譚利麗，向喜瓊，2*，姜思源，呂亞東

(1.貴州大學喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室， 貴陽 550025;2.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴陽 550025)

平推式滑坡是高水頭驅(qū)動下沿緩傾層面滑動的一類滑坡，多發(fā)生在砂、泥巖互層狀地層中[1]，最早由張倬元等[2]在1981年調(diào)查研究四川盆地暴雨滑坡時提出；范宣梅[3]結(jié)合宣漢縣天臺鄉(xiāng)特大型巖質(zhì)滑坡，對平推式滑坡成因機制和啟動判據(jù)進行了分析驗證；Jiao J J[4]對香港花崗巖地區(qū)斜坡研究表明，地下水流態(tài)受到限制，降雨引起的水壓上升形成承壓水導致斜坡滑動；Lee Y S等[5]指出斜坡內(nèi)產(chǎn)生的水壓力控制著斜坡的破壞模式；趙權(quán)利[6]通過多個巖質(zhì)滑坡案例，構(gòu)建了典型平推式滑坡地下水滲流分析模型，結(jié)合平推式滑坡承壓水作用機理分析得出承壓水作用范圍理論，修正了平推式滑坡啟動判據(jù)；趙勇等[7]利用偏最小二乘法和回歸分析，探討了平推式滑坡中啟動水頭；李偉等[8]根據(jù)平推式滑坡中承壓水的滲流寬度變化規(guī)律和不同的滲流形式，建立了相應的地質(zhì)力學模型；涂園[9]結(jié)合新昌縣下山巖質(zhì)滑坡實例，針對傳統(tǒng)滲流模型的不足，考慮一維穩(wěn)定滲流，提出了平推式滑坡承壓水新模型，討論了地質(zhì)參數(shù)、尺寸參數(shù)以及初始水力條件參數(shù)對透水層流量、承壓水范圍及滲出面高度的影響。

同時，不少學者注意到土質(zhì)斜坡中也可能產(chǎn)生平推式滑動。劉羊[10]通過室內(nèi)模型試驗，研究承壓水在黏土層內(nèi)的消散規(guī)律、黏土層的實際滲透特征及水位的變化規(guī)律，根據(jù)承壓水的作用特征，提出了承壓水誘發(fā)的山前緩坡破壞模式；俞良晨等[11]結(jié)合南京游子山降雨誘發(fā)型滑坡實例，指出表層為不透水或弱透水性的黏性土，在持續(xù)強降雨條件下會形成“暫時性承壓水”；閻長虹等[12]通過對寧鎮(zhèn)地區(qū)山前緩坡地層結(jié)構(gòu)及其滑坡機理的分析，探討了承壓水浮托力的作用下上層弱透水或不透水的黏性土層的破壞形式；李偉等[13]在南陽碥滑坡的研究中，認為暴雨引起滑坡上層粉質(zhì)黏土層后緣拉裂縫或拉陷槽內(nèi)充水，在裂隙靜水壓力和沿滑面揚壓力的聯(lián)合作用下形成平推式滑坡。

然而，平推式滑動均是在巖質(zhì)邊坡中進行探討，承壓水在巖質(zhì)與土質(zhì)邊坡中的作用是不同的，在土質(zhì)斜坡中還沒有進行過系統(tǒng)的研究。總結(jié)前人研究，土質(zhì)邊坡中，黏土質(zhì)邊坡發(fā)生平推式滑動的可能性較大。工程實踐表明，具有巖溶地下水的紅黏土斜坡在特定條件下也可以產(chǎn)生平推式滑動，然而這方面的研究尚未見諸報道。本文通過物理模擬試驗，探究紅黏土斜坡中形成平推式滑動的可能性，分析坡體變形破壞過程及承壓水分布特征。

1 模型試驗

在巖溶區(qū)，紅黏土順層土質(zhì)斜坡較為常見，坡體內(nèi)部巖溶裂隙發(fā)育。由于強降雨沿巖溶裂隙滲入坡體內(nèi)部，到達土-巖界面，上層紅黏土遇水膨脹，滲透系數(shù)隨之大幅降低，土體表現(xiàn)為不透水或弱透水性，導致坡體內(nèi)地下水難以快速排出，從而形成承壓水。因此，在具有特殊的地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)特性的紅黏土斜坡中，能滿足平推式滑坡的基本特征，形成平推式滑坡是可能的。

