地層傾角及側向摩擦對滑坡影響的物理模擬研究

何文剛 趙遠雯 何鳴 袁達雄

摘要：滑坡是黔北地區常見的地質災害，政府每年都投入大量的資金開展相關的治理和研究，但是針對滑坡變形及其演化影響的模擬分析，目前所開展的工作仍然十分不足。為此，結合黔北地區典型滑坡野外的勘察和調查，設計了不同地層傾角和摩擦條件的6組物理模型對滑坡變形進行了研究，并應用PIV技術對滑坡變形演化過程中的應變速率場進行了分析探討。研究表明：① 地層傾角對滑坡具有強烈的控制作用。低地層傾角條件下，坡體的變形演化存在穿時現象；而高地層傾角條件下，坡體主要是從后緣到中部，再到前緣的逐步擴展變形。② 側向摩擦強度影響坡體的幾何形態，具有較高側向摩擦力的滑坡，形成的坡體幾何形態呈條帶狀分布特征；相反，具有低摩擦力的滑坡，則形成近似橢圓形狀的坡體。該物理模擬結果可為黔北地區滑坡演化過程的理解提供構造物理學證據。

摘要：滑坡變形； 演化過程； 地層傾角； 側向摩擦作用； 物理模擬； 黔北地區

中圖法分類號： P642.22

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.019

0 引 言

滑坡是全球所有地質災害中最為典型的災害之一，由于滑坡具有分布范圍廣、發生頻率高、造成的影響和破壞力極大等特性，已得到相關研究人員的高度重視［1-2］。例如，黃潤秋等結合國內的典型滑坡，建立了復雜地貌區滑坡變形演化的形成模式并分析了可能的機制［3］；陳玉等對廬山地震誘發的滑坡進行了敏感性分析評價［4］。前人的研究表明滑坡的形成過程主要受內、外地質作用影響。內在的影響主要是由板塊構造的活動、地震、火山和地球深部物質的流動及相變轉化等因素引起；外在的影響因素包括地貌起伏、大氣降雨、風化和剝蝕以及人類工程活動等［5-8］。如Hubbert等應用理論分析得出，滑坡的產生與流體壓力系數、坡角和巖石的內摩擦系數、坡體的厚度等具有密切的關系［9］。Westen應用遙感和地理信息系統研究表明滑坡的形成可以是由地震活動引起，也可以由降雨和人類的生產活動引起［10］。物理模擬被證明是研究地殼淺表變形較為重要的模擬技術，在研究地貌變形及演化中已得到較好的應用。同時，實驗過程中使用的松散石英砂和一定黏度的硅膠被證明是研究地殼淺表滑坡等變形的理想材料，得到了地質學家的青睞［11-12］。本研究團隊已通過不同傾角條件下的脆性層與韌性層的厚度差對滑坡變形進行了模擬研究［13］，但之前的試驗只是通過改變脆韌性厚度比來分析探討，缺乏側向摩擦力對滑坡變形演化影響的物理模擬研究。

位于中國南方的黔北地區，高山和峽谷縱橫，地質地貌極其復雜，滑坡地質災害極為常見。例如，2019年6月貴州省水城縣滑坡，導致了42人遇難，21棟房屋倒塌，給當地的居民生命財產安全及生產生活造成了巨大損失［14］。2014年8月27日貴州省福泉山體滑坡，造成6人死亡、22人受傷，兩棟房屋倒塌［15］。近年來，貴州省地礦局、自然資源廳等投入了大量的資金對全省的滑坡開展了深入調查，對可能的滑坡隱患點進行排查和監測，取得了初步成效。盡管如此，仍然存在部分隱蔽性強、難以識別的滑坡，其一旦發生失穩坍塌，損失不可估量。為此，持續不斷地開展滑坡地質災害影響的相關研究，具有極為重要的現實意義。

為此，本文在野外調查分析的基礎上，根據黔北地區地質特征，從地層傾角和摩擦屬性出發，設計了6組基底硅膠層和上覆石英砂層組合的雙層脆、韌性結構模型，對黔北典型滑坡的地層傾角變化和側向摩擦強度影響進行了物理模擬研究，并應用PIV應變速率場對模擬結果進行了分析探討。研究結果可為深入理解該區滑坡變形特征提供構造物理學證據。

1 區域典型滑坡地質特征

黔北地區位于大婁山構造帶，構造變形極其復雜，受到多組斷裂切割，地表起伏和地層傾角變化較大，常見傾角分布在5°～15°之間（見圖1），是滑坡地質災害頻發的地區之一［16-17］。近地表地層巖性主要是由灰巖、頁巖、粉砂巖和地表的紅黏土組成，在縱向上形成多套脆-韌性組合結構，導致該區的滑坡與受到單一韌性層控制的滑坡存在明顯差異［6］。加之近年來出現數十年不遇的極端氣候，造成該區頻繁發生山體滑坡、崩塌落石和泥石流等災害。

