韓 帥，孫 萍，李榮建，張 瑾，李曉斌，祝恩珍,

(1.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081；2. 新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，北京 100081；3.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；4.中國地質(zhì)大學(北京) 工程技術(shù)學院，北京 100083)

0 引 言

黃土-泥巖滑坡是中國最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，滑坡發(fā)生后輕則堵塞道路，重則推倒房屋建筑，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，平均每年導致數(shù)百人死亡、數(shù)億元的經(jīng)濟損失。此類滑坡與區(qū)域降雨關(guān)系密切，發(fā)生頻次高，危險性高。因此，對于該類滑坡必須在雨季嚴加防范。

在降雨誘發(fā)黃土斜坡失穩(wěn)機理方面，許多學者已開展了相關(guān)研究工作[1-14]。降雨誘發(fā)黃土斜坡的破壞，主要表現(xiàn)為在降雨的作用下，斜坡滲流場發(fā)生變化，隨著孔隙水壓力上升，水對斜坡巖土體的滲透作用力以及巖土體的重度逐漸增大[15-16]。孔隙水壓力的上升不僅會降低土體基質(zhì)吸力，而且使有效應(yīng)力減小，導致巖土體的抗剪強度減小[17-20]。此外，巖土體的重度增大以及滲透作用力的產(chǎn)生導致滑面的剪應(yīng)力增大，降雨型滑坡的產(chǎn)生主要歸因于此。黃土中的節(jié)理裂隙發(fā)育，為水分的入滲提供了優(yōu)勢通道[21-25]，水分通過坡體表面滲流以及裂隙灌入的方式進入斜坡內(nèi)部，最終導致坡體破壞。

由于物理模型實驗具有良好的直觀性，能綜合考慮多種因素，模擬復雜邊界條件，在基本滿足相似原理條件下能反映滑坡的內(nèi)在相互作用，因此，近年來在滑坡研究等相關(guān)領(lǐng)域備受關(guān)注。天水地區(qū)發(fā)育的滑坡類型主要有黃土層內(nèi)滑坡、黃土-泥巖接觸面滑坡、黃土-泥巖復合滑坡、黃土基巖面滑坡，其中前三者最為發(fā)育。前人對于黃土層內(nèi)滑坡已做過相關(guān)研究[26-27]，但鮮有針對黃土-泥巖接觸面滑坡和黃土-泥巖復合滑坡的研究。本文在野外地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)大型物理模型實驗，重點研究了天水地區(qū)黃土-泥巖接觸面滑坡和黃土-泥巖復合滑坡在降雨入滲作用下的動態(tài)變形演化過程，揭示其成因機制和破壞模式，以期為天水地區(qū)該類滑坡防治和監(jiān)測預(yù)警提供科學依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及滑坡概況

本文研究區(qū)位于甘肅省天水市甘谷縣及周邊區(qū)域，處于西秦嶺山地和隴東南黃土高原的過渡地帶，西秦嶺縱亙于南，隴東南黃土高原橫延于北，出露的地層主要有下元古界牛頭河群、上元古界震旦系、古生界泥盆系與二疊系、中生界三疊系、白堊系及新生界古近系、新近系、第四系，其中大部分區(qū)域覆蓋第四系黃土、新近系泥巖，二者接觸面產(chǎn)狀為4°～10°，黃土、泥巖覆蓋區(qū)溝壑縱橫，也正是滑坡災(zāi)害集中發(fā)育的地帶。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，按滑體物質(zhì)類型分類，研究區(qū)內(nèi)滑坡主要分為黃土滑坡(約占40%)和黃土-泥巖滑坡(約占60%)。區(qū)內(nèi)典型滑坡如圖1所示。

圖1 研究區(qū)內(nèi)典例滑坡Fig.1 Examples of major landslides in the study area

2 實驗設(shè)備與材料

2.1 實驗儀器

實驗儀器主要包括模型箱、降雨模擬系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)(圖2)。其中模型箱(圖2(a))長、寬、高分別為2.02 m、0.65 m、1.50 m，容積為1.969 5 m3，前側(cè)為鋼化玻璃，便于觀察斜坡在降雨下的變形破壞過程；后側(cè)和底部為不銹鋼，在鋼化玻璃一側(cè)和頂部有鋼梁加固，以保證箱體結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定；左側(cè)為側(cè)向加載裝置，可實現(xiàn)非均勻荷載加載；右側(cè)有50 cm高的擋板，底部設(shè)有排水孔。鋼板采用焊接連接，模型箱除底部排水孔外，均不透水，整體強度高，穩(wěn)定性好。

