在降雨、开挖等诱因下的机理，地震作用下的研究目前主要集中在黄土震陷和液化失稳机理方面：如陈永明等［7］运用黄土震陷对兰州永登地震产生的黄土滑坡机理进行了解释;石玉成等［8］通过黄土的微结构来研究震陷机理，解释黄土地震滑坡的形成机理;王兰民［9］用土动力学方法探讨了黄土层的液化机理。但应用数值模拟动态来研究黄土－泥岩接触面滑坡在地震作用下的失稳机理却不多。

为此本文以甘肃礼县陈庄黄土－泥岩接触面滑坡为例，对其地震地质条件、地形地貌和地层结构等进行调查，在此基础上对该滑坡在地震作用下的逐步变形失稳过程进行动态数值模拟，分析其在不同人工计算场地基岩地震动时程工况下的瞬时动态应力、变形和稳定系数等参数，从而展开对黄土－泥岩接触面滑坡在地震作用下的失稳机理和稳定性研究。

1 滑坡体地震地质条件

陳庄滑坡所处礼县位于青藏高原东缘西—礼盆地东部，即西汉水及其支流河谷地带，大地构造单元为青藏高原东北缘西秦岭北部褶皱带。新构造运动强烈，境内及周边25 km范围内发育了规模不等，性质各异的15条断裂，其中洮坪—盐官断裂为礼县—罗家堡断裂的一部分，是晚更新世－全新世活动断裂，该断裂带上地震时有发生，震级可达6～8级，其中1654年天水南8级地震就发生在该断裂带上。目前研究区及外围150 km范围内共发生中强地震92次，其中6.0～6.9级地震20次，7.0～7.9级地震5次，8.0～8.9级地震2次，这些地震的烈度几乎都大于Ⅵ度。研究认为，产生滑坡的地震烈度黄土区约为Ⅵ度，石质山区Ⅶ度［10］，可见在礼县能产生这类滑坡的地震是比较常见的。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡概况

陈庄滑坡（图1）位于礼县城关镇石碑村陈庄组与土山村之间。该滑坡所处位置宏观地貌为中山地貌，微观地貌为陡坡，滑坡位于斜坡的下部，河流的左岸，为顺向坡，形状为凹形。

该滑坡属特大型滑坡，长约1 250 m，宽约1 300 m，厚约30 m，体积约4.875×107 m3，前后缘相对高差约444 m。滑坡主滑方向为155°，坡度30°。滑坡体内发育了多个次级滑坡和潜在滑坡，其中沿主滑方向分布了2个滑坡。

2.2 滑坡的形貌特征

（1） 平面形态

该滑坡整体呈似簸箕形的不规则平面形态，滑坡侧壁以东西部山脊为界，两侧山脊向北延伸并与北侧的陡坡相连形成平均高差为15 m（最大不足20 m）的黄土陡壁为滑坡后缘，前缘以西汉水河谷西北侧田地村庄为界。

（2） 后壁和侧壁

该滑坡后壁大致呈长弧形圈椅状。除后部突出山脊处的后壁略缓外，整体较陡，后壁倾角约为60°～80°，局部近直立，高10～20 m（图2）。后壁整体为黄土覆盖，底部局部出露红层。此外后壁表面有较明显的滑动擦痕，局部有规模较小的崩塌和裂缝（图3）。

滑坡两侧壁处分布着经过长时间风化等作用后不明显的雁形排列羽状张裂缝。

（3） 前部及剪出口

滑坡前部剪出口已被农耕修整，黄土堆积物覆盖未找到明显的剪出口，滑坡舌呈小范围“平原”向谷地外延伸的形态，滑坡前缘后部局部可见由次级滑坡滑动造成的陡坎（图4）。

2.3 滑坡微地貌特征

（1） 平台及陡坎

滑坡后壁前存在平台，未被夷为平地，靠近侧壁和后壁处较陡。平台上覆黄土疏松，节理裂隙较发育。

在滑坡后缘和次级滑坡的后壁上发育有高约5～15 m的陡坎，倾角50°～70°，物质组成为黄土和红层，其中后部有红层出露（图5）。

（2） 冲沟

坡体中冲沟发育，长20～300 m不等，形状为“V”型（图6），沟口处于滑坡前部，深度随两侧地形不等，两侧有小崩塌，沟内黄土层垂直节理和裂缝发育。局部沟底黄土与棕红色泥岩接触面清晰，为厚约10～25 cm的褐红色滑带土。部分沟中有径流冲刷侵蚀而成的黄土桥连接冲沟两侧。

