地震后降雨作用下堆积体滑坡模型试验研究

姜鑫　刁显锋　任永忠　杨校辉　胡飞

摘要： 为研究震后降雨作用下堆积体滑坡的灾变机理、裂缝发展规律、滑坡启动时间等问题，以甘肃省舟曲县江顶崖滑坡为对象，采用振动台及人工降雨模型试验，开展4组相同地震烈度不同降雨强度的震后降雨试验。研究结果表明：（1）地震作用使坡体发生剪切破坏，震后降雨工况坡体呈现土体流失的浸蚀破坏，在坡脚处产生明显的剪出口，震后降雨作用诱发堆积体滑坡发生局部失稳。（2）地震作用使坡体中部产生剪切裂缝与错台，后缘处产生“圆弧状”张拉裂缝，在后期降雨中，裂缝变形随降雨强度增大而加剧，并在降雨中期发生突变变形。（3）地震烈度相同的情况下，滑坡启动时间与降雨强度呈指数函数关系，土体沉降变形与降雨强度呈对数函数关系。研究成果可为堆积体滑坡在震后降雨作用下的预警及防治提供参考。

关键词： 堆积体滑坡; 震后降雨作用; 滑坡启动时间; 破坏机理; 模型试验

中图分类号： TU413.6文献标志码：A 文章编号： 1000－0844（2023）04-0801-09

DOI：10.20000/j.1000－0844.20211008003

Model tests on accumulation landslides during post－earthquake rainfall

JIANG Xin DIAO Xianfeng2， REN Yongzhong3， YANG Xiaohui2， HU Fei2

Abstract：  This study aims to explore the disaster mechanism， fracture development behavior， and initiation time of accumulation landslides during post－earthquake rainfall， taking the Jiangdingya landslide in Zhouqu County， Gansu Province， as an example. Four groups of post－earthquake rainfall tests with the same seismic intensity and different rainfall intensities were performed using a shaking table and an artificial rainfall model. The results revealed the following： （1） The earthquake causes shear failure of the slope， which is eroded by soil loss due to post－earthquake rainfall， with an obvious shear outlet at the slope foot. Thus， post－earthquake rainfall induces local instability in the accumulation landslide. （2） The earthquake causes shear cracks and dislocations in the middle of the slope and “arc－shaped” tensile cracks at the rear edge. During post－earthquake rainfall， the crack deformation intensifies with an increase in rainfall intensity， and sudden deformation occurs during the rainfall. （3） Given the same seismic intensity， there is an exponential relationship between the initiation time of the landslide and the rainfall intensity and a logarithmic relationship between the soil settlement deformation and the rainfall intensity. The results presented in this paper can provide a reference for the early warning and prevention of accumulation landslides during post－earthquake rainfall.

Keywords： accumulation landslide; post－earthquake rainfall effect; landslide initiation time; failure mechanism; model test

0 引言

甘肅省舟曲位于西秦岭构造带南侧，构造运动强烈、地震多发，在地震作用下，岩土体被震裂，碎裂岩体沿坡面滑动或经风化作用形成堆积体;降雨作用下，坡表径流及渗入作用导致裂缝产生并使其进一步发展，当坡内形成贯通的裂缝，雨水更易到达坡体软弱面，导致滑坡大量发生。该种堆积体滑坡受构造、地层、气象水文环境以及人类活动等多因素影响，灾变机理复杂、防治较为困难。

