地层倾角及侧向摩擦对滑坡影响的物理模拟研究

何文刚 赵远雯 何鸣 袁达雄

摘要：滑坡是黔北地区常见的地质灾害，政府每年都投入大量的资金开展相关的治理和研究，但是针对滑坡变形及其演化影响的模拟分析，目前所开展的工作仍然十分不足。为此，结合黔北地区典型滑坡野外的勘察和调查，设计了不同地层倾角和摩擦条件的6组物理模型对滑坡变形进行了研究，并应用PIV技术对滑坡变形演化过程中的应变速率场进行了分析探讨。研究表明：① 地层倾角对滑坡具有强烈的控制作用。低地层倾角条件下，坡体的变形演化存在穿时现象；而高地层倾角条件下，坡体主要是从后缘到中部，再到前缘的逐步扩展变形。② 侧向摩擦强度影响坡体的几何形态，具有较高侧向摩擦力的滑坡，形成的坡体几何形态呈条带状分布特征；相反，具有低摩擦力的滑坡，则形成近似椭圆形状的坡体。该物理模拟结果可为黔北地区滑坡演化过程的理解提供构造物理学证据。

摘要：滑坡变形； 演化过程； 地层倾角； 侧向摩擦作用； 物理模拟； 黔北地区

中图法分类号： P642.22

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.019

0 引 言

滑坡是全球所有地质灾害中最为典型的灾害之一，由于滑坡具有分布范围广、发生频率高、造成的影响和破坏力极大等特性，已得到相关研究人员的高度重视［1-2］。例如，黄润秋等结合国内的典型滑坡，建立了复杂地貌区滑坡变形演化的形成模式并分析了可能的机制［3］；陈玉等对庐山地震诱发的滑坡进行了敏感性分析评价［4］。前人的研究表明滑坡的形成过程主要受内、外地质作用影响。内在的影响主要是由板块构造的活动、地震、火山和地球深部物质的流动及相变转化等因素引起；外在的影响因素包括地貌起伏、大气降雨、风化和剥蚀以及人类工程活动等［5-8］。如Hubbert等应用理论分析得出，滑坡的产生与流体压力系数、坡角和岩石的内摩擦系数、坡体的厚度等具有密切的关系［9］。Westen应用遥感和地理信息系统研究表明滑坡的形成可以是由地震活动引起，也可以由降雨和人类的生产活动引起［10］。物理模拟被证明是研究地壳浅表变形较为重要的模拟技术，在研究地貌变形及演化中已得到较好的应用。同时，实验过程中使用的松散石英砂和一定黏度的硅胶被证明是研究地壳浅表滑坡等变形的理想材料，得到了地质学家的青睐［11-12］。本研究团队已通过不同倾角条件下的脆性层与韧性层的厚度差对滑坡变形进行了模拟研究［13］，但之前的试验只是通过改变脆韧性厚度比来分析探讨，缺乏侧向摩擦力对滑坡变形演化影响的物理模拟研究。

位于中国南方的黔北地区，高山和峡谷纵横，地质地貌极其复杂，滑坡地质灾害极为常见。例如，2019年6月贵州省水城县滑坡，导致了42人遇难，21栋房屋倒塌，给当地的居民生命财产安全及生产生活造成了巨大损失［14］。2014年8月27日贵州省福泉山体滑坡，造成6人死亡、22人受伤，两栋房屋倒塌［15］。近年来，贵州省地矿局、自然资源厅等投入了大量的资金对全省的滑坡开展了深入调查，对可能的滑坡隐患点进行排查和监测，取得了初步成效。尽管如此，仍然存在部分隐蔽性强、难以识别的滑坡，其一旦发生失稳坍塌，损失不可估量。为此，持续不断地开展滑坡地质灾害影响的相关研究，具有极为重要的现实意义。

为此，本文在野外调查分析的基础上，根据黔北地区地质特征，从地层倾角和摩擦属性出发，设计了6组基底硅胶层和上覆石英砂层组合的双层脆、韧性结构模型，对黔北典型滑坡的地层倾角变化和侧向摩擦强度影响进行了物理模拟研究，并应用PIV應变速率场对模拟结果进行了分析探讨。研究结果可为深入理解该区滑坡变形特征提供构造物理学证据。

