地震和降雨条件下的滑坡变形机制及稳定性分析：以石板坪滑坡为例

《Frontiers in Earth Science》：Landslide deformation mechanism and stability analysis under earthquake and rainfall conditions: a case study of Shibanping landslide

滑坡稳定性分析：基于Shibanping滑坡的降雨与地震耦合作用研究，采用场调和数值模拟（FLAC3D）方法，揭示其渐进层间滑动机制。主要发现：1）降雨通过提高孔隙水压力（达23 kPa）和降低有效应力，使稳定性系数从自然状态的1.36降至1.03；2）地震（0.05g）触发剪切应力集中，临界安全系数1.15对应位移突变；3）地质结构（黏土化夹层）与地形陡峭（15°-25°）是滑坡形成关键，排水锚固可有效提升稳定性。

　　滑坡作为一种常见的地质灾害，对人类生命财产安全以及山区基础设施的稳定性构成了严重威胁。本研究通过对石板坪滑坡的详细调查，深入分析了其成因及滑动机制，并利用平面滑动法与数值模拟方法探讨了滑坡在自然、降雨和地震条件下的稳定性变化。研究结果表明，石板坪滑坡的不稳定性与复杂的地质结构、地形地貌、岩性、开挖活动、降雨引起的水文变化以及地震影响密切相关。滑坡的变形始于滑坡体顶部的拉伸裂隙和向下位移，随后在降雨和开挖的影响下逐渐扩展至滑坡体的深层和前缘，其滑动机制为渐进式层滑。

滑坡的形成和发展受到多种因素的共同作用，包括地质构造、岩性特征、水文条件以及人为活动等。石板坪滑坡位于中国重庆市云阳县彭安镇，处于中元乡长滩社区，地理坐标为东经108.451697°、北纬31.0003°。该区域属于亚热带湿润季风气候，年均温为18.7℃，年均降水量为1,145.1 mm。滑坡区存在一条小型河流冲沟，其水位受季节影响，干季约为402.00米，雨季约为406.2米。滑坡位于地层向北倾斜的背斜构造的北翼，整体地形南高北低，属于结构剥蚀低山单面坡地貌。坡面坡度约为15°–25°，呈现出单面坡形态，坡面存在多个台阶状的小型岩石陡坎，这些陡坎为自由面，高度通常为1–3米。

地质调查结果表明，滑坡区地层自新近纪至侏罗纪，依次为全新世黏土层（Q₄^e?^+d?）、残积—坡积层（Q₄^c??^+d?）和下侏罗统自流井组（J_1-2z）。岩层呈单斜构造，倾角为355°∠15°，倾角变化较小。岩性主要包括砂岩、泥质砂岩及泥化夹层。泥化夹层主要分布在岩层接触带，呈现出泥质结构，伴有水蚀、锈蚀和泥化现象，强度较低且分布不连续，成为不稳定坡体的潜在滑动面。该区域地震设防烈度为六度，峰值地面加速度为0.05 g，特征周期为0.35秒。滑坡区地下水主要由大气降水补给，类型包括第四纪松散岩层中的孔隙水和基岩裂隙水。滑坡体内的地下水较少，但在暴雨期间，滑坡体受到冲沟变形体的渗水影响，水从滑坡体自由滑动区域的前缘渗出。

该区域的土地利用主要为旱地，滑坡体上部山体覆盖有较丰富的植被。人类工程活动主要包括村庄公路建设中的房屋建造和路基开挖，形成了人工边坡，高度为3–6米。滑坡的变形特征与这些因素密切相关，特别是降雨和地震对滑坡稳定性的影响。滑坡的滑动方向为355°，自由面高度为3–6米。在2014年8月的连续强降雨后，滑坡出现了地表拉伸裂隙和局部向下位移的现象。随着持续降雨或每年的强降雨，这些变形裂隙缓慢扩展延伸。滑坡的整体变形迹象主要集中在后缘。2020年6月30日，村庄公路建设的开挖活动引发了多处岩石裂隙，滑坡体沿岩层层面发生变形和破坏。2020年7月25日，滑坡体前缘发生了多次变形和塌陷事件，同时，小规模的浅层岩石滑坡也发生，滑坡长度约为30米，宽度15米，厚度3米，体积约450 m³。

通过现场调查，发现滑坡体表面局部存在弱泥岩层。勘探井（TJ1）和钻孔揭示了滑坡区存在弱带和少量泥化夹层。在24个钻孔中，一个钻孔显示了水蚀和泥化现象，厚度为0.10–0.30米。推断滑坡的潜在滑动面为泥化夹层界面，滑动面呈平面直线形状，深度范围为6.5–15.2米。这些弱层的存在和分布是滑坡发生的重要因素，特别是在降雨和地震作用下，泥化夹层的强度显著降低，滑动面的稳定性随之下降，从而引发滑坡。

滑坡的形成机制是多种因素综合作用的结果。地形地貌和地质结构是影响滑坡形成的关键因素。滑坡区整体地形南高北低，形成单面坡地貌，坡度在15°–25°之间。坡面存在多个台阶状的岩石陡坎，这些陡坎为自由面，形成滑坡的空间条件。同时，滑坡区的地质结构复杂，存在两组呈“X”型交叉分布的结构裂隙，分别倾角为25°–40°和260°–282°，交角为81°–84°和83°–88°。这些裂隙的存在和交叉使得岩体更容易沿裂隙滑动，特别是在降雨或地震作用下，岩体的滑动可能性增加。