滑坡机理研究一直是滑坡灾害研究的核心难题和热点问题，不少学者采用多种方法研究了滑坡失稳破坏机理［1－3］。其中，物理模型方法在研究不同诱因［4－6］作用下的滑坡破坏机理、破坏过程等方面应用较为广泛。苏燕等［7］通过建立室内人工降雨滑坡试验模型，从降雨强度入手，模拟降雨型滑坡的发生过程，探求降雨强度对降雨型滑坡的影响机理。Sako等［8］以Shirasu砂土进行了暴雨引发两个不同密度层土坡失稳的室内模型试验。于一帆等［9］利用大型振动台模型试验，探究了震后边坡再次承受振动荷载的能力以及地震垂直分量对坡体稳定性的贡献。肖锐铧等［10］采用振动台物理模拟试验手段，从改变模型的坡度和坡顶宽度、软岩硬岩结合、阶梯状坡形等角度，较系统地研究了双面坡在强震作用下的响应规律。但是近年来，部分学者研究发现其他影响也可导致滑坡灾害的发生。杜强等［11］运用模型试验，发现雨水在坡体内部不同位置的流动和累积，是土体发生滑坡的主要原因。周月等［12］利用物理模型试验，探究了滑块组成物质粒径、块体体积、试块数量对滑坡运动特性的影响。不难发现，已有的模型研究从降雨强度、地震烈度、滑坡坡度、坡体形状、诱因作用位置、土体组成等单一因素的角度研究滑坡破坏机理，但在滑坡诱因多样性导致的灾变机理复杂性方面研究成果不多。

事实上，已有学者注意到地震与降雨组合作用也是诱发滑坡灾害的重要因素之一。尹小军［13］针对黄土边坡模型进行了大型模型试验，验证了降雨与地震耦合作用下黄土边坡破坏位移特征。王兰民等［14］通过物理模型试验，研究了地震和降雨耦合作用下黄土边坡的动力响应特征。蒲小武［15］以振动台为主要研究手段，开展了地震和降雨耦合作用下黄土边坡失稳研究。显然，上述学者对地震与降雨组合作用滑坡的研究主要集中于黄土类滑坡的稳定性分析和动力响应机制两方面。但是，利用物理模型试验研究典型震后堆积体滑坡在不同降雨强度作用下的破坏机理、裂缝发展规律、启动时间及沉降变形规律的成果鲜见于报端，因此堆积体滑坡在震后降雨作用下的研究成为当前关注的热点。

综上，本文以舟曲江顶崖大型堆积体滑坡为研究对象，进行震后降雨作用下的物理模型试验，揭示滑坡在震后降雨作用下的发生机理以及变形发展规律，分析相同地震烈度作用下，滑坡启動时间及沉降变形与降雨强度的关系。为滑堆积体坡在震后降雨作用下的预测提供基础数据。

1 滑坡模型试验方案

1.1 研究对象

据甘肃省地震危险区划图，舟曲县位于舟曲—武都地震亚带，地震灾害频发，抗震设防烈度为Ⅷ度;频发的地震导致舟曲县境内的岩体破碎、松散，形成了大量的堆积土体。据舟曲县气象站和中国气象数据网统计，舟曲县境内年平均降雨量为420.6 mm，24小时内最大降雨量约为63.3 mm，1 h内的最大降雨量为47.0 mm，降雨常以阴雨和短时暴雨的形式出现。进入雨季，短时强降雨极易诱发堆积坡体发生滑坡。

受持续强降雨影响，2018年7月12日舟曲南峪乡江顶崖老滑坡群局部复活，称江顶崖滑坡。滑体坡度约为25°，最长处约为462 m，平均宽度约为210 m，平均厚度约为26.5 m，总体积近400×104 m3，地质剖面图如图1所示，属于巨型松散堆积层滑坡体。滑坡土体自上而下分别为滑体、滑带土、滑床，土层相关参数如表1所列。

1.2 试验相似比与材料选取

1.2.1 试验相似比设计

物理模型试验缩尺模型相似设计主要考虑三个方面［16］，即材料相似、几何相似以及物理相似，实际情况下三个方面很难同时完全满足。因此，为更合理地研究该滑坡在震后降雨作用下响应，选择合适的相似参数极为重要。通过量纲分析确定震后降雨作用下模型试验涉及的相似参数，包括：l为长度（m）、ρ为密度（kg/m2）、c为黏聚力（N）、φ为内摩擦角（°）、E为变形模量（Pa）、μ为泊松比、g为重力加速度（m/s2）、σ为应力（Pa）、ε为应变、u为位移（m）、k为渗透系数（mm/h）、t为时间（s）、q为降雨强度（mm/h）、h为沉降变形（m），共14个。假设堆积体滑坡简化为线弹性变形的结构体系，则滑坡的受力满足以下关系：

