降雨和地震作用下黄土边坡稳定性研究进展

周正山，张斌伟，2，杨金娥，徐德超，张炳祺

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.陇东学院土木工程学院，甘肃 庆阳 745000)

0 引言

黄土作为一种具有多孔隙、胶结能力差的特殊土质，其广泛分布在我国中西部地区[1]。基于黄土自身特殊的性质，其工程性质极为不良，当遇到降雨等作用因素影响时，黄土结构侵蚀性破坏，进而诱发较为严重的地质灾害[2]。而黄土与当地群众的日常生产生活息息相关，所以认识黄土、了解黄土，提前预防地区因黄土发生灾害，对于促进当地经济发展和保障人民群众生命财产安全有着十分重要的意义。

我国拥有世界上分布面积最广、土层厚度最大、成因类型最为复杂的黄土区[3-5]。而黄土高原作为我国黄土分布的主要地区其分布在陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、青海等省区[6]。其面积分布较广，跨度大，因此黄土高原内地形复杂多变、地貌沟壑纵横，且其新地质构造活动极其强烈[7-8]，是地震灾害频发区域。据统计该地区曾有过多次8级以上特大型地震，境内中强地震发生更是频繁[9-10]。而因地震诱发的黄土地质灾害，其破坏程度大、范围广，对当地经济社会造成极为严重的破坏。

随着经济社会的快速发展，地处黄土区域的各个城市也迎来了难得的发展机遇。高速公路、铁路缩短了黄土大地上的人民的出行时间；各类建筑设施在黄土大地上展现了现代化的快速发展。但由于各种因素的影响，在设施建设过程中不可避免的要进行边坡开挖或者边坡填筑，而这为后续设施能否安全运行带来了极大的考验。2009年，兰州某地发生山体滑坡，造成人员生命和财产损失[11]。2019年，山西乡宁发生山体滑坡造成30多人伤亡的灾难事故[12-13]。这样的案例，在后续还会发生，特别是在地处土质性能特殊的黄土地区。因此，对黄土边坡进行稳定性分析研究，对于在黄土地区进行边坡处理，保证边坡稳定性有着极为重要的意义。

黄土在受降雨、地震等因素影响下，导致黄土结构发生破坏，进而产生滑坡等地质灾害。而黄土边坡在受到降雨、地震等影响作用时，同样导致黄土结构发生破坏，进而使黄土边坡出现失稳等现象，造成设施建筑无法安全正常运行，从而导致人民生命财产受到损失。基于上述背景，通过对降雨、地震作用下的黄土边坡稳定性进行影响研究，进而为黄土边坡失稳研究提供支撑。

1 降雨作用对黄土边坡稳定性的分析研究

因其黄土自身具有极为特殊的性质，进而导致以黄土为基本材料的黄土边坡也具有较为特殊的性质。而降雨作为导致黄土结构受损，进而产生相应的地质灾害的重要因素之一，因此降雨亦在黄土边坡稳定性分析中扮演着重要角色。所以研究在降雨条件下黄土边坡稳定性对于提高黄土边坡安全性能具有极为重要的意义；对于优化黄土边坡，如何探索降雨与边坡之间的相互关系，这是摆在研究此课题的众多学者面前的难题。

