降雨开挖诱发顺层岩质滑坡稳定性与堆积特征

摘要：在自然环境与工程建设中，顺层岩质滑坡因其易发、频发、突发等特征，一直是地质灾害领域研究热点之一。以湖北省建始县大包山滑坡为例，综合现场调查、无人机（UAV）摄影等手段，开展含软弱夹层结构面强度弱化规律试验，考虑强度弱化的降雨-开挖联合作用，进行边坡动态稳定性与堆积特征数值模拟分析，探讨边坡破坏诱因，揭示边坡变形机制。主要结论如下：① 自然边坡在天然、暴雨工况下稳定性系数分别为1.35和1.20，开挖边坡在天然、暴雨工况下稳定性系数分别为1.04和0.90；最不利工况下，边坡第四级开挖后，发生失稳破坏，诱因为降雨-开挖联合作用；② 大包山滑坡破坏模式为典型的滑移-拉裂破坏，即滑坡体前缘侧向隆起，中后缘牵引式滑动，后缘发生拉裂破坏，滑坡体沿软弱结构面整体性顺层平面滑动；③ 大包山滑坡的变形破坏和启滑运动堆积过程可划分为5个阶段，即裂缝发展贯通阶段、启滑动态响应阶段、整体高速滑动阶段、平台碰撞制动阶段、堆积侧向挤滑阶段；滑坡前缘于坡脚处堆积，堆积距离约15～25 m，整体滑移水平距离约15 m，滑坡最大位移量高达30 m。研究成果对类似顺层岩质滑坡研究具有一定参考价值。

关 键 词：顺层岩质滑坡； 降雨； 边坡开挖； 数值模拟； 强度弱化； 大包山滑坡

中图法分类号： P642.22

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.021

0 引 言

顺层岩质边坡系岩层倾向与坡面倾向一致、倾角小于坡角的一类斜坡体［1-3］，受库水位变化、降雨、地震、人类工程活动等因素影响，岩体沿软弱层面滑动，即为顺层岩质滑坡［4-5］。该类滑坡具易发、频发、突发等特征［6-8］，在中国中西部地区广泛发育，如三峡库区千将坪滑坡、杉树槽滑坡、马家沟滑坡、旧县坪滑坡等。2018年10月22日17∶20，湖北省恩施州建始县建恩高速公路右侧山体，沿软弱层面发生整体性顺层滑移破坏，由于当时位移监测系统发出预警，未造成人员伤亡，仅2辆运输车与3栋房屋受损。

目前，学者主要围绕库水位波动、降雨、地震、工程活动等不同诱因，辅以物理模型试验、三维空间影像技术、数值模拟等手段，对顺层岩质滑坡启滑判据、变形破坏特征、稳定性特征、动力学特征等开展系统研究。例如，谭淋耘等［7］据三峡库区旧县坪滑坡监测数据，采取多因素综合过程分析，定量分析了滑坡变形在不同库水位变化过程下的响应特征与诱发机制。许明等［8］采用块体砌筑斜坡振动台模型，在多维多参数地震动作用下，考虑斜坡不同工况下力学参数劣化过程，研究层状碎裂结构岩质边坡的地震动力响应和失稳破坏模式。张家明［9］从自重、开挖、暴雨、蓄水、地震工况等方面，系统总结了含软弱夹层岩质边坡稳定性研究现状及进展。因顺层岩质滑坡诱因不同，揭示复杂工况下边坡启滑机制及变形失稳破坏特征成为滑坡研究领域一大关键问题。