1 区域典型滑坡地质特征

黔北地区位于大娄山构造带，构造变形极其复杂，受到多组断裂切割，地表起伏和地层倾角变化较大，常见倾角分布在5°～15°之间（见图1），是滑坡地质灾害频发的地区之一［16-17］。近地表地层岩性主要是由灰岩、页岩、粉砂岩和地表的红黏土组成，在纵向上形成多套脆-韧性组合结构，导致该区的滑坡与受到单一韧性层控制的滑坡存在明显差异［6］。加之近年来出现数十年不遇的极端气候，造成该区频繁发生山体滑坡、崩塌落石和泥石流等灾害。

1.1 大方县城红山滑坡

大方县城红山滑坡位于黔西北毕节市，属典型的山沟型滑坡（见图2）。坡体上冲沟发育，其大小有15条。沟谷中部较深，下部次之，上部较浅，表明坡体侧向也被冲沟切割。坡体在平面上形成近椭圆形，地层由石灰岩、粉砂质泥岩和多套煤层组成［16］。

1.2 茅台镇古滑坡

茅台镇古滑坡位于黔北仁怀市，赤水河东岸斜坡上［17］，属山岗型滑坡（见图3）。坡体前缘被赤水河横截形成临空面，而两侧与周围地层有所接触。该滑坡存在潜在的双层滑动面。地形坡度大于12°，而且地层的倾角与地貌起伏近似平行。此形态特征与有侧向摩擦的模型相似。滑坡形成以后，在平面上形成近似长条形的滑坡。坡体的后缘形成多条垂直坡体滑移方向的裂缝及陡坎。

大方县城红山滑坡位于山沟处，坡体两侧与岩体紧密接触，而坡体的前缘临空。茅台镇古滑坡位于山岗处，坡体周缘三面临空，即坡体的两侧和前缘缺乏支撑岩土体。综合黔北地区的实际地质特征，归纳了该区典型滑坡孕育的模式，除具有临空面和沟谷切割以外，还具有受双层滑脱层控制的特征（见图4）。

2 物理模型设计

山区滑坡分布具有两种明显的地貌特征：一类是滑坡体周缘具有岩土体接触，侧向对坡体的滑移具有一定的侧向摩擦影响；另一类是滑坡体前缘和两侧存在临空面，即三面临空条件下的滑坡。本研究设计了此两类物理模型开展滑坡变形演化特征研究。

2.1 模型结构

（1） 地层倾角差异模型。通过对黔北地区野外滑坡地质考察，大部分的滑坡地层倾角分布在5°～15°。因此，模型设计主要考虑地层倾角为5°，8.5°和12°。模型1～3铺设的硅胶层和石英砂层，结构相同，模型的基底和中间分别铺设0.5 cm的硅胶层，模拟地层中的页岩、泥岩和膏岩等软弱层。中间层硅胶层下伏为1.5 cm 石英砂，而中间层硅胶层上覆为2 cm的石英砂。石英砂层模拟地层中的砂岩和碳酸盐岩等脆性层（见图5）。

（2） 侧向摩擦强度差异模型。模型4～6分别是在模型1～3对应的基础上，利用润滑液涂抹在基底和中间硅胶层的侧面以减小侧向摩擦力的影响。石英砂和硅胶层的厚度、硅胶的黏度等参数与前一系列模型相似。本模型主要是模拟临空条件下的滑坡变形演化，并与具有侧向摩擦条件的滑坡进行对比。

2.2 材料及属性

松散的石英砂是模拟地壳变形较为理想的材料，在构造变形研究中得到了广泛的应用［18-19］。一定黏度的硅胶是模拟韧性变形较为理想的材料，在软弱层变形模拟中得到了广泛应用［20-21］。在室温条件下，不同黏度的硅胶具有不同的流变学属性，可以用来模拟不同的剪切带强度。模型的石英砂密度为1 550 kg/m3，重力加速度为9.8 m/s2。室温24 ℃，硅胶密度为940 kg/m3，硅胶黏度为8 300 Pa·s。