1.1 地質(zhì)模型基本特征

本次物理試驗以鳳岡滑坡為地質(zhì)原型，滑坡發(fā)生于1933年，為巖溶地下水高水壓驅(qū)動的淺層土質(zhì)滑坡，滑坡斜長約37m，平均橫寬約40m，面積為1 046m2，平均滑體厚度為5m，滑坡總方量5 184m3，主滑向方向147°。滑坡區(qū)構(gòu)造發(fā)育，多條逆斷層穿過，處于覃子坡背斜內(nèi)?；聟^(qū)出露的地層主要有：寒武系婁山關(guān)組灰?guī)r；奧陶系湄潭組泥質(zhì)灰?guī)r；第四系紅黏土覆蓋層?；w為黏土層，可塑，下伏基巖層為泥質(zhì)灰?guī)r，產(chǎn)狀為142°∠5°，滑面為土-巖界面，滑面傾角約為4°。坡腳有民房，民房右下方有一口巖溶大泉，通過物探查明坡體內(nèi)部發(fā)育有巖溶通道?；掳l(fā)生時，巖溶大泉斷流，屋內(nèi)大量泥水流出，接著大量土體滑入房屋，房屋沿地基向前被推走10多米?；掳l(fā)生后，村民將滑體清走，堆積在房屋下方，房屋后部開挖至基巖處，村民將房屋搬回原來位置，遇到大暴雨或者連續(xù)降雨，坡體發(fā)生蠕動，會有大量碎石土滑至房屋后陽溝處?；掳l(fā)生前及當天，具有連續(xù)暴雨，原始坡體上部為透水性較弱的黏土，下部為多組節(jié)理裂隙發(fā)育的相對透水層泥質(zhì)灰?guī)r，雨水通過后緣裸露巖石及巖溶裂隙進入到土-巖界面，坡體內(nèi)快速增長的地下水不能及時排出，在滑面位置附近形成承壓水，導致坡體快速發(fā)生破壞(圖1)。

圖1 鳳岡滑坡地質(zhì)剖面

近幾年，該滑坡處房屋正下方堆積大量黏土，無基巖出露，應為滑坡堆積體，且遇到大暴雨或者連續(xù)降雨，坡體發(fā)生蠕動，會有大量碎石土滑至房屋后陽溝處。因此，研究該滑坡的發(fā)生、發(fā)展及形成機理，具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1.2 紅黏土斜坡平推式滑動基本特征

在巖溶區(qū)，紅黏土順層土質(zhì)斜坡較為常見，紅黏土常表現(xiàn)為高含水量、高塑性、高孔隙比、低密度，有較高力學強度、較低壓縮性、脹縮性和裂隙性[14-15]，為平推式滑坡的發(fā)生提供了一定條件。根據(jù)工程實例，結(jié)合前人在平推式滑坡中的研究[7-10，13]，紅黏土斜坡平推式滑動具有如下基本特征：

1)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。滑坡傾角較緩，一般小于10°，紅黏土遇水膨脹，滲透系數(shù)隨之大幅降低，導致坡體中一部分地下水具有承壓特征，可視為相對隔水層。滑坡前緣一般具有較好的臨空條件。

2)水壓力特征。坡體內(nèi)部巖溶裂隙發(fā)育。由于強降雨沿巖溶通道滲入坡體內(nèi)部，到達土-巖界面，坡體內(nèi)地下水難以快速排出，從而較快的形成一定的水頭。

3)觸發(fā)條件。在連續(xù)降雨、大暴雨或地震條件下使得水頭快速增加，導致斜坡破壞。

在具有特殊的地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)特性的紅黏土斜坡中，能滿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，考慮坡體在后緣裂隙中產(chǎn)生的靜水壓力和底部滲透層承壓水形成的揚壓力共同作用下的受力情況。結(jié)合紅黏土斜坡中形成平推式滑坡的基本特征，承壓水在黏土層內(nèi)的作用特征，建立概化模型(圖2)。模型考慮了承壓水來源于雨水沿巖溶通道進入坡體內(nèi)部，從而獲得較高的壓力水頭。所構(gòu)建的模型適用于上層土體滲透性相對較低，易形成承壓水的邊坡。