σ=f（l，ρ，c，φ，E，μ，g，ε，u，k，t，q，h）

本试验根据原型的基本参数以及试验相应指标，采用几何尺寸（Cl=1 000），密度（Cρ=1），重力加速度（Cg=1）作为基本量纲，假设材料为各向同性，φ、μ、ε为无量纲，分析过程中不做考虑，即其相似比为1，通过量纲分析法和π定理计算确定模型的相关物理量的相似系数，如表2所列。

1.2.2 试验材料选取

试验材料依据相似系数选配，由于现有技术与材料无法完全按照相似比设计，但为尽可能还原滑坡原型结构特征与力学性质，因此只能对一些重要物理量进行相似统一。参考于一帆等［9］的堆积体滑坡模型试验黏聚力设计方法确定，本文试验按照1∶20的进行缩尺设计。同时，根据罗先启等［17］提出的滑坡模型试验相似材料择优方法，选用试验相似材料选用重石晶粉、河沙、双飞粉、膨润土、地板蜡、水、碎石（粒径小于1 cm）、黄土等配制而成，其中河沙用于调整内摩擦角、双飞粉用于调整黏聚力。模型材料的主要物理力学参数及详细配比如表3、表4所列。

1.3 试验方案设计

（1） 根据相似设计理论及量纲分析，滑坡模型箱的尺寸为50 cm（长）×25 cm（宽）×30 cm（高），模型箱采用有机玻璃板和角钢制作而成，试验过程中可以实时观察滑坡模型的破坏情况，滑坡体模型设计如图2所示。滑坡模型坡体分为基岩、滑带土以及滑体土3层，每一层又经过分层铺设并进行铺平夯实，自下而上布置。滑坡模型高约150 mm，坡度约25°～30°，滑坡模型前缘较缓，中部和后缘较陡，第一层为基岩土，平均厚度约为5 cm，最厚处为10 cm;第二层为滑带土，平均厚度约为3 cm，最厚处为5 cm，最薄处为2 cm，第三层土平均厚度约为3 cm，最高厚度处为5 cm。最底层土采用密实的黄土模拟基岩，滑体土、滑带土分别采用表4所列为材料配制。

（2） 地震工况试验根据表5地震基本烈度与峰值加速的对应关系，结合舟曲县地震情况，四组振动试验的地震加速度设计值为均为0.30g，对震后的滑坡模型的变形情况进行记录，研究堆积体滑坡模型裂缝的分布与发展情况。

（3） 地震工况完成后，间隔3 h［14］，使土体内部应力分布均匀后进行降雨工况研究。

依据地勘报告［18］及中国气象网舟曲县多年降雨实测数据可查得舟曲县实际降雨强度分别为31.6 mm/h（大暴雨）、77.3 mm/h（大暴雨）、126.8 mm/h（特大暴雨）、170.4 mm/h（特大暴雨），为尽可能复原滑坡时的降雨特征，根据相似理论，将实际降雨强度相似比缩小，最终求得试验采用的降雨强度分别为1.0 mm/h、2.5 mm/h、4 mm/h、5.5 mm/h的四组连续性短时强降雨。降雨开始即开始计时，记录滑坡体滑动时的累积降雨时间，作为滑坡启动的用时。

（4） 对滑坡模型的表面以及侧面的变形形态、裂缝发展规律进行详细记录，揭示堆积体滑坡的破坏机理。记录滑坡启动时间，以此为基础分析相同地震烈度相同下滑坡启动时间及沉降变形与降雨强度之间的关系;在模型后缘处、中部陡峭处以及坡脚处选择三处裂缝宽度测量点，裂缝的开展进行动态测量，以建立裂缝变形与降雨强度的关系。裂缝监测点如图3所示。

1.4 试验设备

1.4.1 振动设备

振动试验采用的设备由WS－Z30－50振动台、传感器及对应的Vib－SQK软件组成（图4），此装置具有操作简单、地震波输出稳定等优点。

振动台试验采用已有的，经过滤波、平滑及错点剔除处理的典型强震记录波谱直接输入汶川波谱（图5），对四组同工况输入相同振动加速度时程曲线并使各参数保持一致。通过Vib－SQK软件调整振动强度峰值加速度为0.3g，使振动装置产生水平方向的振动。