滑坡的岩性组合也对其稳定性产生重要影响。滑坡区的岩层从上到下依次为泥质砂岩、泥化夹层和砂岩。这种岩性组合形成了上部坚硬层、中部弱层和下部相对不透水层的结构，为滑坡提供了明显的弱面。泥化夹层作为滑动面的主要组成部分，其强度较低，特别是在降雨作用下，泥化夹层的饱和度增加，导致其剪切强度下降，从而增加了滑坡发生的概率。此外，泥质砂岩与砂岩之间的机械性能差异也导致了层间应力集中，进一步促进了滑坡的发生。

水文条件是影响滑坡稳定性的重要外部因素。云阳县年均降水量为1,145.1 mm，其中5月至10月的降雨量尤为丰富，且频繁出现强降雨事件。根据统计数据显示，年最大日降雨量可达278.7 mm。滑坡区的岩层具有较好的渗透性，雨水逐渐渗入岩体，填充其孔隙，导致岩体的饱和度增加。这种渗透过程不仅改变了岩体的含水量，还显著降低了其剪切强度，从而影响滑坡的稳定性。在降雨持续过程中，水压逐渐增加，导致岩体的有效应力减少，进一步削弱其稳定性。

滑坡的稳定性分析采用理论分析与数值模拟相结合的方法。在理论分析中，采用平面滑动法，该方法假设滑动面为单一连续平面，适用于分析层状岩体的稳定性，具有计算简便、效率高的优点。在数值模拟中，使用FLAC3D软件，通过逐步降低岩土体的粘聚力（c）和内摩擦角（φ），模拟岩土体在降雨和地震作用下的稳定性变化。当模拟模型出现连续位移增加、网格畸变或计算不收敛时（如迭代次数超过设定阈值或不平衡力比超过临界值），岩土体被认为处于极限平衡状态，此时的安全系数即为滑坡的稳定性系数。

在自然条件下，滑坡的安全系数为1.37（平面滑动法）和1.36（数值模拟法），表明滑坡处于稳定状态。但在降雨条件下，安全系数下降至0.99（平面滑动法）和1.03（数值模拟法），表明滑坡处于不稳定状态。地震条件下，安全系数为1.12（平面滑动法）和1.15（数值模拟法），表明滑坡处于基本稳定状态。随着降雨时间的延长，安全系数逐渐下降，特别是在降雨持续48小时后，安全系数进一步降至1.03，表明滑坡的稳定性显著降低。在地震条件下，当安全系数下降至1.15时，监测点的水平位移迅速增加，滑坡体的滑动面逐渐扩展并趋于连续，表明滑坡的稳定性受到地震的显著影响。

为了验证数值模拟和简化极限平衡分析的可靠性，本研究在降雨期间对石板坪滑坡进行了综合位移—渗流观测，并与模型结果进行了对比分析。监测点包括GNSS参考点L1–L3（采样间隔为1小时）和孔隙水压计P1–P2。监测数据显示，在自然条件下，GNSS的累计位移率小于0.5 mm/月，孔隙水压基本稳定，InSAR监测的年平均变形量处于毫米级，与模型计算结果一致。在降雨过程中，累计降雨量约为168 mm，安全系数从1.36（12小时）逐渐降至1.03（60小时），表明降雨对滑坡稳定性产生了显著影响。GNSS监测数据显示，位移在36小时至48小时之间出现加速阶段，与安全系数的快速下降阶段同步。孔隙水压从初始值1.54 × 10³ kPa上升至5.88 × 10³ kPa，地下水位上升约2.1米，表明降雨对滑坡体的稳定性具有决定性作用。

研究结果表明，石板坪滑坡的不稳定性是一个渐进的过程。在初期阶段，滑坡主要表现为局部变形；随着降雨时间的延长，变形逐渐扩展至整个滑坡体。这种渐进式的不稳定性模式为滑坡的早期预警提供了重要依据，同时也为滑坡防治策略的制定提供了科学支持。在地震条件下，当安全系数降至1.15时，滑坡体的位移集中于泥化夹层上方的岩体区域，表明泥化夹层在滑坡发生过程中起到了关键作用。通过调整锚杆长度和间距，可以有效提高滑坡的稳定性，从而实现“排水+锚杆支护”的滑坡防治方案。

综上所述，石板坪滑坡的形成与降雨、岩性、开挖活动、地形地貌及地质构造密切相关。地形坡度和岩体结构的不均匀性为滑坡的形成提供了有利条件。特别是在降雨和地震的共同作用下，泥化夹层的强度显著降低，进一步加剧了滑坡的不稳定性。通过理论分析与数值模拟相结合的方法，可以更准确地评估滑坡在不同条件下的稳定性变化。同时，结合现场监测数据，可以验证模型的可靠性，并为滑坡的防治提供科学依据。本研究不仅揭示了滑坡的形成机制，还为类似地质灾害的预测、预防和控制提供了理论支持和实践指导。