圖2 實驗?zāi)Ｐ拖?a)和降雨模擬系統(tǒng)(b)Fig.2 Schematic diagram of the modelling experiment setup

降雨模擬系統(tǒng)(圖2(b))由降雨噴頭、儲水桶、自吸式水泵、控水閥和壓力表組成，為減小雨滴對坡面的濺蝕作用，保證降雨的均勻性，選用可調(diào)節(jié)霧化噴頭。經(jīng)標定，噴頭高度為0.8 m時，噴灑直徑為0.35 m，且噴出的水基本呈霧化狀態(tài)。斜坡寬度為0.65 m。為保證整個坡面的降雨均勻，設(shè)計兩排噴頭，噴頭長度方向間距0.35 m；為保證雨水不會過多噴灑到模型箱外，寬度方向上兩排之間間距0.31 m。水壓由水泵提供，壓力為0.23 MPa，回水管用于防止水泵停止工作時由于水壓過大而損壞。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括土壤水分傳感器、土壓力盒、農(nóng)業(yè)環(huán)境測定儀、靜態(tài)應(yīng)變采集儀、三維激光掃描儀，其中土壤水分傳感器，用于監(jiān)測實驗過程中斜坡內(nèi)部各點含水率的變化；土壓力盒，用于監(jiān)測實驗過程中各監(jiān)測點處的土壓力變化；農(nóng)業(yè)環(huán)境測定儀，用于采集土壤水分傳感器的數(shù)據(jù)；靜態(tài)應(yīng)變采集儀，用于采集土壓力盒數(shù)據(jù)；三維激光掃描儀，用于掃描記錄斜坡變形破壞特征。實驗開始前對所有監(jiān)測儀器進行校準、標定。

2.2 實驗材料

實驗采用取自甘肅省天水市甘谷縣牛家安坡的次生黃土和泥巖(圖3)，取回后進行重塑。分別將黃土、泥巖敲碎后剔除雜草、結(jié)核等雜質(zhì)，黃土過1 mm標準篩，泥巖過2 mm標準篩。實驗采用分層擊實，以保證重塑泥巖的密實度滿足實驗要求。實驗材料的基本物理參數(shù)見表 1。

表1 實驗材料物理參數(shù)

圖3 取土位置及黃土、泥巖特征Fig.3 Sampling location and characteristics of loess and mudstone(a)取土位置；(b)取土位置平面圖；(c)黃土-泥巖特征

3 實驗設(shè)計與方案

甘肅天水黃土梁峁區(qū)地層結(jié)構(gòu)上部為黃土，下部為泥巖，二者近水平接觸，在內(nèi)外動力地質(zhì)作用下，形成大量滑坡。為獲取斜坡在強降雨作用下水分的入滲規(guī)律、變形破壞特征，分析滑坡形成機理，本文設(shè)計了強降雨條件下的不同預(yù)制裂隙兩種工況的物理模型實驗。通過合理設(shè)計布置相應(yīng)的傳感器，獲取斜坡在人工模擬降雨條件下，斜坡內(nèi)部的水分變化，觀察并記錄實驗過程中斜坡各個部位的變形破壞現(xiàn)象；最后通過對實驗結(jié)果的分析，構(gòu)建此類斜坡在降雨作用下的破壞模式。

3.1 強降雨方案

據(jù)氣象資料統(tǒng)計，天水地區(qū)年平均降水量為491.6 mm，一次連續(xù)最大降雨量205.8 mm，日最大降雨量110.3 mm[28]。除去極端天氣，結(jié)合氣象資料，設(shè)計人工模擬降雨為43 mm/d(大雨)；為達到較好的入滲效果，采用間歇性降雨。具體降雨參數(shù)見表2。

表2 實驗降雨參數(shù)