Lumb[14]通过构建一维垂直降雨模型分析论证了我国香港地区内降雨同土体滑坡之间的关系；Mein等[15]通过分析前人相关的研究成果，进一步得出了雨水在入渗土体后一定时间段内，其积水入渗率的计算方法；Xue等[16]采用模型方程分析研究了部分饱和土边坡在降雨条件下的渗透速度以及相应的变化规则，进一步分析出短时时间下降雨强度和土壤的渗透反应；Hong等[17]通过建立基于连续性方程的坡面地下水位波动模型，进而研究地下水对滑坡的影响；付建新等[18]通过构建非饱和土二维降雨入渗模型，进行了非饱和土的体积含水率分析；马鹏辉等[19]通过分析黄土浅层裂缝和降雨入渗深度关系，并得出前者对后者影响较小；常志璐[20]针对降雨诱发黄土高填方边坡进行了失稳机理和监测预警等的研究，并提出了相应的理论成果；刘德仁等[21]从在降雨条件下黄土边坡容易发生浅层滑塌失稳等现象，应用室内黄土边坡模型，探讨了降雨入渗和日照蒸发条件下黄土边坡内部水热变化状况；温永福[22]针对黄土区梯田边坡进行了在极端降雨条件下的边坡稳定性模拟试验研究分析，结合试验结果提出了改进措施；张宇宇等[23]采用现场调查、室内试验以及数据统计等相结合的方式对延安地区黄土边坡崩塌进行了分析研究，得出了黄土崩塌类型以及形成崩塌的主要因素；刘海波等[24]根据非饱和黄土抗剪强度随土壤质量含水量的关系，通过应用摩根斯坦-普拉斯法分析了黄土边坡在不同坡高、不同体积含水量下的安全系数的变化情况，同时进一步分析了降雨作用对黄土边坡安全系数的影响情况；陈星[25]进行分析了降雨条件下黄土填方边坡的界面效应以及稳定性；王剑英等[26]通过室内模拟降雨作用对黄土边坡的冲刷试验，展现了雨水侵蚀黄土边坡过程，进而总结出侵蚀沟在黄土路基边坡纵断面上的分布规律；刘伟等[27]分析研究了降雨和堆载耦合作用下黄土的强度骤降效应；邓义龙[28]应用非饱和渗流理论分析了黄土边坡在降雨入渗作用下的稳定性；曾昌禄等[29]为论证黄土边坡在不同降雨强度作用下的入渗特性，而构建边坡降雨模型以及降雨系统；Li等[30]将边坡降雨室内试验和黄土边坡优化治理两方面相结合，分析研究了黄土高原高陡边坡在降雨条件下的侵蚀机理及侵蚀治理；王磊等[31]分析研究了在连续降雨作用下黄土陡坡开裂情况以及陡坡稳定性；王磊等[32]在设置了隔离边界的陕北大型均质黄土边坡进行了模拟降雨的现场试验，以期对连续降雨诱发黄土边坡的破坏过程有更加深层的理解；白亚军等[33]应用改进的Mein-Larson降雨入渗模型对黄土边坡进行了稳定性分析研究。从上述文献中分析可知，在研究降雨与边坡课题中，通过应用渗流等理论，构建降雨入渗相关模型，是学者们分析研究降雨条件下的黄土边坡稳定性的主要方法之一，同时有关学者也将现场或室内试验加入其中，以期更全面的体现边坡稳定性。

计算机技术的发展，为边坡稳定性的分析研究提供了新的方法，也促进了边坡稳定研究的发展。杜光波等[34]将现场实测数据与SEEP/W软件结合分析论证了降雨条件下黄土斜坡的入渗特征；叶帅华等[35]应用有限元软件建立了边坡稳定模型，对降雨入渗条件下的多级黄土边坡进行了稳定性分析计算，对降雨入渗条件下的多级黄土边坡稳定分析研究提供了指导；刘林林等[36]应用GEO-studio软件针对在不同降雨强度条件下的黄土边坡进行了稳定性分析；朱建东等[37]通过开展室内人工降雨实验，分析研究了在连续和间断两种雨型作用下黄土边坡坡面侵蚀动态变化过程，同时应用三维激光扫描坡面获取点云进而生成DEM，进一步分析坡面的侵蚀特征；樊泽华[38]应用Fredlund理论结合有限元软件等方法分析了强降雨对边坡稳定性的影响；邹德玉[39]应用有限元软件模拟分析了土体水力特性在降雨入渗条件下对边坡稳定性的影响程度；马强等[40]利用有限元软件结合某地实测数据，计算得出该地诱发黄土边坡滑坡的降雨入渗阈值，为后续研究饱和-非饱和黄土边坡在降雨入渗影响下的稳定性提供了参考。综上可知，应用数值模拟方法分析黄土边坡稳定性亦是学者们的选择，通过有限元软件模拟相关边坡，应用软件分析研究其稳定性，使得边坡稳定性分析较为简捷。此外相关学者亦将数值模拟同试验分析将结合，使得稳定性分析研究更为准确。