試驗于2020年7月在貴州大學資環(huán)學院降雨實驗室開展。試驗模型箱采用亞克力玻璃制成，以便于試驗過程的觀測，玻璃板交界處進行密封處理，防止試驗過程中水分流失。模型為200×70×100。模型箱槽首與槽身用亞克力玻璃擋板隔離，玻璃擋板下部設(shè)置7cm寬的孔洞，孔洞直徑6mm，槽首左側(cè)設(shè)置一排孔洞，控制水頭高度，模擬斜坡承壓水來至坡體內(nèi)部巖溶通道。槽身側(cè)面布置測壓管，每20cm一排，用以觀察和測量測壓水頭高度。槽尾設(shè)置排水通道，將水排出模型箱。裝置的底部為設(shè)有千斤頂，可對模型箱進行0°～15°坡度調(diào)節(jié)。根據(jù)研究對象和試驗條件，確定幾何相似系數(shù)為50，容重相似系數(shù)1。選取貴州紅黏土為研究對象，裂隙材料選用直徑小于0.5cm，級配良好的砂石土。通過室內(nèi)巖土力學實驗得到表1試驗參數(shù)。

表1 紅黏土相關(guān)試驗參數(shù)

①槽首；②槽首與槽身被亞克力玻璃隔開；③槽身；④測壓管；⑤模型高30cm；⑥模型長80cmⅠ孔壓1；Ⅱ孔壓2；Ⅲ孔壓3；Ⅳ孔壓4；Ⅴ孔壓5

平推式滑坡傾角較緩，滑面傾角一般小于10°，以鳳岡滑坡為地質(zhì)原型，設(shè)計模型傾角為0°進行試驗，本次試驗共5組(表2)，#1～#3模型密實度為1.79g/cm2以下，在坡比1∶1.33(30∶40)、1∶2(30∶60)、1∶2.66(30∶80)條件下進行試驗。#3～5#模型在坡比為30∶80，改變密實度1.79、1.84、1.89g/cm2條件下進行試驗。模型后緣鋪設(shè)3cm的砂石土代替裂隙，在坡體內(nèi)部放置兩排孔隙水壓力計(圖2)設(shè)置。模型堆砌完成后靜止放置，待其在重力作用下沒有變形后開始后緣注水試驗。當水頭升至10cm后，待孔壓基本穩(wěn)定后，水頭增加5cm，穩(wěn)定后繼續(xù)增加，直到坡體發(fā)生整體破壞，結(jié)束實驗。整個過程采用人工系統(tǒng)每隔 2 min 標記一次測壓水管水位高度的方法采集數(shù)據(jù)，并用高清 DV 攝像機、照相機拍攝記錄試驗過程中坡體變形破壞現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 坡比對斜坡變形破壞的影響

2.1.1 坡體變形破壞過程分析

滑動開始前坡面大面積出水，均來自于坡頂和坡體內(nèi)部，破壞時坡中均出現(xiàn)左右貫穿裂隙(圖3a)。以模型#1為例，圖4為孔隙水壓力和水頭隨時間的分布，地下水先從后緣基底沿層面滲透到坡腳，孔隙水壓力計1到3逐漸出現(xiàn)讀數(shù)，隨著水頭上升，地下水從底部和后緣裂隙滲透到坡體內(nèi)部，孔隙水壓力計4開始出現(xiàn)讀數(shù)，孔隙水壓力計5最后出現(xiàn)讀數(shù)。當水頭10cm，時間t=21min時，坡腳底部出水，水從后緣沿著基底面從坡腳流出，孔隙水壓力隨著水頭的上升而增加；當水頭29cm，t=90min時，坡腳出現(xiàn)裂隙，此時水頭增加，孔隙水壓力也隨之增加，孔壓3隨著坡腳裂隙的出現(xiàn)，坡腳滲透性增加，導致孔壓先增加后降低；當水頭30.3cm，t=92min時，水頭高于坡頂，坡頂裂隙出水，沿坡面流向坡腳，坡腳內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，孔隙水壓力降低，隨之保持不變，裂隙停止擴展；當水頭31.5cm，t=101min時，坡頂裂隙充水，大量污水流出，坡體側(cè)面出現(xiàn)圓弧裂隙面，隨之坡體整體開始沿圓弧面被推出；當t=115min時，坡腳破壞，坡面中部出現(xiàn)裂隙，大量水從坡腳底面流出，繼續(xù)加水，水頭不再上升，坡體出現(xiàn)良好的水通道，孔隙水壓力快速上升至峰值，接著快速下降；實驗停止，坡中裂隙貫穿，坡腳沖壞，后緣被推出位移5.5cm，坡腳被沖出位移50cm。根據(jù)試驗參數(shù)和結(jié)果，列出表2，在滑坡巖土體物理力學參數(shù)相同的條件下，#1至#3模型，后緣被推出位移依次減小(圖3b至圖3d)，坡面越緩，臨界破壞水頭越大，破壞需要的時間越長，前緣被沖出位移越小。表明當坡比在1∶1.33情況下，在地下水快速上升時最易滑動，滑體被推的更遠。