3.2 斜坡設(shè)計方案

參照野外斜坡，設(shè)計兩種工況下的實際模型，工況1設(shè)置19個水分儀，5個土壓力盒；工況2設(shè)置18個水分儀，5個土壓力盒(表3)。其剖面圖及傳感器分布如圖4所示?；谘芯繀^(qū)野外地層產(chǎn)狀及斜坡坡度統(tǒng)計，設(shè)計黃土泥巖接觸面傾角為8°，斜坡傾角為60°；斜坡后緣高度設(shè)計為112 cm，坡頂設(shè)計為80 cm，坡底設(shè)計為60 cm；泥巖層平均厚度設(shè)計為75 cm，黃土層厚度設(shè)計為37 cm。本次模型實驗預(yù)制裂隙和滑動面，裂隙深32 cm?；瑒用娌捎脙煞N工況，工況1為預(yù)制弧形滑面延伸至黃土和泥巖的接觸面，工況2為預(yù)制弧形滑面切穿黃土和泥巖。

表3 實驗斜坡設(shè)計方案

圖4 實驗?zāi)Ｐ托逼录皞鞲衅鞑贾肍ig.4 Model slope design and sensor layout for the experiment

4 斜坡變形破壞過程

斜坡按照設(shè)計坡型分層堆砌完成后，靜置一天，使得應(yīng)力重新分布平衡，傳感器讀數(shù)穩(wěn)定；然后進行人工模擬降雨，按照工況1、工況2兩種情況模擬降雨作用下的斜坡變形破壞過程。實驗中觀察并記錄斜坡表面及內(nèi)部裂隙產(chǎn)生及發(fā)展過程，并掃描關(guān)鍵階段斜坡坡面的變形破壞情況；觀察記錄實驗過程中浸潤線的變化；隨時檢查降雨噴頭、傳感器示數(shù)變化，以保證實驗過程的準確性。

4.1 黃土-泥巖接觸面滑坡(工況1)

基于野外滑坡調(diào)查，多數(shù)小型滑坡為黃土滑坡，其滑面多為弧形并延伸至黃土、泥巖接觸面。本次模型實驗設(shè)計為上部黃土、下部泥巖的二元地層結(jié)構(gòu)，預(yù)制垂直裂隙和滑面，滑面位于黃土內(nèi)部，延伸至黃土和泥巖接觸面。其中水分儀M1、M2、M3、M4、M6、M8、M9、M10、M13、M14位于黃土中，其余水分儀位于泥巖中。土壓力盒埋置于剪出口位置預(yù)制滑面上下以及坡腳位置(圖4)。其變形破壞過程如圖5所示，斜坡從坡肩開始變形，逐步向斜坡后緣擴展。從最初產(chǎn)生微小裂隙，進而裂隙增多并擴展連通，局部發(fā)生滑塌，最后整體沿預(yù)制滑面滑動破壞。

圖5 工況1條件下斜坡變形破壞過程Fig.5 Slope deformation and failure process under working condition 1(a)斜坡初始階段；(b)斜坡初始階段三維立體圖；(c)微裂隙產(chǎn)生于坡肩侵蝕；(d)坡肩侵蝕細部特征；(e)局部變形破壞階段；(f)局部變形破壞三維立體圖；(g)整體破壞階段；(h)整體破壞階段三維立體圖

從水分儀記錄的曲線(圖6)中，可以發(fā)現(xiàn)黃土中的初始體積含水率為13.5%左右，泥巖中的初始體積含水率接近20%，體積含水率曲線隨時間的變化規(guī)律為：平緩→快速增大→緩慢增大→到達峰值→緩慢減小→穩(wěn)定。各位置處的含水率最終穩(wěn)定的數(shù)值不同，曲線的斜率表示水分入滲速率，曲線起始突變點代表水分達到水分儀處所需的時間。隨著時間的推移，水分逐漸入滲，在實驗開始后的800 min以內(nèi)所有傳感器位置處的體積含水率基本達到穩(wěn)定。M1、M2、M3、M4傳感器位于距坡肩相同水平距離不同深度處，M4、M6位于相同深度、距坡肩不同水平距離處。由圖6(a)可知，體積含水率隨時間變化曲線的突變點出現(xiàn)的先后順序為：M1、M2、M3、M6、M4。由圖6(b)可知，體積含水率隨時間變化曲線的突變點出現(xiàn)的先后順序為：M8、M10、M9、M13、M14。水分到達M8、M9、M10有兩個路徑，一方面從坡頂垂直下滲，另一方面為進入裂隙的水分的水平滲透。在兩者共同作用下，水分優(yōu)先到達距離坡頂近的M8，隨后裂隙尖端的水分擴散至M10，在水平擴散和垂直下滲共同作用下到達M9。M13、M14傳感器主要監(jiān)測來自坡面的滲透，因此M13曲線突變點先于M14。水分近乎同時到達M13和M9，M9到坡頂?shù)木嚯x大于M13，這是因為M9位于坡頂下方，水分以垂直下滲為主，而M13雖距離坡面較近，但坡面水分一部分沿坡面徑流，一部分滲入坡體內(nèi)部。