数值模拟方法一般可分为有限差分、有限元、离散元及有限离散元等方法，因离散元法在处理复杂非线性、多尺度、大变形及多场耦合等问题上具有独特优势，在边坡稳定性分析问题上被广泛应用。例如，秦盼盼等［10］以青石6号岩质岸坡为研究对象，采用FDEM耦合方法模拟其变形破坏全过程，并结合室内试验，探究岩体劣化对岸坡变形破坏演化过程的影响。唐朝晖等［11］以秭归县杉树槽滑坡为例，采用FLAC3D软件模拟滑坡渐进破坏过程，分析顺层岩质滑坡变形破坏发展规律，提出顺层岩质滑坡加速变形的能量学判据。孟桓羽等［12］采用离散元软件PFC3D，对山阳滑坡运动堆积过程进行模拟，再现了滑坡体失稳后，沿视倾向启动、碰撞和堆积全过程。UDEC是一款基于离散元法的非连续介质二维数值模拟软件，适用于大变形节理岩体建模与计算，如岩质边坡的渐进破坏研究、边坡开挖岩体稳定性分析等。TAN等［13］采用UDEC软件建立考虑泥质夹层厚度及结构面形状的数值模型，从细观角度揭示了泥质结构面的剪切力学行为和渐进破坏机制，以研究结构面抗剪强度参数对顺层岩质边坡稳定性的控制作用。顾东明等［14］以巫山龚家坊滑坡为例，考虑库水涨落引起的消落带范围内水岩相互作用，采用UDEC软件建立滑坡离散元模型，研究了反倾边坡消落带岩体侵蚀破坏过程与渗流作用机理。

库水波动、降雨入渗等引起岩质边坡结构面强度弱化，往往是边坡破坏的重要诱因，而现有研究中，通过获取结构面强度弱化规律，嵌入渗流计算数值分析，进而分析边坡破坏过程的成果仍较少。故本文以建始县大包山滑坡为例，结合定性分析，基于试验获取水致岩体结构面强度弱化的规律，采用UDEC流固耦合模式，将结构面强度弱化规律编程嵌入数值算法中，分析边坡在降雨-开挖联合作用下的变形过程，探讨边坡破坏诱因，揭示边坡变形机制与破坏模式。

1 滑坡概况

1.1 工程概况

建恩高速位于湖北省建始县境内，系安来高速（G6911）建始县至恩施市公路段（图1），对于大包山边坡，建恩高速工程设计方案为自上而下分四级开挖，开挖坡角及坡高逐级增大，致使前缘形成高陡路堑边坡［15］。

1.2 工程地质条件

建始县地处新华夏系第三隆起带，经多次地壳运动，地壳断陷抬升显著，滑坡区属山地顺向斜坡地带，滑坡体东侧即为高速公路，为滑坡形成提供有利临空条件（图1）。

建恩高速路段主要穿越三叠系下统大治组（T1d）地层，滑坡区出露地层以泥质灰岩为主，色灰或深灰，质地较软，含多层软弱夹层，形成软硬相间层状结构。覆盖层为第四系全新统残坡积物（Qdl4），以粉质黏土为主，厚度极小。

滑坡区属亚热带季风湿润型山地气候，年平均气温约15℃，雨期集中在夏季。大包山滑坡发生前后（10月）降雨量统计如图2所示，滑前累计降雨量约51 mm；滑前4 d（即10月18～21日）均有降雨，累计降雨量24 mm，水分沿贯通节理入渗，对软弱夹层及边坡岩体抗剪强度起软化作用。

滑坡后缘居住6户居民，其年排水量900 m3，坡顶有3处蓄水池，蓄水深度2～3 m，直径3 m，排水沿节理裂隙面入渗，长期入渗效应促使滑坡后缘灰岩溶蚀，其岩体力学强度降低。

区内地下水埋深较大，主要由岩石裂隙水组成，由大气降水及居民排水补给，滑动地层未见明显地下水出露。降雨及居民排水携二氧化碳，沿岩石表面入渗，于节理处累积，碳酸钙与二氧化碳反应，生成碳酸氢钙并溶解于地下水中，致岩体完整性降低，力学强度弱化，溶蚀效应促进边坡变形及其滑坡周界形成［15］。

2 结构面发育特征及破坏机制分析

2.1 岩体结构面发育特征调查

滑坡岩层产状约122°∠22°，倾角略小于坡角，滑坡体为泥质灰岩，层厚随深度增加，范围在0.2～2.5 m，含多层软弱夹层，形成软硬相间层状结构；滑带由软弱夹层组成，层厚约1～5 cm，强度较低的软弱夹层面构成潜在的滑动带；受边坡区域原始构造应力作用，滑坡区发育1组“X”形共轭节理J1、J2（图3（a）），切割岩体形成层间裂隙，其主要特征统计见表1；滑坡后缘尚发育一处长大贯通节理。

