碎石土滑坡的发育机制分析及防治对策研究

摘 要：【目的】以甘肃礼县夹关沟滑坡为例，计算其在降水和地震作用下的稳定性系数，对其发育机制进行分析，并针对不同情况下碎石土滑坡的发育提供防治对策。【方法】选取强度折减法，利用的本构模型为莫尔-库伦模型，同时利用Midas有限元软件对夹关沟滑坡进行数值模拟。【结果】碎石土边坡天然条件下的稳定性系数为1.271 9，处于基本稳定；降雨条件下稳定性系数为1.125，处于不稳定状态；地震条件下稳定性系数为1.006 8，处于不稳定状态。【结论】在降水作用时，滑坡内部岩体受到入渗水的侵蚀，在坡面松散堆积物和下伏基岩层顶部的位置逐渐形成饱水带，成为滑坡失稳滑动的潜在滑移面；在地震作用时，滑坡体松散堆积物的抗滑力逐渐减小，直到小于其自重时，滑坡发生失稳滑动，再加上河道侵蚀冲刷的影响，滑坡前缘处不断受到河水的侵蚀冲刷，形成不合理的切坡，导致滑坡内部的应力发生重分布，在外力作用下，滑坡容易发生失稳滑动。

关键词：碎石土滑坡；滑坡成因；发育机制；滑坡治理

中图分类号：P642.22 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）16-0117-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.023

Analysis of the Development Mechanism and Prevention Measures of Gravel Soil Landslides

HE Shuaishuai

（ Northwest University of Political Science and Law， Xi'an 710000， China）

Abstract：[Purposes] Taking Jiaguangou landslide in Lixian County， Gansu Province as an example， the stability coefficient under the action of precipitation and earthquake is calculated， the development mechanism is analyzed， and the prevention and control countermeasures are provided for the development of gravel soil landslide under different conditions.[Methods] The strength reduction method is selected as the calculation method in this article， and the constitutive model used is the Mohr Coulomb model. At the same time， Midas finite element software is used to numerically simulate the Jiaguangou landslide.[Findings] The stability coefficient of the gravel soil slope under natural conditions is 1.271 9， which is basically stable; Under rainfall conditions， the stability is 1.125 and it is in an unstable state; The stability coefficient under earthquake conditions is 1.006 8， indicating an unstable state.[Conclusions] During precipitation， the internal rock mass of the landslide is eroded by infiltration water， gradually forming a saturated zone at the top of the loose accumulation and underlying bedrock layer on the slope surface， becoming a potential sliding surface for landslide instability and sliding; During an earthquake， the anti slip force of loose deposits in the landslide body will gradually decrease until it is less than its own weight， and the landslide will experience unstable sliding. In addition， under the influence of river erosion and erosion， the front edge of the landslide is constantly eroded and eroded by river water， forming an unreasonable cut slope， leading to the redistribution of stress inside the landslide. Under external forces， the landslide is prone to unstable sliding.

Keywords： gravel soil landslide; landslide causes; developmental mechanism; landslide control

0 引言

碎石土滑坡主要发育在山区沟谷两侧的陡坡上。在长期风化侵蚀作用下，碎石土滑坡的滑体成分主要为表层黄土、岩石风化物、崩塌体和其他残坡积物，一旦发生滑动，可能造成沟谷内公路损毁或河道淤积，对人类生产生活产生极大影响。因此，分析研究碎石土滑坡的成因和发育机制，及时监控碎石土滑坡的发育情况，制定有效的防治对策具有重要意义。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

甘肃陇南礼县地区地形地貌主要为侵蚀堆积黄土丘陵，伴随构造运动的影响，少部分区域发育有构造低中山。黄土丘陵区海拔高度为1 450～1 900 m，构造山区为1 900～2 388 m，区域内相对高差约为50～350 m。新生代以来，青藏高原的隆升作用导致研究区发生强烈的构造运动。黄土丘陵区内伴随部分构造运动导致的低中山和区域内夏秋季节伴随的短时强降雨，容易在短时间内汇聚大量地表水，山区表面受雨水和地表水侵蚀严重，造成了典型的区域性黄土侵蚀地貌。低中山内部分布大量的侵蚀沟谷，尤其在构造山区域，由于河谷水流流速较快，对谷底冲刷侵蚀严重，冲沟下切纵深大，两侧坡体陡，呈典型的“V”字形断面。在冲沟两侧坡体上，由于受到物理化学风化等外力作用，斜坡体上堆积的黄土层和破碎的岩土风化物，在降雨或地震作用下，崩塌和滑坡灾害极为发育［1］。

