Deformation and failure mechanism and analysis on prevention measures of colluction landslide under earthquake and heavy rainfall
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摘要: 位于西南山地堆积体滑坡常受到地震和强降雨的双重作用，查明此类滑坡变形破坏机理是地质灾害防治和风险防控的基础。文章的研究对象是鲜水河断裂带附近的炉霍县马居滑坡。研究表明，地震作用对位于斜坡地带堆积体滑坡体结构损伤明显，不但使滑坡整体稳定性下降，还促使坡体内裂隙大量发育，利于降雨入渗，进一步恶化滑坡的水文地质条件。强降雨形成的大规模洪水和泥石流下切坡脚沟道，牵引滑坡体整体向下。长历时强降雨入渗影响坡体稳定性，且在降雨结束后较长时间持续影响坡体稳定性。因此，对此类滑坡防治的对策应考虑坡脚防护和抗滑支挡设置。在对防治方案的有效性分析后，表明防护方案在极端条件下仍然能保障安全性，达防治和风险管控的目的。Abstract: Accumulation landslides located in the Southwest Mountainous are affected by both earthquake and heavy rainfall, the deformation and failure characteristics of landslides are affected by these two main factors. Finding out the deformation and failure mechanism of this kind of landslide is the basis of geological disaster prevention and risk prevention and control. This paper takes Maju landslide in Luhuo County as the research object. The results show that, the seismic action has obvious damage effect on the structure of accumulation landslide located in slope zone, it not only reduces the overall stability of the landslide, but also promotes the development of a large number of fissures in the slope, which is conducive to the infiltration of rainfall into the slope, and then worsens the hydrogeological conditions of the landslide. Heavy rainfall is easy to form large-scale flood and debris flow, cutting the gully at the foot of the slope, and pulling the landslide to slide downward as a whole. The long-term heavy rainfall infiltration slope also has a great impact on the stability of the landslide, and the landslide is in an unstable state for a long time after rainfall. Therefore, for this kind of landslide prevention scheme, the strategy of paying equal attention to slope toe protection and anti slide retaining should be adopted, the effectiveness analysis of the protection scheme shows that the safety of the protection scheme has a certain guarantee under extreme conditions, achieves the purpose of prevention and control, and further controls the risk.
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0. 引言
西南山地存在众多的不同成因的堆积体斜坡，坡体上常聚居村落、交通和水利水电等基础设施。在多种因素的作用下，堆积体斜坡常易形成大规模的滑坡，威胁人民生命财产安全。这类滑坡地处高山峡谷地貌，地质环境条件复杂多变，诱发滑坡变形的因素众多，其中地震和强降雨是主要的诱发因素，特别是两因素常相互作用防治难度大[1-2]。
炉霍县旦都乡马居滑坡位于鲜水河断裂带附近，受近年来地震活动[3]和降雨影响，从2015年开始明显变形，且逐年加剧，现已演化为一大型滑坡。滑坡的破坏模式和滑坡机理在区域内具有典型性，本次拟对此滑坡的变形破坏机理进行研究，以期理清这类滑坡变形发展的过程和各因素相互作用的影响，进一步优化防治方案，评价方案的有效性和安全性，为地质灾害防治和风险管控提供依据。