降雨条件下黄土边坡易受到冲刷，有关学者则围绕怎样提高边坡抗冲刷能力这一角度进行研究。高德彬等[41]实验表明在暴雨条件下，厚层基材喷播植草对黄土路堑高边坡有较好的防护效果；郭宇等[42]在进行植被毯对内蒙古清水河县黄土丘陵沟壑区黄土边坡产流产沙量的影响中将降雨条件作为影响因素之一，进而分析了该因素对产流产沙量的影响；姚凯等[43]将有机材料——三维植生毯技术应用到黄土边坡抵抗降雨侵蚀研究中，并取得相应的成果。王银梅等[44]应用新型高分子材料来提高黄土边坡的抗冲刷能力。综上所述，在如何提高黄土边坡抗冲刷能力方面，学者从不同材料入手进行了探索研究。

2 地震作用对黄土边坡稳定性的分析研究

地震作为对边坡稳定性影响较大的又一重要因素，虽然地震发生时间较短，但其所造成影响却是巨大的，而因地震导致边坡失稳，所造成的生命财产损失也是巨大的。所以以黄土边坡为研究对象，进行在地震作用下的边坡稳定性分析是非常有必要的。当前许多学者基于不同理论、应用不同的方法、侧重不同的角度来研究地震作用条件下黄土边坡的稳定性，以期在该领域下取得一定的成果，进而促进该领域更好的发展，同时也为在进行黄土边坡处理整治等工程措施时提供较为安全、合理、优良的理论依据，进而避免边坡失稳等灾害发生。

刘勇等[45]开展了复杂斜坡动力响应特征分析；张泽林等[46]基于天水地区的典型边坡和滑坡，应用黄土-泥岩组合模型，分析了西北地区特殊黄土-泥岩二元结构边坡在地震作用下的动力响应机制；桂永庆等[47]应用FLAC3D有限差分软件构建黄土边坡模型，进而分析了在地震荷载作用下边坡动力响应特性以及动力失稳机制；彭达等[48]通过论述海原特大地震所诱发的地质滑坡灾害，系统总结了黄土地震滑坡的形成机理、黄土动力学特性等成果，并提出该领域需要进一步研究的内容和方向；叶帅华等[49]利用GeoStudio2012有限元软件论证分析了黄土多级高填方边坡在水平地震作用下的动力响应规律以及稳定性，而该结果为西北地区黄土高填方边坡工程的抗震提供了理论支撑；杨博等[50]从细观角度出发，分析了高路堑黄土边坡在地震作用下的力学变化规律，为进一步理解在地震作用下导致此类边坡产生破坏具有重大意义。综上所述，在地震作用下黄土边坡稳定性分析中，黄土边坡的动力响应机制是边坡失稳研究中的方向之一。

数值模拟软件的兴起，促进了边坡稳定性的发展。王军等[51]应用有限元数值模拟软件分析研究了在地震作用下坡高和坡率对黄土高边坡稳定性的影响；田欣欣等[52]分析研究了在地震作用下含有暗穴的高边坡黄土路基的稳定性；靳飞飞[53]以锚杆支护的黄土边坡为研究对象，分析了地震作用下该边坡承受力的效果；王应麟[54]针对黄土边坡上层建筑因受地震作用而产生破坏进行分析并提出相应对策；王俊卿等[55]分析研究了不同坡度黄土边坡在地震荷载影响下的边坡稳定性；李旭东等[56]分析研究了强震作用下坡顶建筑荷载对边坡的稳定性，其结果表明在距坡顶20m外将不再受到边坡潜在分析滑动面的影响。综上可见，有限元数值模拟因其便捷等特点，导致在地震作用下黄土边坡稳定性分析中应用较为广泛。

试验在边坡稳定分析中的应用亦是普遍，通过试验可以更加直观的反映出边坡失稳特征特性，使得边坡稳定性分析结果更为合理。鲁得文等[57]以黄土隧道为背景，通过进行大型振动台模型试验，分析研究了该隧道在地震作用下的动力响应特征；王尚等[58]应用小波包和反应谱等方法，通过大型振动台模型试验分析研究了黄土边坡的动力特征；陈金昌等[59]通过大型振动台模型试验，分析研究了地震荷载作用下纯黄土边坡的动力响应规律以及破坏机理；叶帅华等[60]为验证采用框架锚杆支护的黄土边坡在地震作用下的可靠性，进行了大型振动台模型试验；Wu等[61]通过有、无裂隙边坡模型振动台试验，研究了地震作用下的边坡动力响应特征以及变形失稳规律。