（3） 落水洞与裂缝

落水洞与裂缝主要分布在后壁下方、平台后部、陡坎前部和冲沟尾部。落水洞呈圆形，大小深度各不相等，直径0.5～1.5 m，深度1～3 m（图7）。此外坡体内发育多条纵向裂缝，排列位置大致呈放射状，贯通性好，长度在5～20 m间，张开度4～30 cm间，裂缝内均有少量风化土充填。

2.4 滑坡地层结构

该滑坡上覆第四系风成黄土，下伏第三系红色泥岩（图8）。

滑体为第四系风成黄土，结构松散零乱，滑体中碎石含量约5%，碎石大小为30 cm（长）×20 cm（宽）×10 cm（高）。垂直节理发育，承载力较差，属低承载力、高压缩性土。

滑面为弧形，后缘较陡，埋深约30 m。滑带土属软岩滑带土，为粉质黏土，其中黏粒含量较高，厚度约0.25 m，湿，呈软塑状。

滑床为第三系泥岩，局部为砂质泥岩，基岩产状为190°∠5°，棕红色，表面风化破碎，风化带厚度约0.3 m，具层理，成岩作用较弱，属极软岩，在原状结构条件下，力学性质较差。

3 滑坡失稳机理及稳定性分析

3.1 模型建立

地震作用考虑为在基岩底部输入水平地震加速度时程（不考虑竖向地震力），并认为在地震到达时地震加速度同时作用在模型的每一个单元节点上。

模拟时首先采用线弹性土体模型进行静力计算获得初始应力，将其作为动力分析的初始条件，采用等效线性材料模式进行有限元动力分析，得到不同时刻地震力作用下的应力、应变;同时采用Morgenstern－Price法和Newmark永久位移法［11］得出滑坡沿指定滑面的安全系数和永久位移时程曲线。

选取陈庄滑坡典型剖面（图8）作为研究对象，综合考虑计算速度与精度要求，共划分4 773个有限元网格单元，4 879个节点。边界条件采用位移约束：静力计算时，左、右边界约束水平向位移，底部双向位移约束;动力计算时，左、右边界为竖向约束，底部边界保持双向约束不变。

3.2 计算参数

地层力学参数方面，通过室内试验和工程类比，该滑坡体主要组成地层的力学参数指标列于表1。

地震参数设置方面，本次模拟选取《礼县县城及盐官镇地震小区划项目报告》礼县县城及盐官镇地震小区划项目报告.兰州：甘肃省地震工程研究院，2013.所提供的礼县县城50年超越概率63%、10%、2%的人工计算场地基岩地震动时程分别作为输入地震动（简称为工况一、工况二、工况三），其地震动加速度峰值分别为0.069  97g、0.287 14g、0.518 72g。在保证计算精度的情况下，为方便求解，本次模拟选取0～20 s的数据，定义时间步长为0.02 s。数值模拟采用的地震波时程曲线见图9。

3.3 结果分析

（1） 应力和变形分析

以工况三为例研究滑坡在地震作用下的应力和变形特征，将滑坡在天然自重作用下的变形归零后，施加地震动加速度时程曲线。

地震作用后，滑坡体应力最大值和整个应力场（图10）均发生了变化，滑坡体应力较震前有明显的增加，并出现了应力集中带。坡面上，由于底层岩体受到张拉力的作用，沿着坡面一定深度范围内的应力值减小。潜在滑面上，由于主滑段上X向拉应力集中带导致其上部剪应力有明显的增加。

最大剪应变方面（图11），在地震作用下，坡体产生了剪切变形。随着地震动的作用，沿滑带中上部出现剪应变集中带，相对地震前应变值明显增大，贯通率也显著增大，地震初期（5 s、10 s）时伴随着剪应变值在潜在滑带和滑体内增大的同时，剪应变集中带分布范围沿着主滑段延伸，地震作用后期（15 s、20 s）剪应变值继续在滑面和滑体内增大;主滑段最大剪应变集中带继续扩展，同时下部抗滑段上也出现了剪应变集中带，最后基本贯通了整个滑面。