1.1 大方縣城紅山滑坡

大方縣城紅山滑坡位于黔西北畢節市，屬典型的山溝型滑坡（見圖2）。坡體上沖溝發育，其大小有15條。溝谷中部較深，下部次之，上部較淺，表明坡體側向也被沖溝切割。坡體在平面上形成近橢圓形，地層由石灰巖、粉砂質泥巖和多套煤層組成［16］。

1.2 茅臺鎮古滑坡

茅臺鎮古滑坡位于黔北仁懷市，赤水河東岸斜坡上［17］，屬山崗型滑坡（見圖3）。坡體前緣被赤水河橫截形成臨空面，而兩側與周圍地層有所接觸。該滑坡存在潛在的雙層滑動面。地形坡度大于12°，而且地層的傾角與地貌起伏近似平行。此形態特征與有側向摩擦的模型相似?；滦纬梢院?，在平面上形成近似長條形的滑坡。坡體的后緣形成多條垂直坡體滑移方向的裂縫及陡坎。

大方縣城紅山滑坡位于山溝處，坡體兩側與巖體緊密接觸，而坡體的前緣臨空。茅臺鎮古滑坡位于山崗處，坡體周緣三面臨空，即坡體的兩側和前緣缺乏支撐巖土體。綜合黔北地區的實際地質特征，歸納了該區典型滑坡孕育的模式，除具有臨空面和溝谷切割以外，還具有受雙層滑脫層控制的特征（見圖4）。

2 物理模型設計

山區滑坡分布具有兩種明顯的地貌特征：一類是滑坡體周緣具有巖土體接觸，側向對坡體的滑移具有一定的側向摩擦影響；另一類是滑坡體前緣和兩側存在臨空面，即三面臨空條件下的滑坡。本研究設計了此兩類物理模型開展滑坡變形演化特征研究。

2.1 模型結構

（1） 地層傾角差異模型。通過對黔北地區野外滑坡地質考察，大部分的滑坡地層傾角分布在5°～15°。因此，模型設計主要考慮地層傾角為5°，8.5°和12°。模型1～3鋪設的硅膠層和石英砂層，結構相同，模型的基底和中間分別鋪設0.5 cm的硅膠層，模擬地層中的頁巖、泥巖和膏巖等軟弱層。中間層硅膠層下伏為1.5 cm 石英砂，而中間層硅膠層上覆為2 cm的石英砂。石英砂層模擬地層中的砂巖和碳酸鹽巖等脆性層（見圖5）。

（2） 側向摩擦強度差異模型。模型4～6分別是在模型1～3對應的基礎上，利用潤滑液涂抹在基底和中間硅膠層的側面以減小側向摩擦力的影響。石英砂和硅膠層的厚度、硅膠的黏度等參數與前一系列模型相似。本模型主要是模擬臨空條件下的滑坡變形演化，并與具有側向摩擦條件的滑坡進行對比。

2.2 材料及屬性

松散的石英砂是模擬地殼變形較為理想的材料，在構造變形研究中得到了廣泛的應用［18-19］。一定黏度的硅膠是模擬韌性變形較為理想的材料，在軟弱層變形模擬中得到了廣泛應用［20-21］。在室溫條件下，不同黏度的硅膠具有不同的流變學屬性，可以用來模擬不同的剪切帶強度。模型的石英砂密度為1 550 kg/m3，重力加速度為9.8 m/s2。室溫24 ℃，硅膠密度為940 kg/m3，硅膠黏度為8 300 Pa·s。

3 模擬結果

3.1 地層傾角差異模擬結果

（1） 模型1低傾角（傾角5°）模擬結果如圖6所示。變形初期（0～90 min），前緣和后緣裂縫增多，裂縫的幅度增大，而且變形擴展到中前緣，形成了4條裂縫。變形中期（90～150 min），坡體中前緣產生3條較大的弧形張性裂縫，同時后緣的張性裂縫幅度增大，剖面出現3條張性裂縫。變形后期（150～210 min），坡體前緣、中部和后緣的斷層幅度逐漸增大，剖面出現7條明顯的張性裂縫。坡體的變形演化整體模式為：前緣與后緣同步-中前緣緩慢蠕滑變形-中前緣與后緣同步變形。