圖3 不同坡比下斜坡變形破壞

2.1.2 承壓水分布特征

隨著后緣水頭的不斷抬升，坡體內(nèi)地下水分布呈不同的形狀變化[16]。坡比不同條件下，分析斜坡在裂隙出現(xiàn)、破壞前裂隙大量擴展、整體破壞時孔隙水壓力隨著后緣至前緣滲流路徑的變化規(guī)律(圖5)。坡比為1∶1.33時，滲流路徑較短，承壓水以三角形的形式由后緣向前緣推進，前緣出現(xiàn)裂隙后，水頭上升，坡腳孔隙水壓力變化較小，坡體整體破壞時，孔隙水壓力集中在坡體后緣基底處，導致坡體快速被推出。坡比為1∶2的斜坡，在裂隙出現(xiàn)、破壞前裂隙大量擴展時，承壓水成梯形形式分布在土-巖接觸面，坡體中下部土體較后緣薄弱，中部孔隙水壓力較大，導致坡體中下部出現(xiàn)裂隙，孔隙水壓力隨著坡體中部裂隙的擴展開始緩慢下降，坡體在承壓水產(chǎn)生的揚壓力和后緣靜水壓力的作用下逐漸形成裂縫并隨著水頭的上升向后緣發(fā)展，當坡體整體破壞時，承壓水以三角形的形式分布，在后緣基底處的高孔隙水壓力左右下坡體快速被推出。坡比為1∶2.66的斜坡，滲流路徑較長，水頭不斷抬升，整個坡體內(nèi)都存在較高的承壓水。承壓水以近似矩形的形式分布，隨著水頭增加，三個時間段的孔隙水壓力也隨之增加，整體破壞時后緣基底處孔壓增加幅度較大，坡體整體被推出。

圖4 坡比1∶1.33 孔壓隨水頭分布

圖5 不同坡比下孔隙水壓力分布

2.2 密實度對斜坡變形破壞的影響

2.2.1 坡體變形破壞過程分析

#3模型破壞現(xiàn)象和#1、#2基本相同，#4、#5模型破壞形式類似(圖6)。以模型#5為例，圖7為孔隙水壓力隨時間的分布，由于密度較大，透水性較差，地下水先沿基底后緣裂隙向上滲流，孔隙水壓力計4和1先有數(shù)值，隨著水頭上升，孔隙水壓力計2開始有數(shù)值，接著地下水沿著基底土-巖接觸面滲流，孔隙水壓力計3開始出現(xiàn)數(shù)值，然后向上滲流，孔隙水壓力計5開始出現(xiàn)數(shù)值，孔壓5整體變化較小。當水頭28cm，t=112min時，坡頂出水，大量水從后緣裂隙流出，沿坡面流向坡腳；當水頭40.1cm，t=201min時，左側(cè)坡頂裂隙出現(xiàn)，水頭上升，孔隙水壓力隨之上升，裂隙產(chǎn)生后導致坡體滲透性變強，坡面大面積出水，后緣水頭快速下降，孔隙水壓力計1和4隨之下降，2、3、5依然上升。當水頭43.6cm，t=326min時，左側(cè)坡底出現(xiàn)裂隙，貫通后緣裂隙，形成滑動面，坡腳出現(xiàn)裂隙，孔隙水壓力計2、3出現(xiàn)突變；當水頭45.2cm，t=332min時，達到破壞水頭，坡面及側(cè)面裂隙擴展，坡體整體沿圓弧面被推出，孔隙水壓快速下降，水頭也不再上升，后緣位移1.5cm，前緣被沖出位移46cm。#4、#5模型滑動開始前坡面大面積出水，基本來自于坡頂，地下水很難到達坡面從坡面滲出，承壓水產(chǎn)生的揚壓力和后緣靜水壓力的作用下，發(fā)生平推式滑坡，滑動過程中，坡面形成拉裂隙。#3模型密度較低，透水性較大，一部分地下水能進入坡體內(nèi)部，從坡面滲出。#5模型密度最大，透水性較差，體積最大，最難破壞。根據(jù)表2試驗參數(shù)及數(shù)據(jù)，當坡比一定時，不同密實度條件下，紅黏土密度為1.84g/cm2的臨界破壞水頭相對較低，破壞所需的時間較短。