对软弱夹层开展XRD矿物成分分析结果如表2所示，其主要成分为伊利水云母、粉晶方解石、蒙脱石、铁质成分，具有较高的亲水性、吸水膨胀性及崩解性。方解石成分遇水溶蚀也会导致岩石渗透性增强，力学性质下降，与现场其松软质地、用手即能掰碎相符。

2.2 滑坡破坏机制定性分析

综合现场调查、UAV摄影结果，大包山滑坡主滑方向为NE122°，绘制二维主滑剖面（Ⅰ-Ⅰ′）图3（b），总面积约6 500 m2，估算体积约55 000 m3，滑坡后缘及两侧岩体发生滑移拉裂式破坏，形成近垂直陡坎，东侧公路及邻近房屋产生不同程度下错与水平变形，后缘覆盖层崩落并堆积于后缘裂缝陡坎中。滑体产生顺倾向滑移变形，前缘整体滑动距离约12～30 m，直抵公路路面，呈鼓丘状堆积。滑坡后缘呈近8 m高直陡坡，致其北侧形成约3 000 m2变形区，前缘侧向约束丧失产生卸荷作用，致区内产生多条长约3～45 cm、宽约2～25 cm的拉张裂缝，走向为90°～120° （图3（c））。

大包山滑坡结构完整，为一典型顺层岩质滑坡，其发育过程可分为3个阶段［15］：

① 发育良好的节理及边坡开挖面贯通形成该岩质滑坡完整边界；

② 地下水及地表水对岩体长期入渗侵蚀，致边坡岩体完整性降低，软弱夹层抗剪强度下降；

③ 在滑前强降雨作用下，滑体沿下部软弱夹层构成滑动面整体滑移，边坡失稳破坏。

大包山滑坡的发生，滑坡区岩体结构及其软弱夹层性质为内在因素，滑前数日降雨为外部主导因素，边坡工程开挖为诱发因素，其变形破坏机制涉及3个方面：

（1） 构造变形与裂隙溶蚀作用。滑坡区内形成的1组“X”形节理，切割岩体形成层间裂隙。降雨及地下水渗透进入原生构造节理内，与钙质成分发生化学反应，形成溶蚀裂隙。

（2） 边坡开挖卸荷作用。受卸荷作用的影响，顺层边坡形成沿走向的卸荷裂隙。此外，在自重作用下，沿倾向滑动变形，原生构造节理与卸荷裂隙扩张，为地下水及降雨入渗提供有利的通道条件；边坡开挖卸荷应力释放，软弱夹层膨胀，其致密结构变得松弛。

（3） 降雨入渗软化作用。边坡岩体及软弱夹层在地表水（降雨）及地下水持续入渗作用下，抗剪强度降低，直至边坡发生失稳破坏。

3 室内试验与数值模拟方法

3.1 结构面强度弱化参数

为获取结构面参数并研究软弱夹层的强度弱化效应，现场取软弱夹层原状样，开展干燥、饱和状态下含软弱夹层结构面直剪试验。试样为100 mm×100 mm×50 mm方形试样，结构面间夹10 mm厚软弱夹层，干燥试样置于烘箱24 h、105°环境下烘干处理，饱和试样置于静水饱和48 h处理。采用恒定法向荷载下的剪切位移控制模式，剪切速率为0.8 mm/min，法向应力设置200，300，400，500，600 kPa五级，据摩尔库仑定律，对试样峰值抗剪强度进行线性拟合［15］ （图4），获取结构面强度参数见表3。

岩体参数取值仅考虑块体密度，取2 500 kg/m3。结构面参数取值包括完整岩石与岩体裂隙强度及刚度参数，完整岩石参数（干燥）主要结合工程地质类比法参考相关报告建议值，裂隙强度参数（干燥）主要来源于现场调查、室内结构面剪切试验，并通过模型参数校核，饱和状态取值为干燥状态×强度弱化系数KR（一般通过岩石饱和强度试验取得，考虑溶蚀效应，统一设置为0.8［16-17］）（表4）。