（2） 模型2中等傾角（傾角8.5°）模擬結果如圖7所示。變形初期（0～90 min），坡體后緣的張性裂縫繼續向中部擴展，產生7條張性裂縫，基底脆性層產生3條張性裂縫。變形中期（90～150 min），坡體變形已經從后緣擴展到了中部。在平面和剖面上，產生的張性裂縫數量增多，幅度明顯增大，同時中部的張性裂縫跡線呈弧形彎曲狀態。變形后期（150～210 min），坡體變形擴展到了中前緣，且坡體前緣形成3條明顯的張性裂縫，剖面特征顯示有6條斷裂明顯切割地層。后緣塌陷極為嚴重，基底產生底辟，上覆應變擴展到中前緣。整體上，模型2的變形演化模式為從后緣到中部、再到前緣。

（3）? 模型3高傾角（傾角12°）模擬結果如圖8所示。變形初期（0～90 min），坡體后緣的張性裂縫繼續向坡體中部擴展，產生7條張性裂縫，形成明顯的底辟構造。變形中期（90～150 min），坡體已經從后緣擴展到了中部，平面和剖面上的張性裂縫數量均增多，幅度增大。變形后期（150～210 min），坡體后緣產生11條斷層，應變幾乎擴展到了模型的中前緣。整體上，模型3的變形演化模式仍然為從后緣擴展到中部、再到前緣的逐漸擴展變形。

3.2 側向摩擦強度差異模擬結果

（1） 模型4（傾角5°減小側向摩擦力模型）模擬結果如圖9所示。變形初期（0～90 min），前緣和后緣的張性斷裂幅度越來越大，后緣形成3條規模較大的裂縫，前緣產生5條裂縫。變形中期（90～150 min），中部形成1條張性裂縫。變形后期（150～210 min），中部產生3條明顯的張性裂縫。坡體的變形擴展模式為：后緣與前緣同步，然后逐漸向坡體中部擴展。

（2） 模型5（傾角8.5°減小側向摩擦力模型）模擬結果如圖10所示。變形初期（0～90 min），坡體后緣產生的張性裂縫規模逐漸增大。變形中期（90～150 min），滑坡從后緣向前緣逐漸擴展。上覆脆性層形成3條明顯的張性裂縫，下伏脆性層也形成3條明顯的張性裂縫，而且見底辟構造發育。變形后期（150～210 min），滑坡變形仍然是分布在坡體的中后緣，此階段產生的張性斷裂數量增多，而且后緣塌陷極為嚴重。與模型4相比，模型5的坡體變形擴展模式為：首先從坡體的后緣開始，并逐漸向坡體中部緩慢蠕滑變形。

（3） 模型6 （傾角12°減小側向摩擦力模型）模擬結果如圖11所示。變形初期（0～90 min），后緣產生的張性裂縫規模增大，并逐漸向坡體中部擴展 。變形中期（90～150 min），變形的強度從后緣繼續擴展到中部，裂縫的規模和幅度增大，剖面的錯斷現象也極為明顯。變形后期（150～210 min），滑坡變形擴展到了中前緣，形成的裂縫規模大，數量多，而且后緣產生極為明顯的塌陷。坡體的變形擴展模式為：首先從后緣開始，然后逐漸擴展到中部，再緩慢蠕滑至前緣。

4 討 論

4.1 地層傾角的影響及演化特征

地層傾角5°，8.5°和12°的模擬結果顯示，盡管每組模型的坡體都發生滑坡變形，形成張性裂縫切割坡體，但坡體形成的張性裂縫樣式和擴展模式存在顯著差異。變形的初始階段，低角度模型裂縫主要從坡體的前緣和后緣同時擴展；高角度的滑坡，坡體的滑動主要是從后緣開始，形成規模較大的裂縫。這表明低角度地貌條件下，坡體物質之間的運動具有整體性，滑坡與整個坡體的內部物質分布有關。

4.2 側向摩擦力的影響

有無側向摩擦力模擬對比分析表明，側向摩擦力對滑坡的擴展變形具有極為重要的影響。側向摩擦力較強的滑坡，形成狹長條形的滑坡體；而低側向摩擦力的滑坡，形成近似橢圓形的滑坡體（見圖6～11）。側向摩擦力使得坡體內部的物質在橫向上的運動學特征發生改變。在高側向摩擦力條件下，位于坡體兩側邊界處的物質運動較慢，而其中部的物質在重力的作用下運動速率較大。在低側向摩擦力條件下，坡體整體的運動速率在橫向上的差異較小，使得其表面形態特征為橢圓形，與具有側向摩擦力的坡體形成明顯的差異。具有側向摩擦力的模型，它們的側向摩擦力均為39.8 Pa；減小側向摩擦力模型，則忽略其側向摩擦力強度的影響。所有模型的側向摩擦力小于其剪切應力（見表1），所以均會產生坡體滑移，加之軟弱層的流變作用，使得滑坡的變形特征更明顯。有關側向摩擦力對地殼表層物質的變形和演化影響，前人已開展過相關的研究［9-10］。Zhou 等研究表明，側向摩擦力的存在可以改變坡體斷裂的運動學特征［12］，這表明側向摩擦力對滑坡變形具有明顯的控制作用。本文滑坡變形模擬分析進一步揭示，側向摩擦力的存在對坡體的滑移及其幾何形態特征具有重要的控制作用。