圖6 工況1條件下各點體積含水率變化Fig.6 Volumetric water content variation under working condition 1(a)M1、M2、M3、M4、M6水分儀；(b)M8、M9、M10、M13、M14水分儀；(c)M5、M7、M11、M12、M15水分儀；(d)M16、M17、M18、M19水分儀

圖6(c)和(d)記錄重塑泥巖中傳感器監(jiān)測的含水率的變化。對比重塑黃土中含水率的變化，可知重塑泥巖中含水率曲線的變化率大，達到峰值后下降幅度大，且突變點出現(xiàn)較晚。其原因是水分入滲經(jīng)過重塑黃土后進入重塑泥巖，因此泥巖中水分儀變化的時間晚于黃土中的傳感器，并且重塑泥巖的滲透性好于重塑黃土，水分入滲速率較快，持水性差；達到峰值后，間歇降雨期間水分下滲，體積含水率有所下降。泥巖中體積含水率隨時間變化曲線的突變點出現(xiàn)的先后順序為：M19、M18、M15、M17、M11、M16、M7、M5、M12。水分儀M19、M18、M17接近于斜坡表面，其水分源于降雨和徑流。由于M19位于坡腳部位，易于集中水分，因此水分儀先變化；由于M15靠近預(yù)制滑面，預(yù)制滑面為導水的優(yōu)先通道，因此曲線中也較早出現(xiàn)突變點。M7、M5、M12突變點幾乎同時出現(xiàn)，說明水分近乎同時到達這三處，三者的連線為此刻水分入滲的濕潤峰。

隨著降雨過程的進行，水分一方面通過垂直入滲進入巖土體內(nèi)部，另一方面預(yù)制的垂直裂隙和預(yù)制的滑面成為水分入滲的優(yōu)勢通道，使得預(yù)制裂隙與滑面附近體積含水率迅速升高。隨著水分的入滲，斜坡發(fā)生變形破壞，整個過程可分為4個階段。(1)初始階段：斜坡無變形跡象，隨著降雨過程進行，濕潤峰不斷向斜坡內(nèi)部推進，坡體表面可見沖刷的痕跡。(2)微裂縫產(chǎn)生階段：斜坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，濕潤峰繼續(xù)向斜坡內(nèi)部推進，在坡肩及下方產(chǎn)生許多豎向微裂隙，預(yù)制滑面前端產(chǎn)生水平向微裂隙，預(yù)制垂直裂隙開裂變大。(3)局部變形破壞階段：隨著水分繼續(xù)入滲，坡肩局部區(qū)域產(chǎn)生小型滑動，預(yù)制滑面以上巖土體整體有向下蠕滑的趨勢，坡面沖刷較為嚴重。根據(jù)實驗記錄，局部變形破壞發(fā)生于650 min，此時黃土中水分儀示數(shù)達到峰值，泥巖中的水分儀示數(shù)部分達到峰值，部分處于急速上升階段。(4)整體破壞階段：黃土部分近乎飽和，預(yù)制滑面前端有水分滲出，其上部巖土體在重力和水的作用下整體下滑，堆積于坡腳部位。根據(jù)實驗記錄此階段發(fā)生于780 min，此時黃土基本處于飽和狀態(tài)，有傳感器埋設(shè)部分的泥巖也基本飽和，部分傳感器示數(shù)緩慢下降后突然快速上升(如M8、M9、M10、M13)，這是由于整體滑動造成了傳感器位置處巖土體松散，水分快速灌入所致。

