甘肃天水地区强降雨诱发黄土-泥岩滑坡机理实验研究

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2020.024

现代地质 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (03): 720-731.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2020.024

甘肃天水地区强降雨诱发黄土-泥岩滑坡机理实验研究

韩帅¹^,²(), 孙萍¹^,²(), 李荣建³, 张瑾³, 李晓斌⁴, 祝恩珍¹^,²^,⁴

1.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081
2.新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081
3.西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安 710048
4.中国地质大学(北京) 工程技术学院,北京 100083

收稿日期:2019-05-28 修回日期:2020-03-25 出版日期:2021-06-23 发布日期:2021-06-24
通讯作者: 孙萍
作者简介:孙萍,女,研究员,博士生导师,1978年出生,地质工程专业,主要从事工程地质、地质灾害方面的研究工作。Email: sunpingcgs@163.com。
韩帅,男,硕士研究生,1994年出生,地质工程专业,主要从事地质灾害、工程地质方面的研究。Email: 869086163@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(41472296);中国地质调查局地质调查项目(DD20190717)

Experimental Study on Mechanism of Heavy Rainfall-induced Loess-mudstone Landslides in Tianshui Area,Gansu

HAN Shuai¹^,²(), SUN Ping¹^,²(), LI Rongjian³, ZHANG Jin³, LI Xiaobin⁴, ZHU Enzhen¹^,²^,⁴

1. Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China
2. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard,Beijing 100081,China
3. Institute of Geotechnical Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an,Shaanxi 710048,China
4. School of Engineering and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China

Received:2019-05-28 Revised:2020-03-25 Online:2021-06-23 Published:2021-06-24
Contact: SUN Ping

摘要/Abstract

摘要：

在甘肃天水地区每年由降雨诱发的黄土-泥岩滑坡灾害事故很多,给当地人民生命财产造成巨大损失。为探索该类斜坡的滑动破坏过程与机理,在野外地质调查、工程地质钻探及岩土体力学测试的基础上,通过室内大型物理模型实验,研究“上部黄土+下部泥岩”二元结构类型斜坡在强降雨作用下的动态变形演化过程,揭示该类斜坡的破坏机理和破坏模式。结果表明:强降雨作用下斜坡变形破坏以滑动破坏为主,水分的作用主要表现为增加土体自重、引起土体强度降低、降低结构面的抗滑力、产生孔隙水压力及降低有效应力等几个方面,斜坡的破坏模式则主要表现为坡肩侵蚀→微裂隙产生、发展、贯通→斜坡局部滑动破坏→斜坡整体滑动破坏。研究结果对天水地区该类滑坡的早期识别有重要的参考意义,可为该类滑坡的防灾减灾提供科学依据。

关键词: 降雨诱发滑坡, 斜坡, 滑坡机理, 模型实验

Abstract:

Rainfall-induced loess-mudstone landslide disasters are common every year in the Tianshui area (Gansu Province), causing significant loss of life and property. Based on field geological survey, engineering geological drilling, and rock and soil mechanics analyses, and through laboratory large-scale physical modelling experiment, we explore the dynamic deformation process of heavy rainfall-induced landslides (which are characterized by loess-mudstone bimodal structure), and reveal the failure mode and mechanism for this type of landslide. The results show that the slope deformation is mainly manifested as sliding damage under heavy rainfall. The role of water is mainly on increasing the soil weight and pore water pressure, and decreasing the soil strength, effective stress, and sliding resistance of the structural surface. Meanwhile, the failure mode of landslide is mainly manifested by slope shoulder erosion→microcrack growth and interconnection→local failure→overall sliding failure. Our findings are important for early-stage landslide recognition and provide scientific basis for landslide-related disaster prevention in the region.

Key words: rainfall-induced landslide, slope, landslide mechanism, model experiment

中图分类号:

韩帅, 孙萍, 李荣建, 张瑾, 李晓斌, 祝恩珍. 甘肃天水地区强降雨诱发黄土-泥岩滑坡机理实验研究[J]. 现代地质, 2021, 35(03): 720-731.

HAN Shuai, SUN Ping, LI Rongjian, ZHANG Jin, LI Xiaobin, ZHU Enzhen. Experimental Study on Mechanism of Heavy Rainfall-induced Loess-mudstone Landslides in Tianshui Area,Gansu[J]. Geoscience, 2021, 35(03): 720-731.