3 模拟结果

3.1 地层倾角差异模拟结果

（1） 模型1低倾角（倾角5°）模拟结果如图6所示。变形初期（0～90 min），前缘和后缘裂缝增多，裂缝的幅度增大，而且变形扩展到中前缘，形成了4条裂缝。变形中期（90～150 min），坡体中前缘产生3条较大的弧形张性裂缝，同时后缘的张性裂缝幅度增大，剖面出现3条张性裂缝。变形后期（150～210 min），坡体前缘、中部和后缘的断层幅度逐渐增大，剖面出现7条明显的张性裂缝。坡体的变形演化整体模式为：前缘与后缘同步-中前缘缓慢蠕滑变形-中前缘与后缘同步变形。

（2） 模型2中等倾角（倾角8.5°）模拟结果如图7所示。变形初期（0～90 min），坡体后缘的张性裂缝继续向中部扩展，产生7条张性裂缝，基底脆性层产生3条张性裂缝。变形中期（90～150 min），坡体变形已经从后缘扩展到了中部。在平面和剖面上，产生的张性裂缝数量增多，幅度明显增大，同时中部的张性裂缝迹线呈弧形弯曲状态。变形后期（150～210 min），坡体变形扩展到了中前缘，且坡体前缘形成3条明显的张性裂缝，剖面特征显示有6条断裂明显切割地层。后缘塌陷极为严重，基底产生底辟，上覆应变扩展到中前缘。整体上，模型2的变形演化模式为从后缘到中部、再到前缘。

（3）  模型3高倾角（倾角12°）模拟结果如图8所示。变形初期（0～90 min），坡体后缘的张性裂缝继续向坡体中部扩展，产生7条张性裂缝，形成明显的底辟构造。变形中期（90～150 min），坡体已经从后缘扩展到了中部，平面和剖面上的张性裂缝数量均增多，幅度增大。变形后期（150～210 min），坡体后缘产生11条断层，应变几乎扩展到了模型的中前缘。整体上，模型3的变形演化模式仍然为从后缘扩展到中部、再到前缘的逐渐扩展变形。

3.2 侧向摩擦强度差异模拟结果

（1） 模型4（倾角5°减小侧向摩擦力模型）模拟结果如图9所示。变形初期（0～90 min），前缘和后缘的张性断裂幅度越来越大，后缘形成3条规模较大的裂缝，前缘产生5条裂缝。变形中期（90～150 min），中部形成1条张性裂缝。变形后期（150～210 min），中部产生3条明显的张性裂缝。坡体的变形扩展模式为：后缘与前缘同步，然后逐渐向坡体中部扩展。

（2） 模型5（倾角8.5°减小侧向摩擦力模型）模拟结果如图10所示。变形初期（0～90 min），坡体后缘产生的张性裂缝规模逐渐增大。变形中期（90～150 min），滑坡从后缘向前缘逐渐扩展。上覆脆性层形成3条明顯的张性裂缝，下伏脆性层也形成3条明显的张性裂缝，而且见底辟构造发育。变形后期（150～210 min），滑坡变形仍然是分布在坡体的中后缘，此阶段产生的张性断裂数量增多，而且后缘塌陷极为严重。与模型4相比，模型5的坡体变形扩展模式为：首先从坡体的后缘开始，并逐渐向坡体中部缓慢蠕滑变形。

（3） 模型6 （倾角12°减小侧向摩擦力模型）模拟结果如图11所示。变形初期（0～90 min），后缘产生的张性裂缝规模增大，并逐渐向坡体中部扩展 。变形中期（90～150 min），变形的强度从后缘继续扩展到中部，裂缝的规模和幅度增大，剖面的错断现象也极为明显。变形后期（150～210 min），滑坡变形扩展到了中前缘，形成的裂缝规模大，数量多，而且后缘产生极为明显的塌陷。坡体的变形扩展模式为：首先从后缘开始，然后逐渐扩展到中部，再缓慢蠕滑至前缘。

4 讨 论

4.1 地层倾角的影响及演化特征

地层倾角5°，8.5°和12°的模拟结果显示，尽管每组模型的坡体都发生滑坡变形，形成张性裂缝切割坡体，但坡体形成的张性裂缝样式和扩展模式存在显著差异。变形的初始阶段，低角度模型裂缝主要从坡体的前缘和后缘同时扩展；高角度的滑坡，坡体的滑动主要是从后缘开始，形成规模较大的裂缝。这表明低角度地貌条件下，坡体物质之间的运动具有整体性，滑坡与整个坡体的内部物质分布有关。