4.3 模型PIV速度場特征

低角度（地層傾角5°）條件下的速度云圖如圖12所示。對比分析表明，變形初始階段，模型1的高值應變速率位于坡體的前緣，而模型4的高值應變速率位于坡體的后緣?；伦冃蔚闹衅陔A段，模型1的高值應變區仍然集中在坡體的前緣，模型4的高值應變區主要集中在中前緣。在變形的后期階段，模型1的應變速率高值區分布在坡體的中部，模型4的應變速率高值區分布在中前緣。

中等角度（地層傾角8.5°）條件下的速度云圖如圖13所示。對比分析表明，未減小側向摩擦力模型的初始階段速度場的分布范圍比減小側向摩擦力模型的初始階段速度場的分布范圍要大。在滑坡演化的中期階段，具有側向摩擦力模型的速度場高值區呈狹長條帶分布，集中分布在坡體的中部和前部，而減小側向摩擦力模型此階段的速度場高值區主要集中在坡體前緣區域，呈橢圓形分布。在滑坡變形測試的后期，具有側向摩擦力模型的速度場高值區仍然主要分布在中部和前緣，而減小側向摩擦力模型的速度場高值區主要分布在前緣。

高角度（地層傾角12°）條件下的應變速度云圖如圖14所示。分析表明，坡體初始變形階段，它們的應變速率場高值區主要分布在坡體的后緣。坡體變形的中后期，具有側向摩擦力的坡體應變速率場高值區仍然位于坡體中部。

5 結 論

（1） 低地層傾角條件下的滑坡，坡體的變形演化存在穿時現象；而高地層傾角條件下的滑坡，整個坡體的演化主要是從后緣到中部，再到前緣的逐步擴展變形。

（2） 摩擦條件差異研究表明，側向摩擦力對滑坡的變形具有極為重要的影響。較大的側向摩擦力作用下，坡體的滑移分布范圍小，在平面上呈現條帶狀分布，而較小側向摩擦力作用下，坡體的滑移變形分布范圍較大，在平面上呈橢圓形的分布。

（3） PIV應變速度場分析揭示，側向摩擦力對滑坡某一階段的應變速率具有明顯的控制作用：地層傾角則改變應變速率場和坡體向前緣擴展的速度，而側向摩擦力則改變坡體內部高應變速率場的分布范圍。

（4） 實際坡體變形特征及物理模擬分析表明，坡體的變形演化與地貌差異和側向摩擦條件具有緊密的關系。因此，在黔北地區的滑坡和預警研究中，應對坡體周圍的地貌、地層結構和側向圍巖的影響等引起足夠的重視。

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（編輯：劉 媛）

Physical simulation study on influence of stratigraphic dip and lateral friction on landslides

HE Wengang，ZHAO Yuanwen，HE Ming，YUAN Daxiong

（Department of Engineering and Technology，Zunyi Normal University，Zunyi 563006，China）

Abstract：

Landslides are a common geological hazard in northern Guizhou Province，and the government invests a lot every year to carry out related governance and research.However，the simulation analysis of landslide deformation and its evolutionary impact is still very insufficient.For this purpose，based on the field survey and investigation of typical landslides in the Northern Guizhou Province，six groups of sand-box models with different stratigraphic dip and lateral friction conditions were designed to study landslide deformation.PIV technology was applied to analyze and explore the strain rate field during the evolution process of landslide deformation of the analogue modelling test.The results showed that：① The stratigraphic dip has a strong effect on landslides.Under the condition of the low-dip angle，the deformation evolution of the landslide exhibits a diachronism phenomenon.Under the condition of the high-dip angle，the landslide mainly undergoes gradual propagation and deformation from the rear zone to the middle zone，and then to the front zone.② The strength of lateral friction affects the geometric shape of the landslide.Landslides with high lateral friction form a strip-shape accumulated body.On the contrary，landslides with low-friction form an approximate elliptical shape.Analogue modelling results of this study can provide structural physics references for understanding the evolution process of landslides in northern Guizhou Province.

Key words：

landslide deformation；evolution process；stratigraphic dip；lateral friction action；physical simulation；northern Guizhou Province