1. 研究区地质环境条件
炉霍县地处青藏高原东南边缘，高山峡谷地貌区，海拔高度3300～3600 m，区域内河流为鲜水河支流。平均年降雨量700 ～920 mm。近10年降雨量较平稳。区域内地质构造复杂，新近构造活动强烈（图1）。历史上遭受多次地震的影响，1973年炉霍县鲜水河断裂带发生7.6级地震，2014年11月22日鲜水河断裂带的康定地区发生6.3级地震及多次余震。研究区基本地震动峰值加速度为0.3 g，反应谱特征周期为0.4 s[4]。
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图 1 研究区地震断裂及历史地震分布图[4]Figure 1. Distribution map of seismic faults and historical earthquakes in the study area研究区地层主要为三叠系上统雅江组上段（
2. 滑坡基本特征
2.1 滑坡基本概况
滑坡整体呈圈椅状，滑坡后缘以寺庙（马居庙）外侧围墙前拉张裂缝为界，前缘以俄觉龙日沟沟床为界，左侧和右侧以水沟为界，滑坡面积4.6×104 m2，厚10～13 m，体积60×104 m3，属中型土质滑坡。滑坡主滑方向为100°，整体坡度约30°，呈前陡后缓的趋势，前缘坡度约35°～40°，后缘坡度约20°～25°。
2.2 变形特征
根据滑坡的变形破坏特征将该滑坡划分为2个变形区，其中Ⅰ区为寺庙及下方坡体，Ⅱ区为寺庙外北侧区域。变形Ⅰ区主要变形特征有：前缘沟床侵蚀垮塌下错台坎，横向拉张裂缝，后缘拉裂缝、寺庙房屋裂缝等。变形Ⅱ区主要变形特征有：后缘拉裂缝、地面开裂、电杆歪斜、前缘多级下错陡坎群等。
调查表明，该滑坡区在2015年以前未出现可见变形，受2014年11月康定地震及余震影响，该区震感明显，2015年雨季时滑坡前缘陆续变形，以后每年雨季滑坡体变形呈现出了逐年加剧的趋势，滑坡体后缘也陆续出现了变形，2020年发生了一次短历时强降雨，雨强约为50年一遇降雨，诱发了俄觉龙日沟泥石流，对坡脚冲刷淘蚀，滑坡前缘出现了大规模的滑坡变形，并进一步牵引后缘变形加剧。
2.3 坡体结构特征
滑体主要由第四系全新统滑坡堆积层组成。厚度为10～13 m，主要成份为含黏碎石土，所充填黏性土褐黄色，稍湿，无摇振反应，干强度较高，切面较光滑，碎石成分主要为变质砂质、板岩，常见钙质胶结，粒径一般2～10 cm，含量大于50%。滑带位于滑体或基覆界面，含水量较大，地下水活动痕迹明显。滑床为三叠系上统雅江组上段含粉砂炭质绢云板岩（T3y3）和变质长石石英砂岩互层（表1）。滑坡区工程地质平面图见图2，滑坡体结构特征见图3。
表 1 滑坡区主要岩土参数表Table 1. Geotechnical parameters of landslide area岩土体 体积模量/MPa 剪变模量
/MPa天然状态 饱和状态 重度/(t·m−3) 内聚力/kPa 内摩擦角/(°) 重度/(t·m−3) 内聚力/kPa 内摩擦角/(°) 滑坡体 15.60 5.18 2.01 24.3 30.8 2.05 22.9 27.8 强风化 15.20 7.80 22 40 35 - - - 中风化基岩 20.00 12.00 27 1900 42.8 - - - 3. 滑坡变形破坏机理分析
马居滑坡是位于地震区的一堆积体滑坡，勘查表明，该滑坡坡度较陡，滑坡体结构为含黏碎石土层。下覆基岩为含粉砂炭质绢云板岩具有较好的隔水性，基覆界面地下水活动较强。受2014年地震作用滑坡体结构完整性和稳定性变差，随后受降雨和坡脚下切作用坡体变形持续加大，滑坡体处于不稳定—欠稳定状态。
该滑坡变形过程及所受影响因素明确，但总体来说，该滑坡地质环境条件复杂多变，诱发因素和作用方式多变，通过对滑坡变形特征及变形历史分析，基本理清了近期滑坡变形的时空关系，为更好地查清该滑坡变形破坏机理，更好地指导滑坡防治方案的制定，这里对滑坡三个重要的影响因素进行数值分析。选取的分析剖面为滑坡主滑方向的2-2′剖面，模型水平方向左右采用位移约束，模型的底部采用竖向位移约束。共划分14070个结点，6811个单元。参数见表1。
3.1 地震作用下坡体变形机理分析
对马居滑坡变形历史调查表明，2014年发生在鲜水河断裂带上的康定地震，对该滑坡稳定性影响大，为了进一步查明地震对该滑坡具体影响程度，这里选取该地区多遇地震加速度及特征周期人工合成地震波进行时程分析[5]。人工合成的地震波见图4。
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图 4 多遇地震条件下人工合成地震波时程曲线Figure 4. Synthetic seismic wave time history curve under frequent earthquakes时程分析获得了斜坡在地震作用下坡体的塑性区分布图及最大剪应变增量云图[6]（图5、图6）。
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图 5 多遇地震条件下斜坡塑性区发育分布图Figure 5. Development distribution of slope plastic zone under frequent earthquake conditions![]()