3.2 降雨入渗模拟方法

降雨入渗采取沿坡表等间距均匀注入流量实现（图5），据滑坡发生前后的最大降雨量数据，根据式（1），计算流量Q为3×10-7 m3/s。注入流量后考虑降雨持续性入渗模拟，直至饱和状态计算平衡。

Q=pmaxt×ldomain×d［12］

（1）

式中：Q为流量，m3/s；Pmax为最大降雨量，mm；d为z方向单位厚度，m；ldomain为流量注入域间距离，m。

饱和状态下尚需考虑自重效应，即降雨入渗引起岩体容重改变，利用block property density命令更改饱和状态下岩体容重。结构面强度通过判断该裂隙是否有渗流，若存在渗流，则采用对应的饱和强度；反之，采用天然强度。

3.3 数值模型建立

根据滑坡二维主滑剖面（Ⅰ-Ⅰ′），建立大包山滑坡离散元数值模型如图5所示，建模步骤如下：

（1） 几何模型建立，划分岩层。生成边坡二维几何轮廓，模型垂直高程615～670 m，水平距离约110 m，地层产状为122°∠22°；按自上而下层间距由密到疏（0.2 m变化至2.5 m），生成节理面切割划分不同层厚岩层，倾角为20°。

（2） 层间裂隙划分，生成岩块。二维剖面层间裂隙为一组J1节理，倾向195°～217°，倾角82°～85°。为使岩块尺寸及裂隙分布具有随机性，采用内置fish语言编程，调用random函数，控制岩块长厚比范围为1.8～2.8［14-15］，基于端点坐标平移，实现节理裂隙在岩层间随机切割，生成贯通裂隙与非贯通裂隙（图5）。

（3） 模型材料设置，赋予参数。数值模型对块体不进行网格划分，仅将岩体材料设置为刚体，赋予块体密度。节理裂隙本构模型为摩尔-库伦模型，赋予黏聚力c、内摩擦角φ参数。

（4） 边界条件设置，约束模型。对模型边界采用位移约束：底边界约束竖向位移，左右侧边界约束水平位移，坡面临空面为自由边界。渗流场计算为稳态流计算模式，底边界为不透水边界，左右侧边界为固定水头边界。

（5） 边坡开挖设置，动态模拟。边坡开挖设计沿开挖边界分四级进行（图3），预生成四处开挖体，并进行分组，按组删除开挖体实现阶段开挖模拟。

（6） 监测点位设置，位移监测。沿开挖面及边坡临空面布设共计15处监测点，以同步监测数值模拟过程中的边坡位移。

3.4 计算工况

针对大包山滑坡，重点关注降雨及开挖因素分别对边坡变形的影响程度。结合工程需求，开展天然工况、暴雨工况、开挖工况以及暴雨+开挖联合工况下边坡稳定性分析与运动堆积特征研究（表5）。

4 结果分析

4.1 工况1：自然边坡天然工况

图6为天然工况下，自然边坡强度折减过程监测点位移变化曲线。该工况下Ks设置：按0.05梯度，由1.20增至1.40模拟计算，以判断边坡失稳破坏临界状态。随着Ks增大，边坡位移逐渐增加，即每次折减系数增大，边坡变形增加，表现为台阶状位移递增。当Ks为1.35时，边坡变形增量较为明显，但呈收敛趋势；当Ks为1.40时，变形增量显著增大，呈不收敛趋势。故自然边坡天然工况下，边坡整体稳定性系数约为1.35，属稳定状态。

图7为天然工况下自然边坡破坏模式，其滑坡周界清晰，后边界始于边坡中后部，滑坡体规模较小，由浅表层完整性较低岩体构成。自然边坡最终破坏模式为滑移-拉裂式［10，18-20］，滑坡体沿表层软弱结构面发生顺层滑移，后缘发生拉裂破坏，前缘坡脚处水平剪应力较为集中，以侧向推移破坏为主，坡脚最大位移量达0.3 m。