為獲得降雨誘發(fā)滑坡的土壓力變化，在模型的合適位置放置土壓力傳感器(土壓力盒)。土壓力隨時間的變化規(guī)律如圖7所示。土壓力變化的整體趨勢：隨著降雨進行，土壓力逐漸變大，330 min左右土壓力達到峰值，隨后逐漸降低；600 min左右，降至最低后又開始增大，直至整體破壞后土壓力下降。整個過程中土壓力最大變化幅值為2 kPa，此過程對應(yīng)于300 min之前，斜坡基本處于穩(wěn)定階段，只有水分的入滲，入滲的水分增加了坡體的自重，因此土壓力數(shù)據(jù)基本呈線性增加；300 min以后斜坡進入微裂隙產(chǎn)生階段，隨著裂隙的產(chǎn)生并不斷擴展，斜坡內(nèi)部有所卸荷，因此土壓力逐漸減小；隨后在上部重力壓實作用下，土壓力再次上升，至斜坡破壞而壓力釋放。實驗過程中土壓力變化最大的是E1，其余依次為E2、E3、E4、E5。這是因為E1位于坡肩下方，上部土體吸水后重力增大，土壓力向下傳遞，向下傳遞時越靠近下方的土壓力變化越小，坡腳部位最靠近下方，因此E5傳感器變化幅度最小。

圖7 工況1條件下土壓力變化Fig.7 Soil pressure variation under working condition 1

4.2 黃土-泥巖復合滑坡(工況2)

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)多數(shù)大型滑坡滑面較深，多切穿黃土層并深入泥巖內(nèi)部。工況2模型尺寸設(shè)置與工況1一致，但預(yù)制滑面切穿黃土和泥巖層，共設(shè)置有18個水分儀、5個土壓力盒，待傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，按照預(yù)先設(shè)計的降雨方案進行人工模擬降雨，重點觀察并記錄預(yù)制滑面附近及坡肩裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展過程，并對實驗過程中坡體的浸潤線進行觀察和記錄。其變形破壞過程如圖8所示：首先在坡肩產(chǎn)生微裂隙并逐漸向后緣侵蝕，預(yù)制滑動面附近出現(xiàn)雁列式裂隙；然后坡體開始蠕滑，局部區(qū)域滑塌；最后整體沿預(yù)制滑面滑動，堆積于坡腳。

圖8 工況2條件下斜坡變形破壞過程Fig.8 Slope deformation and failure process under working condition 2(a)斜坡初始階段；(b)斜坡初始階段三維立體圖；(c)微裂隙產(chǎn)生于坡肩侵蝕；(d)坡肩微裂隙細部特征；(e)局部變形破壞階段；(f)局部變形破壞階段三維立體圖；(g)整體破壞階段；(h)整體破壞階段三維立體圖

分析體積含水率隨時間的變化曲線(圖9)可知，工況2中水分的變化規(guī)律與工況1基本一致，體積含水率曲線隨時間的變化規(guī)律為：平緩→快速增大→緩慢增大→到達峰值→緩慢減小→穩(wěn)定。圖9(a)為體積含水率隨時間的變化曲線，從中可以看出曲線突變點出現(xiàn)的先后順序為M2、M1、M3、M6、M4。隨著人工模擬降雨的進行M2水分儀首先出現(xiàn)變化，隨后坡頂下滲的水分到達M1，M4離坡頂和預(yù)制滑面距離較遠，因此曲線的突變點出現(xiàn)得最晚。而位于裂隙右側(cè)的體積含水率曲線整體較早地出現(xiàn)突變點(圖9(b))，這是因為右側(cè)土體既接收來自裂隙、坡頂與預(yù)制滑面的水分，坡面上徑流的水也隨著下滲，在眾多滲流路徑影響下，其突變點出現(xiàn)的先后順序為：M8、M9、M10、M12、M13。從入滲速率看，黃土中體積含水率變化曲線的斜率在初始變化階段基本一致。當體積含水率達到20%左右時，由于間歇性降雨以及不同位置處接收不同滲流路徑的水分，入滲速率不再一致，其最終的體積含水率有所不同，滑面左側(cè)普遍低于右側(cè)。其原因為滑動后右側(cè)巖土體出現(xiàn)松動，右側(cè)密實度低于左側(cè)，因而其體積含水率高于左側(cè)。