1.4.2 降雨装置

降雨装置采用自主设计的降雨模拟装置（图6）。降雨装置由12 V自动调节小水泵、流量控制旋钮、喷淋喷头及水管组成，每排设置三个喷头（间距20 cm），布置两排，进水水管连接水龙头保证量筒内水位恒定。降雨强度可通过喷头旋钮、水泵调节旋钮以及流量调节旋钮改变。具体操作方法为旋转喷头旋钮、水泵调节旋钮以及流量调节旋钮至某一位置，测定1 min内大量筒内抽出的水量即为降雨强度。水管直径为8 mm，喷头雾化喷洒范围最大直径为0.5 m。

各工况试验开始前，均进行降雨强度标定和降雨均匀性检测。即在喷头下方不同位置放置多个烧杯，模拟降雨3 min，测量杯中水的体积。试验发现随雨强越大，雾化效果越明显，同一水平面的降雨效果越均匀，测试平面与喷头高差为46 cm时，装置降雨均匀性最好。

2 试验结果与分析

2.1 破坏机理分析

2.1.1 地震工况下裂缝产生机理

堆积体滑坡的抗拉抗剪强度一般较低，坡体受到水平方向的振动荷载后，坡体向前发生剪切蠕动［19］，振动惯性力使得滑坡后缘土体产生剪切应力，导致该位置产生浅层裂缝。随着振动的持续进行，裂缝进一步发展，在坡体的侧部以及中部，剪应力相对集中，剪切裂缝大量分布。同时，松散堆积土体在受到与滑坡竖向滑移面垂直的水平振动荷载时，易发生张拉破坏，产生张拉裂缝。

2.1.2 震后降雨工况下滑坡破坏机理

堆积体滑坡结构松散，透水性极强、细颗粒含量较低。在降雨初期，雨水沿振动产生的裂缝迅速下渗，表层部分土体率先达到饱和状态，发生局部沉降，最终形成雨水径流的小沟。

随着降雨的持续进行，滑坡表层土体整体达到饱和，土体沉降及表面冲刷作用引起的土体流失，使得坡体表面的部分浅层裂缝消失。振动产生的深层裂缝因渗透侵蚀作用不断向深、向宽发展，使得深层土体逐渐达到饱和。

坡体内部发生明显渗流，导致土体发生重组或流失，表层部分大颗粒土体被冲刷渗流带至坡脚，导该处土体的自重增加。由于部分深层土体的流失，坡脚处上部土体出现临空。降雨作用使得整体土体的抗剪强度降低，使得裂缝顺着内部雨水渗流方向发展。

到降雨后期，坡体深处土体流失加剧，使得坡脚处表层土体临空体积增大，当临空土体自重产生的下滑力大于抗滑力，坡脚处土体发生滑落。

2.2 破坏过程动态分析及裂缝发展规律

2.2.1 地震工况

在振动过程中，首先滑坡表面的土颗粒碎石向下滑至坡脚处，并在坡脚处堆积。在滑坡的后缘处产生张拉裂缝，滑坡体的两侧以及中部陡峭处产生横向微小的剪切裂缝。随着振动的持续，松散滑坡土体向下压实，裂缝变宽变深，同时在坡脚处产生与振动方向相互正交的裂缝（图7）。而江顶崖滑坡后缘前且裂缝分布，中部多组剪切裂缝分布，局部已形成反傾斜错动及错台［18］。该类地震堆积层滑坡在遭受地震后，表现出典型的变形破坏特性。

2.2.2 震后降雨工况

在震后的基础上，对滑坡进行均匀降雨。结果发现，冲蚀破坏为滑坡的主要破坏形式，在坡脚处发生以沙土流失为主的块状破坏，且出现明显土质分层。为反应滑坡破坏过程以及裂缝发展规律，本文选择降雨强度为1.0 mm/h的滑坡破坏过程，滑坡破坏变形发展过程如下：