4.2 工况2：自然边坡暴雨工况

图8为暴雨工况下，自然边坡强度折减过程监测点位移变化曲线，可知，自然边坡在暴雨工况下是稳定的，边坡最大位移量约0.428 mm。该工况下Ks设置按0.05梯度，由1.05增至1.25模拟计算。当Ks由1.05增至1.15时，边坡变形增大，变形增量较小且收敛；当Ks为1.20时，变形明显增大，增量约0.0 015 m，但呈收敛趋势；当Ks为1.25时，位移增幅显著加大，呈不收敛趋势。故自然边坡在暴雨工况下，边坡整体稳定系数约为1.20。

该工况下边坡破坏模式与天然工况一致，为滑移-拉裂式，滑坡体沿软弱结构面发生顺层滑移，后缘发生拉裂破坏，后缘最大位移量约1.0 m，前缘坡脚处水平剪应力较为集中，发生显著侧向隆起，坡脚最大位移量达1.06 m。该工况下，受降雨入渗导致岩体结构面强度弱化，边坡变形量较天然工况增加，表明强度弱化效应是控制滑坡发生的原因之一。

4.3 工况3：开挖边坡天然工况

图9（a）为边坡开挖过程中，监测点位移随计算时步变化曲线，图9（b）为各开挖阶段对应位移云图，综合分析可得：

（1） 天然工况下，每一阶段开挖结束后，边坡自由变形总能收敛，表明工程扰动后，边坡整体可维持自身稳定，其稳定系数均大于1。

（2） 整体上，随边坡开挖推进，边坡岩体受扰动范围逐渐增大，边坡应力状态重分布，变形量增加，前三级开挖导致边坡变形量极小，第四级开挖后，边坡发生较大变形后保持收敛，最大变形值达到0.6 mm，表72319d744a7cbc6a16f7deabce02dd37f3982b5b5610fd13c75fa47154aa6497明边坡开挖是控制滑坡发生的原因之一。

天然工况下，边坡开挖无较大变形，自然边坡整体是稳定的，该工况下Ks设置按0.01梯度，由1.02增至1.05模拟计算，以判断边坡失稳破坏临界状态。

图10为天然工况下，开挖边坡强度折减过程监测点位移变化曲线，当Ks为1.02，1.03，1.04时，变形量较小，曲线基本水平。当Ks为1.05时，变形量呈指数型增长，呈不收敛趋势，边坡已发生失稳破坏；当Ks为1.02，1.03，1.04时，开挖边坡整体最大位移量为1 mm，表明边坡应力状态未发生显著改变，仍能保持自身稳定，较大变形区域主要集中在潜在软弱滑动面上部岩体；当Ks为1.05时，开挖边坡最大位移量突变，达2 cm，后缘已发生拉裂破坏，潜在滑动面清晰可见，大变形区域集中在表层岩体。天然工况下，开挖边坡最终稳定系数约为1.04，属欠稳定状态，边坡虽能保持基本稳定状态，一旦受降雨、地震等影响，边坡将失稳破坏。

4.4 工况4：暴雨+开挖联合工况

暴雨工况下，第四级边坡开挖卸荷后，边坡形态改变，前期强降雨作用导致岩体及结构面强度弱化，边坡岩体最终无法保持自身稳定，经反分析计算得其稳定系数为0.9。

数值模拟大包山滑坡堆积特征如图11（b）所示，坡脚完全开挖后形成完整临空面，浅表部岩体构成滑坡体，软弱夹层结构面构成滑带，滑坡后缘发生拉裂破坏，滑体以整体性顺层滑移为主，为典型顺层岩质滑坡发育破坏特征。大包山滑坡的变形破坏与启滑堆积过程具阶段性，可划分为5个阶段，即裂缝发展贯通阶段、启滑动态响应阶段、整体高速滑动阶段、平台碰撞制动阶段、堆积侧向挤滑阶段。模拟结果显示计算10万步后，裂隙已完全贯通，发生失稳破坏形成整体位移，后边界形成1.54 m宽拉张裂缝，为启滑动态响应阶段。计算20万步后，滑体下部岩体位移增大，逐渐接触平台堆积，为整体高速滑动阶段。30万～50万步计算过程，属平台碰撞制动阶段，滑体底部岩体运动速度减小，上部岩体继续下滑，滑体整体位移持续增加，于坡脚平台堆积。计算60万步后，属堆积侧向挤滑阶段，在底部平台堆积体阻力作用下，滑体停止运动，以侧向挤滑为主，前缘于坡脚堆积，堆积距离约15～25 m，后缘发生拉裂破坏，整体滑移水平距离约15 m，滑坡最大位移量高达30 m。整体上，滑体底部岩层滑动距离为15.0～17.5 m，上部岩层滑动距离为18～26 m，与现场调查结果（图3（a）、图11（a））吻合较好，较好地再现了大包山滑坡的破坏堆积过程。