圖9 工況2條件下各點體積含水率變化Fig.9 Volumetric water content variation under working condition 2(a)M1、M2、M3、M4、M6水分儀；(b)M8、M9、M10、M12、M13水分儀；(c)M5、M7、M11、M14水分儀；(d)M15、M16、M17、M18水分儀

泥巖中體積含水率變化情況不同于黃土，其曲線斜率大，水分在泥巖中入滲得更快，同時其穩(wěn)定的數(shù)值也比黃土中的高，持水性好于黃土。如圖9(c)所示，M5、M7、M11、M14近乎同時接觸到水分，其連線為此時刻濕潤峰的位置，其穩(wěn)定后的數(shù)值不盡相同，究其原因為斜坡滑動后部分傳感器位置處的土體松動。而靠近斜坡表面和坡腳處的傳感器，接觸到水分入滲的時間不同，M18位于坡腳位置處，此處有來自人工降雨的水分和坡面徑流的水分，水量大，因此表現(xiàn)為體積含水率優(yōu)先變化；M17相比M15靠近坡腳，因此M17突變點先于M15；M16距離坡面較遠，因此曲線最后發(fā)生變化(圖9(d))。

工況2的變形破壞過程與工況1類似，隨著人工降雨的進行，斜坡從水分入滲到最終破壞也可分為4個階段。(1)初始階段：斜坡整體穩(wěn)定，濕潤峰隨著降雨過程不斷向斜坡內(nèi)部推進，坡體表面可見有流水沖刷的痕跡。(2)微裂縫產(chǎn)生階段：此階段產(chǎn)生大量微裂隙，預(yù)制裂隙附近多為拉張型的垂向裂隙，靠近預(yù)制滑面前緣位置，產(chǎn)生與預(yù)制滑面近乎平行的剪裂縫，坡肩處侵蝕較為嚴重，坡肩出現(xiàn)小的沖溝。(3)局部破壞階段：隨著降雨的進行，微裂隙進一步擴展，部分相互連通，坡面沖刷較為嚴重，局部發(fā)生滑動。據(jù)實驗記錄，局部滑動發(fā)生于640 min，此時黃土中水分儀示數(shù)猛增至峰值，泥巖中水分儀曲線迅速增加或剛出現(xiàn)突變點。(4)整體破壞階段：發(fā)生于720 min，黃土基本處于飽和狀態(tài)，坡面出現(xiàn)沖溝，多數(shù)微裂隙貫通，在水和重力作用下預(yù)制裂隙開裂，斜坡沿預(yù)制滑面整體向下滑動，堆積于坡腳位置。

工況2中土壓力整體變化與工況1一致(圖10)，不同的是各個傳感器的數(shù)值變化有所不同。E1、E2傳感器位置與工況1一致，因此變化規(guī)律與工況1基本一致。E3、E4相比于工況1位置更靠下，E3傳感器變化的峰值為2 kPa左右，比工況1大，其原因是其距坡面的距離更大，受到的上部土體壓力變化也越大；而E4相對靠近模型底部，應(yīng)力傳遞過程會有損失，因此其峰值小于E3。E5傳感器與工況1位置相同，其距預(yù)制滑面的位置相對工況1近，受到滑面上部土體的土壓力相對大。

圖10 工況2條件下土壓力變化Fig.10 Soil pressure variation under working condition 2

5 斜坡變形破壞模式及誘發(fā)機理

5.1 強降雨誘發(fā)黃土-泥巖斜坡變形破壞模式

降雨作用下黃土斜坡變形破壞模式主要與地層結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育情況等有關(guān)。本次模型實驗探討了黃土-泥巖接觸面滑坡和黃土-泥巖復合滑坡在大雨條件下的破壞過程，對于工況1，其變形破壞模式如圖11所示，具體過程描述如下。

圖11 降雨誘發(fā)黃土-泥巖接觸面滑坡破壞模式(工況1)Fig.11 Failure mode of rainfall-induced loess-mudstone contact surface landslide(working condition 1)(a)原始斜坡；(b)坡肩侵蝕與微裂隙產(chǎn)生；(c)微裂隙擴展、貫通；(d)局部滑動破壞；(e)整體滑動破壞