从位移分布（图12～13）可以看出，滑坡的位移最大值为3.059 m，水平向位移分量最大值为2.726 m，出现在坡面中后部地形陡缓过渡处，即次级滑面和前缘潜在滑面后缘处。此外滑坡的后缘位移较前缘大，这与滑坡在变形破坏中后缘易出现拉裂缝变形现象相吻合。下覆基岩整体稳定，位移变化不大，上覆滑体位移较下伏基岩位移大一些，潜在滑面上主滑段和牵引段基本都出现了一定的位移，可见该滑坡会发生整体滑动。

（2） 稳定性评价

陈庄滑坡在地震动作用下沿现场勘探确定的推测主滑面和前缘潜在滑面（图8）的安全系数时程曲线和Newmark永久位移时程曲线见图14～16。

滑坡在工况一：50年超越概率63%，加速度峰值为0.069 97g地震动作用下（图14），沿主滑面的安全系数最小值为1.139 984，发生在4.8 s时，永久位移为0;沿前缘潜在滑面的安全系数最小值为1.132 197，发生在16.8 s时，永久位移为0。可见滑坡在工况一下虽按最小安全系数判定处于基本稳定状态，但沿主滑面和前缘潜在滑面都没有滑动，是稳定的。

滑坡在工况二：50年超越概率10%，加速度峰值为0.287 14g的地震动荷载作用下（图15），沿主滑面的安全系数最小值为1.028 769，发生在18.6 s时，永久位移为0;沿前缘潜在滑面的安全系数最小值为0.979 481，发生在7.4 s时，永久位移为0.000 91 m。可见该滑坡在工况二下沿主滑面按最小安全系数判定处于欠稳定状态，没发生位移;沿前缘潜在滑面按最小安全系数判定处于不稳定状态，发生了很小的位移。

滑坡在工况三：50年超越概率2%，加速度峰值为0.518 72g的地震动荷载作用下（图16），沿主滑面的安全系数最小值为0.692 95，发生在18.6 s时，永久位移为0.681 55 m;沿前缘潜在滑面的安全系数最小值为0.740 833，发生在7.4 s时，永久位移为1.189 13 m。可见滑坡在工况三下沿主滑面和前缘滑面都处于不稳定状态，发生了滑动。

在地震荷载作用下，选用整个地震历时中的最小安全系数评价滑坡的稳定性没有考虑地震荷载作用的过程和边坡破坏的积累性是不合理的［12］。本文采用文献［12］提出的最小平均安全系数［式（1）］作为评价指标：

Fsmin=Fso-0.65（Fso-Fsmin）（1）

式中：Fso为边坡在静力作用下的安全系数;Fsmin为地震作用下安全系数随震动过程而波动的最小值。

采用上述方法沿指定滑动面下所计算的最小平均安全系数列于表2，与上述Newmark永久位移结合最小安全系数判定的稳定性结论基本一致。同时随着输入地震动的增大，最小平均安全系数逐渐减小，滑坡稳定性降低，其中在50年超越概率2%的基岩地震动时程作用下陈庄滑坡处于不稳定状态。

4 结论

本文以礼县陈庄黄土－泥岩接触面滑坡为例，在对其发育特征调查的基础上，对其在地震作用下的动力响应进行了数值分析，从而对地震作用下黄土－泥岩接触面滑坡的失稳机理和稳定性进行了动态分析研究。结果表明：

（1） 陈庄黄土－泥岩接触面滑坡长约1 250 m，宽约1 300 m，高约330 m，厚约30 m，体积约4.875×107 m3，坡度为30°，属巨型滑坡。该滑坡呈现出如下特征：簸箕形的平面形态，陡峭的后壁，两侧分布着雁形排列的羽状张裂缝，前缘大量黄土堆积，坡内发育着众多冲沟，落水洞及裂缝，黄土上覆于第三系泥岩的地层结构。这些特征为陈庄黄土－泥岩接触面滑坡失稳机理的探讨提供了研究基础。

（2） 陈庄滑坡在地震诱发作用下失稳机理过程为：地震作用下，首先由于底层岩体的张拉作用，导致潜在滑面主滑段中上部剪应力较地震前有明显的增加，出现了剪应变集中带;随着地震动的作用，剪应变集中带从主滑段中上部向两端延伸扩展，直至在潜在滑面中形成一个贯通的滑动区域导致滑坡失稳破坏，是受拉和受剪的复合破坏作用，即地震作用→底部岩体受张拉→潜在滑面主滑段上部剪应力增大→剪应变集中带出现→剪应变集中带延伸扩展贯通→滑坡失稳。

（3） 随着输入地震动的增大，滑坡穩定性降低：陈庄滑坡在50年超越概率63%的基岩地震动作用下沿主滑面处于稳定状态，沿前缘潜在滑面处于基本稳定状态;在50年超越概率10%的基岩地震动作用下沿主滑面处于基本稳定状态，沿前缘潜在滑面处于欠稳定状态;在50年超越概率2%的基岩地震动作用下沿主滑面和前缘潜在滑面都处于不稳定状态。

参考文献（References）

［1］文宝萍，王思敬，王恩志，等.黄土—红层接触面滑坡的变形特征［J］.地质学报，2005，79（1）：144.