综上所述，在地震作用下边坡稳定分析课题中，不同学者针对不同角度进行探索研究，并取得了较为理想、可靠的成果依据，对提高黄土边坡在地震作用下的稳定性，减轻因地震作用导致边坡失稳所造成的损失具有极为重要的意义。但由于地震作用的突发性、续发性，导致在进行地震条件下边坡稳定分析时，存在可能的不确定性。因此还需要不断地针对地震作用下的黄土边坡稳定作更加深入的研究。

3 降雨地震耦合作用对黄土边坡稳定性的分析研究

降雨与地震耦合作用对于黄土边坡所造成的影响似乎非常小的，但根据众多学者的研究以及真实案例表示，降雨地震耦合作用所造成危害更为严重，因此分析研究降雨地震耦合作用对黄土边坡的稳定性，能够更加真实的体现黄土边坡在多因素条件下的破坏机理，为黄土边坡建设治理提供更为可靠的理论依据。齐信等[62]以汶川地震强震区为研究对象，对地震诱发滑坡和后期降雨诱发滑坡中的控制因子进行耦合分析，为当地灾后重建提供参考；龚文俊等[63]以甘肃西和县西山Ⅲ号滑坡作为研究对象，利用GEOSTUDIO有限元软件，对降雨地震耦合作用对西山Ⅲ号滑坡进行了稳定性分析；徐舜华等[64]通过分析岷县漳县6.6级地震典型滑坡，位于极震区永光村黄土滑坡具有泥流特征，其主要是因为过量降水和强地震动耦合作用导致；马紫娟等[65]通过对礼县烂山滑坡特征分析并结合有限元软件进行降雨地震耦合作用等工况下的稳定分析，得出降雨和地震耦合作用对滑坡的稳定性具有累计折减效果；王兰民等[66]通过进行黄土边坡失稳滑移的振动台试验，分析了边坡在地震降雨耦合作用下的失稳机制；王兰民等[67]开展了地震降雨耦合作用下黄土边坡振动台模型试验，分析研究了黄土边坡的动力响应特征；马磊[68]数值模拟分析了在地震降雨条件下边坡的稳定性情况；尹小军[69]将直剪试验、扫描电镜实验、振动台模拟试验等多种试(实)验相结合分析研究了黄土边坡在降雨地震耦合作用下的稳定性；Pu等[70]进行了地震降雨耦合作用下的震陷性黄土滑坡的振动台试验研究，其结果表明在该作用模式下，该滑坡的失稳模式和失稳机理同液化型滑坡有明显不同。综上可见，降雨地震耦合作用对黄土边坡失稳也是不可忽视的重要因素，两种作用的耦合往往会加速黄土边坡失稳，进而造成更为严重的事故。

4 结语

黄土边坡作为普遍又较为特殊的结构，在黄土地区工程建设中不可避免，而安全稳定的边坡又能避免生命财产损失。降雨、地震作为影响黄土边坡稳定性的主要因素，又不断的推动边坡失稳。从上述文献综述中发现，黄土边坡在降雨、地震条件下的稳定性影响研究已有很多，无论是各因素条件下的试验研究，或是数值模拟，亦或是试验与数值模拟相结合进行研究，都取得了众多成果，但依旧存在一些不足。

(1)单因素条件下黄土边坡的稳定性影响研究较多，但双因素作用或双因素耦合作用的研究略有缺乏。

(2)在进行黄土边坡因降雨地震耦合作用失稳分析过程中，对影响黄土边坡稳定性的其他因素存在考量不足。

未来，在进行黄土边坡稳定性分析研究中，除考虑降雨、地震等主要影响因素之外，还应侧重考虑对黄土边坡自身特性(如黄土边坡构成：是否存在裂隙等)进行分析研究；应加强双因素或双因素耦合作用下黄土边坡的稳定性的研究，以期为多因素条件下黄土边坡稳定性分析研究提供理论支撑。