(1)坡肩侵蝕與微裂隙產(chǎn)生階段：人工模擬降雨開始后，水分一方面通過裂隙、滑面優(yōu)先進入斜坡內(nèi)部，另一方面緩慢入滲至坡肩位置處，匯集的水分沿坡面向下流動，對坡肩造成侵蝕；另外，水分的入滲引起黃土強度降低，在坡頂形成拉張型微裂縫，同時，預(yù)制滑面的存在使得滑面附近形成了剪切作用導致的與滑面近乎平行的微裂縫。

(2)裂隙發(fā)展與貫通階段：隨著水分的不斷入滲，斜坡土體強度進一步降低，微裂縫發(fā)展并互相貫通，坡肩處侵蝕越來越嚴重，形成小沖溝，后緣位置處產(chǎn)生輕微塌陷，斜坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)局部滑動破壞階段：隨著降雨過程的進行，局部塌陷嚴重，在滑面抗剪強度低的位置土體順預(yù)制滑面向下滑動，堆積于坡腳位置處。

(4)整體滑動破壞階段：水分的入滲增加了坡體自重，同時降低了預(yù)制滑面的抗剪強度，當土體下滑力大于滑面的抗滑力時，斜坡整體沿滑面下滑，堆積于坡腳。

工況2的變形破壞模式與工況1類似，不同的是預(yù)制滑面切穿黃土和泥巖，其抗滑能力更弱，發(fā)生變形破壞所需要的時間更短，破壞力也更大。其滑動破壞模式如圖12所示，具體過程描述如下。

圖12 降雨誘發(fā)黃土-泥巖復合滑坡破壞模式(工況2)Fig.12 Failure mode of rainfall-induced loess-mudstone composite landslide(working condition 2)(a)原始斜坡；(b)坡肩侵蝕與微裂隙產(chǎn)生；(c)微裂隙擴展、貫通；(d)局部滑動破壞；(e)整體滑動破壞

(1)坡肩侵蝕與微裂隙產(chǎn)生階段：隨著人工降雨進行，坡頂水分優(yōu)先進入預(yù)制裂隙與滑面；水分將裂隙灌滿后溢出，沿坡肩向下流動。對坡肩造成侵蝕，同時水分的入滲引起黃土強度降低，在坡頂形成拉張型微裂縫，滑面附近形成與滑面近乎平行的剪切微裂縫。

(2)裂隙發(fā)展與貫通階段：隨著水分的不斷入滲，斜坡土體強度進一步降低，微裂縫發(fā)展并互相貫通，坡肩處侵蝕越來越嚴重，向下發(fā)展至黃土、泥巖接觸面位置并繼續(xù)侵蝕泥巖部分，后緣位置處產(chǎn)生輕微塌陷，坡體滑面前緣位置輕微剪出。

(3)局部滑動破壞階段：隨著降雨過程的進行，裂縫貫通，土體強度進一步降低；在滑面力學性質(zhì)最薄弱的位置部分土體順預(yù)制滑面向下滑動，堆積于坡腳位置處。

(4)整體滑動破壞階段：水分的入滲增加了坡體自重，同時降低了預(yù)制滑面的抗剪強度，當土體下滑力大于滑面的抗滑力時，斜坡整體沿滑面下滑，堆積于坡腳。

5.2 降雨條件下黃土-泥巖斜坡變形破壞機理

野外現(xiàn)場調(diào)查與本文的實驗結(jié)果共同表明：土質(zhì)老滑坡復活時，其側(cè)邊界往往沿沖溝分布，且與水的存在有著十分密切的關(guān)系。一方面，沖溝的存在為滑體提供了側(cè)向的臨空面，從而減小了側(cè)向邊界的摩擦阻力；另一方面，降雨過程中，水分優(yōu)先匯集到裂隙及沖溝底部，當兩側(cè)沖溝水分入滲至連通時，滑體便“漂浮”于連通的水位之上，形成潛在滑動面。實驗過程中，隨著模擬降雨的進行，坡面沖溝不斷發(fā)展，黃土發(fā)育的節(jié)理裂隙成為水分入滲的優(yōu)勢通道，其下部泥巖相對隔水，導致水分聚集于接觸面附近，浸泡下部泥巖，降低了抗滑力；同時，水分的入滲使得土體自重增大，各監(jiān)測點的體積含水率不斷增大。水的參與使得土體強度折減，入滲的水分難以排出，聚集在軟弱帶處，對坡體滑動起到一定的潤滑作用，同時，靜水壓力的作用也能造成滑面抗剪強度降低。