图 6 多遇地震条件下斜坡最大剪应变增量云图Figure 6. Cloud map of maximum shear strain increment of slope under frequent Earthquake模拟结果表明地震作用对斜坡稳定性影响大，斜坡体内塑性区基本上成片相连，特别是斜坡顶部出现了大面积的塑性区，该区域也是地表裂缝发现最多的区域，剪应变云图表明在基覆界面处剪应变增量最大，且出现了两个较大的区域，特别是沟道向上约10～30 m的位置，勘查表明该区裂缝发育密集。在地震荷载作用下，坡体稳定性下降，斜坡土体结构遭到破坏，地震后不久，在坡体缓坡平台前缘部分相继出现开裂，该点随即纳入监控。
3.2 坡脚沟道下切诱发坡体变形破坏分析
2020年7月该区域暴发了短历时强降雨，俄觉龙日沟暴发了50年一遇泥石流，坡脚沟道淘蚀严重，滑坡体前缘变形加剧。为了查明沟道下切对滑坡稳定性影响，以本次勘查沟道内的基覆界面作为最大冲刷深度进行数值分析，采用参数折减法进行稳定系数计算。获得下切后稳定系数为1.00，最大剪应变区域延伸至沟道底部，表明沟道下切后牵引作用明显，直接导致坡体变形加剧（图7）。
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图 7 坡脚下切后斜坡最大剪应变增量云图Figure 7. Cloud map of maximum shear stress increment of slope after slope toe undercutting3.3 不同降雨频率条件下稳定性分析
该滑坡不但受到短历时强降雨冲刷坡脚的影响，变形历史表明，长历时降雨也对滑坡的稳定性影响较大。研究表明[7-19]，滑坡体采用Mein-Larson降雨入渗模型能较好地模拟出降雨对坡体含水率影响，可计算出不同时刻坡体湿润锋深度，降雨结束后，再采用渗透模型计算各时刻地下水的分布特征，对于特征时间结点采用强度折减法计算出各时刻滑坡稳定系数，以此评价降雨全历时滑坡的稳定性变化。滑坡体的饱和渗透系数为0.42 m/h，100年一遇降雨强度为0.034 m/h,50年一遇降雨强度为0.031 m/h，20年一遇降雨强度为0.026 m/h，10年一遇降雨强度为0.023 m/h，常年降雨强度为0.015 m/h，滑坡体的饱和渗透系数大于小时降雨强度，则垂直湿润锋深度
(1) 式中：M——饱和含水率与初始含水率的差值（本次取0.1）；
p——降雨强度m/h；
t——降雨历时/h。
本次降雨历时综合近年来该地区长历时强降雨并综合类似文献[6]后综合确定计算时长为10 d。强降雨入渗坡体后采用地下水渗透模型进行模拟分析，地表及沟道表明设置为透水边界，其余设置为不透水边界条件。
分析结果可以看出强降雨的雨强越大对滑坡的稳定性影响越大，强降雨在降雨过程中坡体浅表饱和，湿润锋下移，但是滑坡稳定下降不明显，随着湿润锋向坡体转移过中滑坡体的稳定性有较大幅度的下降，随后随着地下水沿着隔水界面活动时，滑坡稳定性长期处于不稳定状态，待滑坡体内的地下水基本被疏干后滑坡体整体稳定性逐渐恢复到初始状态。说明滑坡风险管控中不但要关注降雨时刻会诱发滑坡灾害，在降雨过后较长时间（可能5 d左右）内照样会出现滑坡灾害（图8）。
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图 8 距离240 m处强降雨历时全过程饱和土体厚度变化情况（2-2′剖面）Figure 8. Variation of saturated soil thickness in the whole process of heavy rainfall at x = 240 m (2-2′ section)本次对于降雨入渗研究表明厚层堆积体滑坡的稳定性较降雨条件下浅表层滑坡稳定性的变化在降雨阶段有所不同，主要体现在浅表层无限边坡和岩质边坡[20]的稳定性在降雨期间下降很快[6]，而厚层堆积体滑坡的整体稳定性虽有向下的趋势，但是整体稳定性下降不大（图9）。
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图 9 滑坡体在强降雨入渗条件下稳定系数变化情况Figure 9. Variation of stability coefficient of landslide under heavy rainfall infiltration3.4 滑坡变形破坏机理小结
文中对马居滑培的机理分析遵循该滑坡变形历史过程进行模拟，力求获得该滑坡地震、坡脚下切、强降雨入渗等因素的影响。分析结果表明：马居滑坡先是地震作用对坡体损伤作用明显，促使坡体裂隙发育，位于基覆界面的滑面基本形成，滑坡体整体处于欠稳定状态，后期随着降雨入渗的影响，滑坡体处于缓慢变形，2020年的短历时强降雨诱发泥石流冲刷下切坡脚，诱发前缘大规模滑坡，牵引作用使得滑面进一步贯通，变形加剧，坡体整体稳定性进一步下降。模拟结果很好地拟合了滑坡变形破坏过程，进一步揭示了滑坡变形破坏机理，这为工程防治和风险管控打下了基础。
4. 滑坡防治方案分析
4.1 防治方案
马居滑坡坡体上常住人口多，周边斜坡失稳后将直接威胁寺庙安全，其后果严重，属大型地质灾害。该滑坡地质环境条件复杂，滑坡诱发因素多，地震、降雨等叠加后易形成特大型灾害。
滑坡体及周边地形坡度大，从寺庙至沟道斜坡基本上不具备设置抗滑支挡的工程施工条件，但该段斜坡稳定性最差，在天然状态下其稳定系数介于1.03～1.05，沟道下切后坡体的稳定性将下降到1.0附近，若继续冲刷将整体失稳。寺庙建在缓坡平台上，寺庙前缘有一较缓坡平台，可作为抗滑桩施工场地，若在此设置抗滑桩将直接针寺庙建筑物进行保护。
所以，在综合考虑滑坡变形破坏机理和施工条件的基础上，确定了本滑坡治理方案：在滑坡体中部（寺庙前缘）抗滑支挡，坡脚沟道固床防止下切。
4.2 坡脚防护