1.2 构造运动与地质构造

青藏高原的强烈隆升导致研究区伴随着剧烈的地壳变形运动，造成与西秦岭的构造运动相互挤压，研究区内破碎的地形地貌，主要表现为一系列的断陷盆地［2］分布在研究区周围。同时，在强烈构造运动的影响下，研究区内断陷盆地的地表往往风化破碎极其严重，为滑坡泥石流的发育提供了充足条件［3］。与此同时，青藏高原的强烈隆升与西秦岭构造山的相互作用形成了一系列复杂的断裂带，主要表现为礼县-罗家堡断裂带，西起礼县石桥镇、城关镇一带，东至罗家堡一带，自西向东呈条带状展布，总长约为55 km，整体上顺着西汉水河谷北侧延伸，是一条典型的左旋走滑性质断裂［4］。

由于研究区受断裂带发育影响较大，发育较多碎石土滑坡，主要分布在断裂带两侧的黄土山坡上，加上该地区夏季有集中性暴雨，碎石土滑坡发育的条件较为充沛［5］。夹关沟滑坡位于礼县城关镇夹关沟内，是典型的受构造带影响的碎石土滑坡，夹关沟内存在季节性河流，常在夏秋季因山区暴雨多发洪水，对夹关沟滑坡前缘坡脚侵蚀严重，容易造成滑坡失稳滑动［6］。

1.3 地层岩性

研究区内受不同时期构造运动影响较为强烈，出露不同时期的地层较明显，主要出露年代包括泥盆系、石炭系、侏罗系、古近系到新近系，主要出露岩性包括灰岩、泥岩和粉砂岩为主。

1.3.1 新近系之前的地层。新近系之前的地层岩性主要包括泥盆系中上统砂砾岩和灰岩，主要分布在江口乡和罗坝镇地区，石炭系灰色厚层砂岩和炭质粉砂岩，主要分布在礼县西北罗坝镇地区，侏罗系中下统含砾砂岩夹粉砂岩，主要分布在罗坝镇以西部分构造山区和矿区，古近系红色砂砾岩夹砂泥岩互层，主要分布在从礼县县城东侧一带。

1.3.2 新近系地层。新近系主要出露地层为泥岩，分布在断裂带两侧和受河水侵蚀严重的河谷地带，其出露岩性为红色泥岩层，呈层状构造。出露处由于常年的雨水和外地质营力的侵蚀，其岩层表面通常崩解成破碎物质，堆积在河谷中，被季节性河水冲刷侵蚀到下游。

1.3.3 第四系地层。第四系地层在研究区内有大面积出露，主要出露年代为上更新统和全新统两个时期，在礼县尤其是西汉水河谷分布较多。其中上更新统地层厚度约为20～25 m，岩性大多为粉质黏土，沿着西汉水河谷两岸展布，多在两岸黄土阶地上呈条带状出露，部分地区受到河水侵蚀严重，黄土接地发育有局部小规模崩解。全新统地层包括冲洪积物、残坡积物和重力堆积物。其中冲洪积物分布在河道两侧的河漫滩上，组成物质为黏性土夹杂着部分砂砾石，厚度约为3～5 m，在泥石流沟口附近堆积较厚，在其他区域堆积较少。残坡积物分布在黄土丘陵的斜坡上和泥石流沟内，组成物质取决于斜坡出露岩性，不同区域出露岩性不同，一般为灰岩和粉砂岩，在长年累月的外力侵蚀作用下，受到不同程度的风化，堆积到斜坡上，被雨水等外力作用冲刷带到泥石流沟内。重力堆积物主要是河道两侧阶地或黄土丘陵斜坡受到河水侵蚀和地震作用等，出露的岩层形成破碎风化岩石，堆积到斜坡坡脚或泥石流沟谷内，形成重力堆积物，堆积物往往容易阻塞河道，形成堰塞湖。