該類斜坡的破壞模式為滑移-拉裂式，屬于牽引式滑坡。斜坡在天然狀態(tài)下沿著老滑面、黃土-泥巖接觸面、軟弱結(jié)構(gòu)面、最大剪應(yīng)力集中帶發(fā)生長期緩慢的蠕動變形演化，在坡體內(nèi)部產(chǎn)生了貫通性的潛在滑動面；當降雨時，水分滲入土體，一方面增加土體的自重，引起土體內(nèi)部應(yīng)力變化，在坡頂面和坡肩位置處坡面的徑向應(yīng)力和坡頂面的切向力可轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，形成張力帶，易形成與坡面平行的拉裂微裂隙；滑面附近剪應(yīng)力集中，在其兩側(cè)易形成剪裂縫。另一方面，隨著降雨進行，土體的體積含水率逐漸增大，土體抗剪強度隨之減小。實驗測得不同含水率條件下黃土強度參數(shù)如表4所示，主要表現(xiàn)為隨著體積含水率不斷增大，土體黏聚力呈拋物線型下降，而內(nèi)摩擦角基本保持不變(圖13)，抗剪強度逐漸變小，當達到土體抗剪強度極限時，土體便發(fā)生剪切破壞，滑坡發(fā)生。

圖13 不同體積含水率條件下黃土強度衰減曲線Fig.13 Strength decay curve of loess under different volumetric water contents

表4 不同含水率下黃土強度參數(shù)

6 結(jié) 論

(1)黃土-泥巖斜坡的形成與演化大多數(shù)離不開水的參與，其變形破壞模式主要受斜坡結(jié)構(gòu)、巖土體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的控制。實驗設(shè)置了兩種預(yù)制滑面類型，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)面控制了斜坡破壞的方式與規(guī)模。結(jié)構(gòu)面位于黃土內(nèi)部且相對較緩時，在降雨條件下，斜坡破壞基本沿預(yù)制結(jié)構(gòu)面滑動，且達到破壞需要的時間相對長，規(guī)模相對??；而結(jié)構(gòu)面切穿黃土、泥巖兩種地層且相對較陡時，在降雨條件下，斜坡破壞沿預(yù)制結(jié)構(gòu)面滑動，且達到破壞需要的時間相對短，規(guī)模相對大。

(2)體積含水率隨時間的變化關(guān)系顯示，結(jié)構(gòu)面附近，水分優(yōu)先到達，結(jié)構(gòu)面成為導水的優(yōu)先通道；土體內(nèi)部某點的水分滲透速度經(jīng)歷了先快后慢的規(guī)律，這與基質(zhì)吸水力的變化直接相關(guān)。兩組實驗結(jié)果表明，滑動土體基本達到飽和后，滑坡發(fā)生。

(3)土壓力變化結(jié)果反映，隨著水分入滲，土壓力緩慢增大，300 min左右時微裂隙的產(chǎn)生使得局部卸荷，土壓力逐漸變小，斜坡土體下滑過程中土壓力再次升高。兩組實驗結(jié)果顯示，土壓力變化趨勢基本一致。

(4)降雨作用下斜坡的變形破壞大致經(jīng)歷4個階段：坡肩侵蝕與微裂隙產(chǎn)生階段、微裂隙擴展和貫通階段、局部滑動破壞階段、整體滑動破壞階段。

(5)降雨對滑坡產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為增加土體下滑力、減小其抗滑力。降雨誘發(fā)土質(zhì)斜坡的滑動破壞機理如下：隨著水分的入滲，滑動土體從非飽和狀態(tài)逐漸變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，此過程中孔隙水壓力不斷增大，有效應(yīng)力不斷減小，土體強度逐漸降低，直至斜坡滑動破壞。