圖6 不同密度下斜坡變形破壞

圖7 密度1.89g·cm-2，孔壓隨水頭分布

2.2.2 承壓水分布特征

在紅黏土密度不同條件下，分析斜坡在裂隙出現(xiàn)、破壞前裂隙大量擴展、整體破壞時孔隙水壓力隨著后緣至前緣滲流路徑的變化規(guī)律(圖8)。 #3模型中，承壓水以近似矩形的形式分布，#4、#5模型承壓水分布近似三角形。雖然#4模型破壞時，承壓水壓力較高，由于密度相對較大，形成承壓水較快，故最易滑動。#5模型的破壞水頭最高，破壞時孔隙水壓力低于#4模型，在出現(xiàn)裂隙時，#5模型靠近后緣裂隙基底處的孔隙水壓力最大，隨著水頭的增加，孔隙水壓力不再加大，隨著裂隙擴展靠近后緣裂隙基底處孔隙水壓力下降，坡腳孔隙水壓力上升。

圖8 不同密實下孔隙水壓力分布

2.3 綜合分析

隨著后緣水頭上升，孔隙水壓力隨之增加，當坡體整體被推出前，孔隙水壓力快速上升至峰值；當坡體整體被推出后，孔隙水壓力快速下降，不再上升。滑動開始前坡面大面積出水，滑動過程中坡面及側(cè)面伴有裂隙產(chǎn)生，隨著水頭的增加，變形發(fā)展，坡體整體被推出，后緣裂隙變寬，水頭快速降低，滑坡減速滑動，最終停止。

由孔隙水壓力分布可知地下水在斜坡中的滲流路徑。當密度為1.79g/cm2時，坡體內(nèi)部地下水隨著后緣水頭增加(圖9a)，地下水先從基底內(nèi)部沿層面向坡腳滲流，接著向坡中，最后到達坡面。故地下水到達一定水位，坡面會整體出水，坡體整體被軟化。當密度增加，密度為1.84、1.89g/cm2時，地下水沿基底向坡腳及坡頂滲流，由于密實度增加，滲透性降低，坡腳堵塞，基底能更快的在土-巖分界面上形成承壓水(圖9b)。坡體內(nèi)承壓水分布形式不同，破壞過程中裂隙分布位置有所不同，同時破壞程度也有所不同，破壞時，基底處承壓水水壓力達到最大值。

表2 試驗參數(shù)

由試驗結(jié)果可知，在黏土質(zhì)斜坡中，平推式滑動變形破壞過程為：坡面先出水，坡體被軟化，坡腳出現(xiàn)裂隙，大量水從坡腳流出，接著坡表出現(xiàn)裂隙，隨著水頭上升坡體內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，當水頭達到臨界水頭，坡體整體快速推出。

圖9 滲流路徑

3 結(jié)語

通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗，建立了紅黏土斜坡平推式滑動模型，通過后緣坡體內(nèi)部注水模擬承壓水作用下滑坡變形破壞過程，得出以下結(jié)論。

1)分析平推式滑坡的基本特征和紅黏土特性，結(jié)合物理模擬試驗，證明紅黏土斜坡中發(fā)生平推式滑動是可能的。

2)紅黏土斜坡中平推式滑動的一般過程為：強降雨主要沿巖溶裂隙滲入坡體內(nèi)部，導致地下水水位上升，后緣裂隙充水，當滲透到達土-巖界面，上層為不透水或弱透水性的黏性土，地下水難以快速排出，在坡體內(nèi)部形成承壓水， 坡體產(chǎn)生拉裂，當水頭達到臨界破壞水頭，在后緣裂隙水的靜水壓力和土-巖接觸面承壓水的浮托力作用下，坡體發(fā)生平推式滑動。

3)坡體土-巖接觸面上承壓水分布受控于地下水水位、后緣水頭高度、坡比及密度等因素。后緣水頭越高、密實度越大，透水性越差，越容易形成承壓水，坡度越緩，破壞時所需承壓水頭越大。坡體被整體推出時，臨界破壞水頭均高于坡面。