（1） 降雨工况初期

表层土体在振动工况中产生的不明显裂缝因土体润湿而清晰可见，局部发生沉降产生小沟，表明该处土体达到饱和。滑坡后缘产生弧状下陷，沉降变形明显，与实际坡体中、后部均出现局部下挫和裂缝，多呈“圆弧”状展布的变形现象相符［18］。雨水顺坡面形成的表层径流将部分块状土颗粒带至坡下，在坡脚聚集（图8）。

（2） 降雨工况中期

部分小沟发展为小冲沟并延至坡脚处时，表明表层土体整体达到饱和状态。振动产生的部分较浅层的剪切裂缝因土体流失及沉降而消失，深层裂缝因雨水的冲刷及侵蚀向宽发展（图9）。

随着降雨的持续，雨水沿已形成的裂缝加速入渗，滑坡侧缘处与后缘处裂缝向深发展（图10）。渗流水向坡脚流动，内部土体随着雨水渗流排出至坡下。坡体表面产生与雨水径流方向一致的竖向裂缝。随着坡脚下部土体流失及雨水侵蚀作用的持续，下部土体加速流失，上部土体出现临空，并因自重积压产生横向裂缝。

（3） 降雨工况后期

坡脚处的竖向裂缝因表层径流的侵蚀作用向深发展，雨水冲刷及侵蚀作用上部土体临空的同时，下部土体体积与自重增大，当土体的下滑力大于抗滑力，土体失稳发生滑动（图11）。江顶崖滑坡在坡脚处剪出口分布［18］，试验中，模型坡脚处产生较为明显的剪出口，坡体在该处发生失稳破坏，试验现象接近真实。

滑坡坡脚的滑移面处有明显的土质分层现象，表层土体达到饱和。滑坡表层土体在降雨作用下发生明显沉降，沉降深度为2.13 cm（如图12，图中黑线表示降雨前坡面，红线表示发生滑坡后的坡面）。此现象与地勘报告［17］中所述现象基本吻合。

图中红线表示滑坡土与滑带土的交界在滑坡模型的后缘处、中部陡峭处以及坡脚处选择三处裂缝进行变形动态测量，得到裂缝宽度与降雨时间之间的关系，试验结果如图13所示。结果发现，地震水平惯性力作用使得坡体产生剪切裂缝，后缘处裂缝宽度最大，坡体中部裂缝数目最多，坡前缘裂缝宽度及数目均最小，与滑坡现场中部裂缝密度大，坡脚裂缝变形程度高的现象基本一致［18］。伴随着降雨开始，雨水沿裂缝入渗使得土体的含水量增加，雨水垂直顺层浸蚀，裂缝开始发展。随着降雨的持续，坡体表面径流和内部渗流作用使得雨水不断在坡下低凹处汇集，致使坡脚处土体的强度大幅度降低，加速坡脚处裂缝的变形。裂缝的进一步发展，导致坡脚下部松散土体被雨水冲刷流失而临空，坡脚处的临空面的卸载作用，使上部土体的支持力降低，滑坡中部地势相对于后缘处较为陡峭且土体的自重不断增加，使得该处裂缝发展加剧，且中部陡峭处的裂缝发展程度相对后缘处迅速。三处裂缝均随降雨的持续而加剧变形，尤其在降雨中期，坡体土体达到饱和后，土体自重以及土体强度降低，裂缝发展发生突变，坡脚处裂缝突变变形最为明显。

裂缝最大宽度与降雨强度的关系如图14所示，由于滑坡中下部地势较陡，降雨易导致坡面流的形成，雨水沿坡面径流流动至坡底，坡脚处雨水入渗的时间充足，土体强度降低，裂缝开展剧烈，坡脚处裂缝极为发育。本文研究的滑坡结构特殊，坡体中部较为突出，成为导水优先通道，雨水径流的速度增大，且渗流路径的改变产生边缘渗透效应，土体强度降低，中部陡峭处裂缝变形加剧，致使此处裂缝变形较后缘处变形更为剧烈。