1.4 水文地质条件

研究区降水丰富、水系众多，地表水有以西汉水、燕子河为主的多条河流，每条河流又有大大小小数十条支沟。在夏秋季节，支沟内季节性河流的水流量较大，容易在地表汇聚，为滑坡泥石流的发育提供充足的外力条件。尤其是在降雨作用下，河道内水流速加快，长年累月对斜坡坡脚进行冲刷侵蚀，而在斜坡坡体上，降雨作用对斜坡坡面的冲刷，造成坡面物质被侵蚀带入到坡脚。地下水则主要为入渗水，降雨和耕地灌溉水不断入渗到岩土层内部，在斜坡坡体内沿着岩层的节理裂隙，容易在内部形成软弱破碎带，为滑坡的形成提供了基础条件［7］。

2 夹关沟滑坡发育机制

2.1 夹关沟滑坡概况

夹关沟滑坡位于北纬34°09′50″，东经105°12′25″，该滑坡总长约为23 m，宽约为50 m，厚度约为3 m，滑向96°。滑坡后缘存在多级陡坎，总体上呈半圆形，前缘较宽，斜坡体大部分都被杂草覆盖，仅在后缘陡坎处有大面积岩石裸露。滑坡前缘处由于受到沟谷内河水的侵蚀冲刷，在部分区域有小规模崩解出现，崩解物堆积在河道内，以黄土坡积物和破碎岩石为主。

2.2 夹关沟滑坡发育机制分析

2.2.1 坡度是影响滑坡发育的重要因素。在坡度较缓地区，斜坡上堆积的风化破碎岩石和黄土堆积物，即使在外界条件影响下，也较难发生大规模滑动［8］。在坡度较陡地区，斜坡堆积物容易在外界条件下发生滑动，在地震和降雨作用下，斜坡上土层和出露岩层不断被侵蚀风化，崩解后堆积在斜坡上，同时，岩层内部发育节理裂隙，岩层上表面与表层风化崩解物结合，逐渐形成碎石土堆积物，在降雨或地震的作用下，堆积物与基岩的摩擦力减小，碎石土堆积物就会发生滑动。此外，斜坡的坡高也是斜坡堆积物发生滑动的又一诱因，在同等坡度条件下，坡高越高，堆积物的重力势能就越大，也就越容易发生滑动［9］。

2.2.2 夹关沟滑坡的滑体组成受到地层岩性的影响。斜坡地层岩性主要是表层的黄土堆积物和下伏基岩出露的风化破碎岩石，其中该区域主要出露岩层的岩性为粉砂岩和灰岩，在外力作用下风化破碎形成碎石堆积物。在降雨或地震的作用下，由于表层碎石土堆积物和下伏基岩之间的摩擦力将变小，容易造成堆积物的滑动。

2.2.3 夹关沟滑坡的形成受到构造运动的强烈影响。该滑坡位于礼县-罗家堡断裂中段，受断裂影响较大，斜坡内部岩土体在长时间构造运动的影响下破碎严重，加上降雨或地震等外力作用，内部破碎岩体之间的裂隙将加大，雨水或者地表水顺着裂隙流入岩体内部，在斜坡体内部形成含水带，在地震和风化作用下，斜坡上出露的岩体形成破碎堆积物，极容易发生滑动。

2.2.4 夹关沟滑坡的形成受到降雨作用的强烈影响。集中降雨是导致夏季滑坡发生的重要因素，降雨时，雨水沿着坡面形成径流，顺着坡面堆积物向下入渗到岩体内部裂隙内，导致松散堆积物和内部岩体之间的裂隙越来越大，当坡面径流入渗到碎石土层下伏基岩层表层时，入渗水将沿着下伏基岩表层渗流，此时表层破碎岩土体堆积物和下伏基岩之间摩擦力减小，当二者的摩擦力小于上覆碎石土层的下滑力时，斜坡堆积物将发生滑动。

2.2.5 人类活动也是诱发夹关沟滑坡的重要因素，其中修筑道路是碎石土滑坡的发育原因之一。在修建道路桥梁时，往往会对斜坡坡脚进行开挖，当开挖不合理时，坡脚处就会形成应力集中现象，加之斜坡内部岩体节理裂隙和外地质应力的影响，斜坡堆积物发生滑动形成滑坡。

3 夹关沟滑坡稳定性分析

3.1 物理力学参数的选取

本研究选取强度折减法，利用莫尔-库伦模型 和Midas有限元软件对夹关沟滑坡进行数值模拟，分别在天然条件、降雨条件和地震条件下对该滑坡的稳定性进行分析计算。降雨条件中的降雨量选取该地区历史时期最大峰值降雨量“礼县 8.12 特大暴雨”的单日降雨量167 mm/d，地震条件中的水平峰值加速度选取1654年礼县罗家堡8级地震时对应的地震烈度产生的地震峰值加速度，数值为0.2 g。