图/表 17

图1 研究区内典例滑坡

Fig.1 Examples of major landslides in the study area

图2 实验模型箱(a)和降雨模拟系统(b)

Fig.2 Schematic diagram of the modelling experiment setup

图3 取土位置及黄土、泥岩特征 (a)取土位置;(b)取土位置平面图;(c)黄土-泥岩特征

Fig.3 Sampling location and characteristics of loess and mudstone

表1 实验材料物理参数

Table 1 Physical parameters of experimental materials

岩土类型	干重度/(kN/m³)	初始体积含水率/%	饱和体积含水率/%	渗透系数/(m/s)	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)
重塑黄土	12.5	13.75	43	2.8×10^-7	11.28	21.1
重塑泥岩	14.0	19.60	48	3.1×10^-4	55.15	22.0

表2 实验降雨参数

Table 2 Rainfall parameters for the experiment

降雨类型	人工降雨强度 /(mm/h)	降雨时间	降雨类型
人工模拟降雨	89.71	间歇性降雨,降2 min,稳定28 min,直至斜坡破坏	大雨

表3 实验斜坡设计方案

Table 3 Slope design scheme of the experiment

实验类型	坡度/ (°)	地层结构	结构面	水分仪 /个	土压力盒/个
工况1	60	黄土、泥岩	预制垂直裂隙,预制滑动面位于黄土内部	19	5
工况2	60	黄土、泥岩	预制垂直裂隙,预制滑动面深入泥岩内部	18	5

图4 实验模型斜坡及传感器布置

Fig.4 Model slope design and sensor layout for the experiment

图5 工况1条件下斜坡变形破坏过程 (a)斜坡初始阶段;(b)斜坡初始阶段三维立体图;(c)微裂隙产生于坡肩侵蚀;(d)坡肩侵蚀细部特征;(e)局部变形破坏阶段;(f)局部变形破坏三维立体图;(g)整体破坏阶段;(h)整体破坏阶段三维立体图

Fig.5 Slope deformation and failure process under working condition 1

图6 工况1条件下各点体积含水率变化 (a)M1、M2、M3、M4、M6水分仪;(b)M8、M9、M10、M13、M14水分仪;(c)M5、M7、M11、M12、M15水分仪;(d)M16、M17、M18、M19水分仪

Fig.6 Volumetric water content variation under working condition 1

图7 工况1条件下土压力变化

Fig.7 Soil pressure variation under working condition 1

图8 工况2条件下斜坡变形破坏过程 (a)斜坡初始阶段;(b)斜坡初始阶段三维立体图;(c)微裂隙产生于坡肩侵蚀;(d)坡肩微裂隙细部特征;(e)局部变形破坏阶段;(f)局部变形破坏阶段三维立体图;(g)整体破坏阶段;(h)整体破坏阶段三维立体图

Fig.8 Slope deformation and failure process under working condition 2

图9 工况2条件下各点体积含水率变化 (a)M1、M2、M3、M4、M6水分仪;(b)M8、M9、M10、M12、M13水分仪;(c)M5、M7、M11、M14水分仪;(d)M15、M16、M17、M18水分仪

Fig.9 Volumetric water content variation under working condition 2

图10 工况2条件下土压力变化

Fig.10 Soil pressure variation under working condition 2

图11 降雨诱发黄土-泥岩接触面滑坡破坏模式(工况1) (a)原始斜坡;(b)坡肩侵蚀与微裂隙产生;(c)微裂隙扩展、贯通;(d)局部滑动破坏;(e)整体滑动破坏

Fig.11 Failure mode of rainfall-induced loess-mudstone contact surface landslide(working condition 1)

图12 降雨诱发黄土-泥岩复合滑坡破坏模式(工况2) (a)原始斜坡;(b)坡肩侵蚀与微裂隙产生;(c)微裂隙扩展、贯通;(d)局部滑动破坏;(e)整体滑动破坏

Fig.12 Failure mode of rainfall-induced loess-mudstone composite landslide(working condition 2)

图13 不同体积含水率条件下黄土强度衰减曲线

Fig.13 Strength decay curve of loess under different volumetric water contents

表4 不同含水率下黄土强度参数

Table 4 Strength parameters of loess under different water contents

体积含水率/%	内摩擦角/(°)	黏聚力/kPa
5	21.5	20.5
10	21.8	15.2
15	21.4	11.5
20	21.5	8.6
25	21.7	6.5

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甘肃天水地区强降雨诱发黄土-泥岩滑坡机理实验研究

Experimental Study on Mechanism of Heavy Rainfall-induced Loess-mudstone Landslides in Tianshui Area,Gansu

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