5 结 论

（1） 据强度折减法，得到自然边坡在天然、暴雨工况下边坡稳定性系数分别为1.35和1.20，开挖边坡在天然、暴雨工况下边坡稳定性系数分别为1.04和0.90；天然工况下，坡脚开挖后，致滑面露出，边坡具有较大发生顺层滑坡风险，最不利工况下，第四级开挖后，边坡变形量显著增大，发生失稳破坏，边坡破坏由降雨+开挖联合作用诱发。

（2） 大包山滑坡失稳破坏模式为滑移-拉裂破坏，滑坡体前缘受水平应力主要表现为侧向隆起，中后缘牵引式滑动，后缘发生拉裂破坏，滑坡体沿软弱结构面发生整体性顺层平面滑动。数值模拟采用流固耦合方式，再现了滑坡运动堆积过程，模拟结果与现场调查结果较为吻合，滑坡前缘于坡脚堆积，堆积距离约15～20 m，后缘发生拉裂破坏，整体滑移距离约15 m，滑坡最大位移量达30 m。

（3） 大包山滑坡的变形破坏和启滑运动堆积过程具阶段性，可划分为5个阶段，即裂缝发展贯通阶段、启滑动态响应阶段、整体高速滑动阶段、平台碰撞制动阶段、堆积侧向挤滑阶段。

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（编辑：刘 媛）

Stability and accumulation characteristics of bedding rock landslides induced by rainfall-excavation

CUI Yuhan1，GU Dongming1，2，YU Haibing1，2，LYU Hao1，XIE Zhaoyu3

（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan 430074，China； 2.Badong National Geological Disaster Observation and Research Station，China University of Geosciences （Wuhan），Wuhan 430074，China； 3.Hubei Daoze Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

Abstract：

In the natural environment and engineering construction，bedding rock landslides have always been one of the research hotspots in the field of geological disasters due to their characteristics of easy occurrence，frequent occurrence，and sudden occurrence.Taking the Dabaoshan Landslide in Jianshi County，Hubei Province as an example，the strength weakening law test of the structural plane with weak interlayer was carried out by field investigation and UAV photography.Considering the combined effect of rainfall and excavation，a numerical simulation analysis of dynamic stability and accumulation characteristics was conducted to explore the causes of slope failure and reveal the deformation mechanism of the slope.The main conclusions are as follows：① The stability coefficients of natural slopes under natural and rainstorm conditions are 1.35 and 1.20，respectively.The stability coefficients of excavated slopes under natural and rainstorm conditions are 1.04 and 0.90，respectively.Under the most unfavorable conditions，the instability failure occurs after the fourth stage of excavation of the slope，and the inducement is the combined effect of rainfall and excavation.② The failure mode of the slope is a typical slip-crack failure.That is，the front edge of the landslide body is laterally uplifted，the middle and rear edges are traction sliding，the rear edge is tensile failure，and the landslide body is sliding along the weak structural plane.③ The deformation，failure，and accumulation process of the Dabaoshan Landslide can be divided into five stages，namely，the crack development and penetration stage，the dynamic response stage，the overall high-speed sliding stage，the platform collision braking stage，and the accumulation lateral extrusion sliding stage.The front edge of the landslide accumulates at the foot of the slope，the accumulation distance is about 15～25 m，the overall slip horizontal distance is about 15 m，and the maximum displacement of the landslide is up to 30 m.The research results have a certain reference value for the study of similar bedding rock landslides.

Key words：

bedding rock slope； rainfall； slope excavation； numerical simulation； strength weakening； Dabaoshan Landslide