4.2 侧向摩擦力的影响

有无侧向摩擦力模拟对比分析表明，侧向摩擦力对滑坡的扩展变形具有极为重要的影响。侧向摩擦力较强的滑坡，形成狭长条形的滑坡体；而低侧向摩擦力的滑坡，形成近似椭圆形的滑坡体（见图6～11）。侧向摩擦力使得坡体内部的物质在横向上的运动学特征发生改变。在高侧向摩擦力条件下，位于坡体两侧边界处的物质运动较慢，而其中部的物质在重力的作用下运动速率较大。在低侧向摩擦力条件下，坡体整体的运动速率在横向上的差异较小，使得其表面形态特征为椭圆形，与具有侧向摩擦力的坡体形成明显的差异。具有侧向摩擦力的模型，它们的侧向摩擦力均为39.8 Pa；减小侧向摩擦力模型，则忽略其侧向摩擦力强度的影响。所有模型的侧向摩擦力小于其剪切应力（见表1），所以均会产生坡体滑移，加之软弱层的流变作用，使得滑坡的变形特征更明显。有关侧向摩擦力对地壳表层物质的变形和演化影响，前人已开展过相关的研究［9-10］。Zhou 等研究表明，侧向摩擦力的存在可以改变坡体断裂的运动学特征［12］，这表明侧向摩擦力对滑坡变形具有明显的控制作用。本文滑坡变形模拟分析进一步揭示，侧向摩擦力的存在对坡体的滑移及其几何形态特征具有重要的控制作用。

4.3 模型PIV速度場特征

低角度（地层倾角5°）条件下的速度云图如图12所示。对比分析表明，变形初始阶段，模型1的高值应变速率位于坡体的前缘，而模型4的高值应变速率位于坡体的后缘。滑坡变形的中期阶段，模型1的高值应变区仍然集中在坡体的前缘，模型4的高值应变区主要集中在中前缘。在变形的后期阶段，模型1的应变速率高值区分布在坡体的中部，模型4的应变速率高值区分布在中前缘。

中等角度（地层倾角8.5°）条件下的速度云图如图13所示。对比分析表明，未减小侧向摩擦力模型的初始阶段速度场的分布范围比减小侧向摩擦力模型的初始阶段速度场的分布范围要大。在滑坡演化的中期阶段，具有侧向摩擦力模型的速度场高值区呈狭长条带分布，集中分布在坡体的中部和前部，而减小侧向摩擦力模型此阶段的速度场高值区主要集中在坡体前缘区域，呈椭圆形分布。在滑坡变形测试的后期，具有侧向摩擦力模型的速度场高值区仍然主要分布在中部和前缘，而减小侧向摩擦力模型的速度场高值区主要分布在前缘。

高角度（地层倾角12°）条件下的应变速度云图如图14所示。分析表明，坡体初始变形阶段，它们的应变速率场高值区主要分布在坡体的后缘。坡体变形的中后期，具有侧向摩擦力的坡体应变速率场高值区仍然位于坡体中部。

5 结 论

（1） 低地层倾角条件下的滑坡，坡体的变形演化存在穿时现象；而高地层倾角条件下的滑坡，整个坡体的演化主要是从后缘到中部，再到前缘的逐步扩展变形。

（2） 摩擦条件差异研究表明，侧向摩擦力对滑坡的变形具有极为重要的影响。较大的侧向摩擦力作用下，坡体的滑移分布范围小，在平面上呈现条带状分布，而较小侧向摩擦力作用下，坡体的滑移变形分布范围较大，在平面上呈椭圆形的分布。

（3） PIV应变速度场分析揭示，侧向摩擦力对滑坡某一阶段的应变速率具有明显的控制作用：地层倾角则改变应变速率场和坡体向前缘扩展的速度，而侧向摩擦力则改变坡体内部高应变速率场的分布范围。

（4） 实际坡体变形特征及物理模拟分析表明，坡体的变形演化与地貌差异和侧向摩擦条件具有紧密的关系。因此，在黔北地区的滑坡和预警研究中，应对坡体周围的地貌、地层结构和侧向围岩的影响等引起足够的重视。

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（编辑：刘 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