坡度不发生改变的滑坡体，裂缝在坡脚处的发展程度最为剧烈，后缘处次之，坡体中部最小，而滑坡坡度的改变，使得渗流破坏在坡度改变界面加剧。不同工况下，堆积体滑坡模型的坡体破坏往往发生在某一局部位置，不会发生整体破坏，且变形越为强烈的坡体，该位置的破坏程度越大，裂缝越发育，试验中表现出裂缝发展程度较后缘处剧烈。该现象与江顶崖滑坡多次发生局部复活的现象基本吻合［18］。同时，孔隙水压对坡体前缘坡脚处的稳定性也不利，容易在边坡工程中形成剪出口，应采用有效的排水措施来降低坡内孔隙水压力。

2.3 滑坡启动时间与降雨强度关系

滑坡在相同地震烈度下加载之后，进行不同强度的降雨试验，探讨得到在先地震后降雨作用下，堆积体滑坡的启动时间与降雨强度之间的关系，试验结果数据如表6所列。

试验发现，随着降雨强度的增大，滑坡启动时间缩短。对试验数据进行拟合得到在相同地震烈度下，滑坡启动时间与降雨强度呈指数函数关系（图14），表达式为：

t=-47.31ln（q）+190.39 （1）

式中：t为滑坡启动时间（min）;q为降雨强度（mm/h）。

由图15可知，由于松散堆积体滑坡在地震作用下产生裂缝，降雨发生时，水分优先汇集在裂缝处，水分入渗导致潜在滑移面形成。下部的密实基岩相对隔水，随着降雨强度的增大，形成潜在滑移面的时间缩短，雨水的参与使得土体的抗剪强度折减，当土体剪应力到达土体的抗剪强度极限时，滑坡启动，曲线一定程度上反映了堆积体滑坡抗剪强度的变化趋势。同时，该曲线也表现出降雨强度对径流强度及渗流强度的显著影响，即随着降雨强度的增大，径流量和渗流量增加，坡体加速破坏，阈值的时长缩短。

2.4 滑坡沉降与降雨强度的关系

在降雨作用下坡体发生失稳滑动后，测量滑体土的平均厚度作为沉降变形，对得到的数据取均值，由于土体流失量远小于坡体土体总量，则可认为流失土体可忽略不计，结果如表7所列。

对试验结果进行拟合发现土体沉降变形与降雨强度呈对数函数关系（图15），表达式为：

h=0.352 2e0.434 5q （2）

式中：h为滑坡沉降变形高度（mm）;q为降雨强度（mm/h）。

由图16可知，降雨强度的改变伴随着土体沉降变形的加剧，土体结构在自重及雨水作用下有压密的趋势，发生沉降。随着降雨强度的增强，大量土颗粒被带出坡体，坡体沉降量增大，变形破坏显著。沉降变形随降雨强度的增加而大幅度增加，说明降雨强度的增大使表层径流强度增大，堆积体滑坡表层松散土体流失以及土体达到饱和的速度加快，变形量开始呈现递增的趋势，且随着降雨强度的增大，不同降雨强度之间发生的沉降变形量相差较大。

3 结论

（1） 地震作用下，堆积体滑坡发生剪切破坏，震后不同降雨工况作用下，主要发生以沙土流失为主的块状破坏，坡脚处产生剪出口，堆积体滑坡在剪出口处发生局部失稳。

（2） 地震作用下，在坡体中部产生剪切裂缝及反倾错台，在后缘处“圆弧状”张拉裂缝发育剧烈，震后降雨工况下，随着降雨强度增大，坡体裂缝宽度增大，尤其在降雨中期均发生不同程度的突变，坡脚处裂缝突变变形最为明显。

（3） 在相同地震烈度作用后，随降雨强度的增大，坡体启动时间与降雨强度呈指数函数关系、沉降变形与降雨强度呈对数函数关系。

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收稿日期：2021-10-08

基金项目：甘肃省地质矿产勘查开发局创新基金项目（2020CX09）;甘肃省自然资源厅科技创新项目（202222）；甘肃省青年科技基金计划（20JR5RA434）

第一作者简介：姜 鑫（1982-），高级工程师，主要从事地质灾害防治与生态修复方面设计与研究工作。E－mail：68760030@qq.com。

通信作者：任永忠（1986-），博士，副教授，主要从事基坑、边坡支挡结构及滑坡防治的研究工作。E－mail：renyz518@163.com。