滑坡滑体岩性主要为强风化岩层和黄土层，其物理力学参数根据实验室数据得出，具体见表1。

3.2 数值模拟及稳定性分析

此次滑坡的物理力学材料分别选取黄土层和强风化岩层，对滑坡的底部、左右两侧施加约束和自重。外界条件分别选取降雨条件和地震条件，分别施加降雨边界和地震波动力条件进行模拟，采取强度折减法进行计算。

3.2.1 不同条件下主应力大小。①在天然条件下，主应力在坡面土层中分布较小，在滑坡后缘处有小部分应力集中，但整体不构成威胁；②在降雨条件下，最大主应力和最小主应力分别是3.62×102和1.06×102，最大主应力主要集中在黄土层和下伏基岩层的接触面上，尤其是在下伏基岩内的风化岩层存在高应力区，极有可能是风化岩层内部的裂隙较为发育；③在地震条件下，最大主应力和最小主应力分别是7.75×10和6.2×10，高应力区主要存在于坡体内部和坡面处，在滑坡前缘的部分土层中也存在一定集中。

3.2.2 不同条件下的剪应变值。①在天然条件下的剪切应变值为2.44×10-1，尤其是在滑坡的前缘处，存在剪切应变带，范围较小，仅存在前缘坡脚处，极有可能是重力作用引起的；②在降雨条件下的剪切应变值为3.42×10-1，滑坡内存在一顺着土层和下伏基岩接触面的剪切应变带，贯穿滑体内部，尤其是在坡脚处剪切应变更加明显，剪应力也更加集中。③在地震条件下的剪切应变值为3.28×10-1，滑坡内部形成从后缘贯穿内部风化岩体的剪切带。

3.2.3 不同条件下的稳定性系数。研究区不同条件下的稳定性系数见表2。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）中边坡安全性系数标准，碎石土边坡在天然条件下的稳定性系数为1.271 9，处于基本稳定边坡；在降雨条件下稳定性为1.125，处于不稳定状态，极有可能发生滑动；在地震条件下稳定性系数为1.006 8，处于不稳定状态，也极有可能发生滑动。

4 夹关沟滑坡防治对策

4.1 支挡工程

夹关沟滑坡前缘为河道，常年受到河水侵蚀冲刷，前缘局部容易发生崩解，造成应力向坡脚集中。因此在滑坡前缘处修建支挡工程可以有效减小滑坡前缘的应力集中，降低滑坡发生滑动的概率。

4.2 挖方卸载措施

由于夹关沟滑坡地处河道两侧，在夏季强降雨时期容易发生大规模滑动造成河道堵塞，因此可以考虑在冬季少雨季和河道枯水期对该滑坡进行挖方卸载，将滑坡表面的松散堆积物进行清除和卸载，减小滑坡坡体的自重，降低发生滑动的概率。

4.3 排水措施

水是诱发夹关沟滑坡发生的主要因素，因此修建排水渠可以有效预防滑坡的滑动。可在滑坡后缘处修建一截水渠，并在滑坡坡体上设置横向和纵向的排水渠，有效引导水流的排泄，减少其对坡面的冲刷。同时，需要用黏土层将坡面破碎的岩层裂隙进行充填夯实，减小坡面水入渗的程度，降低地表水对岩层内部的破坏。

4.4 地质监测

为有效地对滑坡进行防护，应对发生概率较大，危害性较大的滑坡进行地质监测。在坡体上布置地质灾害监测仪，实时监测滑坡坡面的变形程度和位移距离，当监测到滑坡在一定时间内形变和位移较大时，应该及时发出预警通知，避免造成损失。

5 结论

夹关沟滑坡所在区域构造运动极其强烈，构造运动活动时造成岩体内部地层或者斜坡体表面岩层破碎，在内部形成软弱层带，同时风化作用也会造成出露在地表的岩体发生破碎。破碎的地形地貌条件为夹关沟滑坡的发育提供了成熟的基础条件，在降雨和地震作用下，滑坡坡体的自重最终超过坡体与下伏基岩层之间的摩擦力，造成滑坡失稳发生滑动。同时，滑坡前缘处不断受到河道水侵蚀冲刷，滑坡坡体内部的应力不断集中在坡脚，也是造成滑坡发生的重要因素。

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