坡脚沟道下切持续牵引坡体整体变形，坡脚沟道的防护措施是必要的。坡脚防护有两种方案，一种是沟道固床，保持现有状态，沟道不继续下切，前缘坡体在自然条件下逐步稳定。另外一种方案就是回淤压脚，提高滑坡前缘稳定性。后一种方案属于主动防治方案，这里选取回淤高度2 m、4 m、6 m、8 m、10 m进行回淤压脚效果分析，分析采用参数折减法。
分析结果表明，不同回淤高度的压脚提升滑坡稳定性差距较大，回淤高度8 m以内对滑坡前缘稳定性基本上无明显改善，只有当回淤高度超过8 m时才有较大幅度的提高。通过对滑坡前缘非稳定状态下的最大剪应变云图分析，滑坡前缘最不利滑面的剪出口距沟底的高度大于8 m，若回淤高度小于8 m，对稳定性的贡献基本上很小，所以稳定系数一直处于徘徊于1.03附近，若要大幅度提高滑坡整体稳定性，回淤压脚的高度至少要大于10 m，考虑到该滑坡体坡脚沟道纵坡较陡、沟道较长，必须采用多道高坝才能达到治理的效果（图10）。
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图 10 不同回淤高度滑坡前缘稳定系数变化情况Figure 10. Variation of stability coefficient of landslide front at different siltation heights4.3 极端条件下防治方案安全性评价
滑坡区地处中国最活跃的地震断裂带上，发生地震可能性大，对在地震工况及强降雨条件下防治方案的安全性进行评价是必要的[21-22]。本次考虑到在极端条件下，如地震和长历时强降雨来袭后，滑坡前缘失稳，或者在坡脚淘蚀作用长期作用下滑坡前缘坡体累进破坏导致前缘整体失稳，使抗滑桩前缘失去支挡，在这种条件下对上部抗滑桩方案的安全性进行评价。滑坡区基本地震动峰值加速度为0.3 g，多遇地震动峰值加速度为0.1 g，罕遇地震0.57g[4]（通过数值分析获得了各工况条件下滑坡稳定性分区云图图11-图15）。
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图 11 沟道现状条件下滑坡前缘最大剪应变增量云图Figure 11. Cloud map of maximum shear strain increment at the front edge of landslide under the current condition of gully![]()
图 12 失去支挡后天然工况下滑坡稳定性分区云图Figure 12. Cloud map of landslide stability zoning under natural conditions after loss of support at the front edge![]()
图 13 失去支挡后多遇地震工况下滑坡稳定性分区云图Figure 13. Cloud map of landslide stability zoning under frequent earthquake conditions after loss of support at the front edge![]()
图 14 失去支挡后基本地震工况下滑坡稳定性分区云图Figure 14. Cloud map of landslide stability under basic seismic conditions after loss of support at the front edge![]()
图 15 失去支挡后罕遇地震工况下滑坡稳定性分区云图Figure 15. Cloud map of landslide stability zoning under rare earthquake conditions after loss of support at the front edge数值分析表明前缘失去支挡后，抗滑桩方案对上部保护对象能有效的保护，稳定性差的部分就是上部滑体及后缘陡坡部分，天然工况及三种地震工况下稳定系数依次降低，分别为1.4，1.3，1.2，1.0。数值分析结果说明在极端情况发生后，上部滑坡不会随着前缘失去支挡后随即破坏且还具有一定安全余度，但是该斜坡坡度陡，易在余震和强降雨作用下再次发生变形破坏，故在极端情况发生后，抗滑桩方案能够为斜坡上的居民赢得撤离时间，提高抗风险的能力。
5. 结论
通过对马居堆积体滑坡变形破坏机理及防治方案研究，得到如下结论：
(1)马居滑坡受地震作用和降雨作用双重影响下，地震作用下坡体结构损伤严重，滑坡体稳定性下降，后期降雨作用下滑坡变形进一步加剧，滑坡目前处于欠稳定和不稳定状态。
(2)对降雨入渗坡体的研究表明，短历时降雨对滑坡的稳定性影响较小，长历时降雨在土体的湿润锋到达一定深度后滑坡的稳定性才有较大幅度的下降，若降雨历时较短，对滑坡的稳定性影响有限，这相对于无限斜坡整体稳定性要好。
(3)短历时强降雨能形成较强的地表径流，形成洪水或泥石流冲刷和淘蚀滑坡坡脚，对滑坡的稳定性的影响较大，易形成牵引式滑坡，进而堵塞沟道形成泥石流的堵溃点。
(4)推荐采用抗滑桩加固床防治方案，固床回淤高度应综合考虑滑坡剪出口位置，抗滑支档方案在极端情况下有一定抗风险能力。
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图 1 研究区地震断裂及历史地震分布图[4]
Figure 1. Distribution map of seismic faults and historical earthquakes in the study area
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图 4 多遇地震条件下人工合成地震波时程曲线