WEN Baoping，WANG Sijing，WANG Enzhi，et al.Deformation characteristics of landslide at loess－red bed interface［J］.Acta Geologica Sinica，2005，79（1）：144.

［2］李媛，吴奇.孟家山黄土－红层接触面滑坡破坏机理研究［J］.水文地质工程地质，2001，28（1）：52－54.

LI Yuan，WU Qi.The study of deformation mechanism on loess－red mudstone sliding surface in Mengjiashan landslide［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2001，28（1）：52－54.

［3］石瑞红.黄土－红层接触面滑坡形成演化机理［D］.兰州：兰州大学，2013.

SHI Ruihong.Formation and evolution mechanism of the loess－red beds interface landslide［D］.Lanzhou：Lanzhou University，2013.

［4］郑程波.内蒙古自治区黄土泥岩接触面滑移的数值模拟［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学，2013.

ZHENG Chengbo.The numerical simulation of sliding about contact surface between loess and mudstone in Inner Mongolia Autonomous Region［D］.Hohhot：Inner Mongolia University of Tehchnology，2013.

［5］马健.池沟滑坡成因机理与稳定性分析［D］.兰州：兰州大学，2014.

MA Jian.Analysis on genetic mechanism and stability of the Chigou landslide［D］.Lanzhou：Lanzhou University，2014.

［6］朱建东，鄢好，李绍红，等.黄土－泥岩接触面滑坡的两种雨型模型试验［J］.工程地质学报，2019，27（3）：623－631.

ZHU Jiandong，YAN Hao，LI Shaohong，et al.Laboratory model experiment of landslides along loess－mudstone interface induced by rainfall patterns［J］.Journal of Engineering Geology，2019，27（3）：623－631.

［7］陈永明，石玉成，徐晖平，等.1995年永登地震黄土震陷变形特征及其形成机理［J］.西北地震学报，2000，22（4）：465－470，475.

CHEN Yongming，SHI Yucheng，XU Huiping，et al.Deformation characteristic of seidmic subsidence and its formation mechanism of loess of the Yongdeng earthquake in 1995［J］.Northwestern Seismological Journal，2000，22（4）：465－470，475.

［8］石玉成，李兰.黄土震陷变形特征的细观分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（增刊2）：2829－2833.

SHI Yucheng，LI Lan.Micro－analysis on seismic subsidence characteristics of loess［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（Suppl02）：2829－2833.

［9］王兰民.黄土动力学［M］.北京：地震出版社，2003.

WANG Lanmin.Loess dynamics［M］.Beijing：Seismological Press，2003.

［10］吴锦奎.甘肃省礼县地质灾害发育特征及危险性评价［D］.兰州：兰州大学，2002.

WU Jinkui.Development characteristics and risk assessment of geological disasters in Lixian County，Gansu Province［D］.Lanzhou：Lanzhou University，2002.

［11］NEWMARK N M.Effects of earthquakes on dams and embankments［J］.Géotechnique，1965，15（2）：139－160.

［12］刘汉龙，费康，高玉峰.边坡地震稳定性时程分析方法［J］.岩土力学，2003，24（4）：553－556，560.

LIU Hanlong，FEI Kang，GAO Yufeng.Time history analysis method of slope seismic stability［J］.Rock and Soil Mechanics，2003，24（4）：553－556，560.

（本文編辑：张向红）

收稿日期：2020-10-09

基金项目：甘肃省地震局地震科技发展基金项目（2021M7，2016M04）

第一作者简介：马紫娟（1983- ），女，硕士，高级工程师，主要从事地震地质灾害方面的研究。E－mail：65052042@qq.com。

通信作者：张有龙（1968-），男，硕士，高级工程师，主要从事地震地质和工程地震方面的研究和应用。E－mail：Ljxx1968＠163.com。