Figure 4. Synthetic seismic wave time history curve under frequent earthquakes
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图 5 多遇地震条件下斜坡塑性区发育分布图
Figure 5. Development distribution of slope plastic zone under frequent earthquake conditions
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图 6 多遇地震条件下斜坡最大剪应变增量云图
Figure 6. Cloud map of maximum shear strain increment of slope under frequent Earthquake
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图 7 坡脚下切后斜坡最大剪应变增量云图
Figure 7. Cloud map of maximum shear stress increment of slope after slope toe undercutting
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图 8 距离240 m处强降雨历时全过程饱和土体厚度变化情况（2-2′剖面）
Figure 8. Variation of saturated soil thickness in the whole process of heavy rainfall at x = 240 m (2-2′ section)
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图 9 滑坡体在强降雨入渗条件下稳定系数变化情况
Figure 9. Variation of stability coefficient of landslide under heavy rainfall infiltration
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图 10 不同回淤高度滑坡前缘稳定系数变化情况
Figure 10. Variation of stability coefficient of landslide front at different siltation heights
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图 11 沟道现状条件下滑坡前缘最大剪应变增量云图
Figure 11. Cloud map of maximum shear strain increment at the front edge of landslide under the current condition of gully
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图 12 失去支挡后天然工况下滑坡稳定性分区云图
Figure 12. Cloud map of landslide stability zoning under natural conditions after loss of support at the front edge
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图 13 失去支挡后多遇地震工况下滑坡稳定性分区云图
Figure 13. Cloud map of landslide stability zoning under frequent earthquake conditions after loss of support at the front edge
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图 14 失去支挡后基本地震工况下滑坡稳定性分区云图
Figure 14. Cloud map of landslide stability under basic seismic conditions after loss of support at the front edge
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图 15 失去支挡后罕遇地震工况下滑坡稳定性分区云图
Figure 15. Cloud map of landslide stability zoning under rare earthquake conditions after loss of support at the front edge
表 1 滑坡区主要岩土参数表
Table 1 Geotechnical parameters of landslide area
岩土体 体积模量/MPa 剪变模量
/MPa天然状态 饱和状态 重度/(t·m−3) 内聚力/kPa 内摩擦角/(°) 重度/(t·m−3) 内聚力/kPa 内摩擦角/(°) 滑坡体 15.60 5.18 2.01 24.3 30.8 2.05 22.9 27.8 强风化 15.20 7.80 22 40 35 - - - 中风化基岩 20.00 12.00 27 1900 42.8 - - - 
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