第２６卷第１期 灾害学 Ｖ０１．２６ Ｎｏ．１ ２０１１年１月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＡＴＡＳＴＲＯＰＨＯＬＯＧＹ Ｊａｎ．２０１１ 降雨条件下边坡裂缝的演化机制及对边坡稳定性影响 ——以云南省双柏县丁家坟滑坡为例 刘华磊 ，徐则民 ，张 勇 ，王志奇 （１．昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明６５０２２４；２．云南省公路科学技术研究所，云南昆明６５００５１） 摘要：边坡的失稳与降雨有着密切的关系。以云南省双柏县丁家坟滑坡为例，阐述了降雨条件下边坡裂缝的演 化是由于受到地表横向径流和边坡临空条件的影响。这些形成的裂缝又给地表水人渗提供了主要通道，使地表水 易到达边坡体内部的软弱结构面，大大降低了边坡体的稳定性。 关键词：降雨；裂缝；演化机制；边坡稳定；云南双柏县；丁家坟滑坡 中图分类号：ＴＵ ４３２；Ｐ６４２．２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８１１Ｘ（２０１１）０１—００２６—０４ 降雨是边坡失稳的主要诱发因素 Ｊ。《中国典 地表裂缝是边坡变形滑坡发生的前兆。地表裂缝 型滑坡》 一书中列举了５０多个滑坡实例，９５％以 的产生又受到降雨的影响。下面主要讨论在降雨 上的滑坡都与降雨有着密切关系。在降雨条件下， 条件下，均质边坡裂缝是如何发展演化的。 雨水增加了坡体的自重，降低了坡体岩土体的相关 由于边坡地表的起伏复杂性，在边坡的局部 参数诱发滑坡，更重要的是边坡体上裂缝的发展， 区域，特别是在降雨的情况下，地表形成的横向 使得在降雨条件下，边坡的变形更加加剧。 径流，对地表土体进行冲刷，形成小的横向冲沟， 胡爱军等 以湖南郴州地区为例，建立了降 这些小的横向冲沟可把边坡体沿顺坡势分为肘 和 水型滑坡历史灾害空间分布、地质和地形等滑坡 上下两部分。 滑体受到的下滑力为，，底面 影响因子空间数据库，采用经验似然比函数对降 受到的抗滑力为 ，前缘合力为 ，截面ＡＢ处的 雨型滑坡进行灾害概率风险评估；黄玉华等在文 合力为．厂２，如图ｌ所示。 献［４］中谈到，滑坡体上的裂隙和孔洞是雨水入渗 的主要途径。徐学军针对边坡失稳破坏时坡顶出 现大量竖向裂缝的工程实际，推导了裂缝开展深 度的弹性解，提出了坡顶存在竖向裂缝时边坡的 稳定分析方法 ；祁生文从工程地质类比的角度 分析了锦屏一级水电部裂缝的形成，指出区域的 地壳活动水平和构造应力场强度是普斯罗沟左岸 边坡深部裂缝形成的本质原因和前提条件，边坡 图１裂缝发展不意图 坡体结构以及岩性组合是深部裂缝形成的物质基 文献［８］指出土的饱和度对渗透系数的影响因素： 础 。 。金德山通过长期的野外工作，把常遇到的 如果土不是完全饱和而有封闭气体存在，即使其含量 裂缝分为５种不同的类型进行阐述与分析 Ｊ。 很小，也会对土的渗透陛产生显著影响。土中存在封 本文分析了降雨条件下，均质边坡裂缝的形 闭气泡不仅减小了土的过水断面，更重要的是它可以 成演化机制，讨论了贯通于滑动面的裂缝如何影 填塞某些孔隙通道，从而降低土的渗透陛。 响边坡的稳定。 在ＡＢ截面上，降雨情况下在Ａ点附近形成了 地表径流，由于Ａ点附近岩土的饱和度大于边坡 １ 降雨作用下裂缝的演化机制 其它位置岩土体的饱和度，故在 点附近的渗透 系数较边坡体其它部位大。根据达西定律，渗流 滑坡的发生总是伴随着裂缝的发展，可以说 速度Ｖ是渗透系数ｋ与水力梯度ｉ的乘积，即 ＝ 收稿日期：２０１０—０７—０８ 基金项目：国家自然科学基金项目（４０５７２１５９，４０７７２１８９）；交通部西部科技项目（２００８３１８７６７２３） 作者简介：刘华磊（１９８３一），男，河南驻马店人，硕士，主要从事边坡稳定性研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｈ１０４０２＠１２６．ｃｏｒｎ １期 刘华磊，等：降雨条件下边坡裂缝的演化机制及对边坡稳定性影响 ２７ 。雨水沿ＡＢ面入渗的速度就较快，由于雨水对 岩土体具有润滑，软化作用，文献［９］的实验表 明，土体内摩擦角和粘聚力与含水率呈线性递减 关系，这就促使ＡＢ面的强度降低较大，明显降低 了截面ＡＢ的抗拉强度， 显著降低。 另外，降雨加重了岩土体容重，滑体 上的 下滑力Ｆ增大，滑体沿顺坡势下滑的趋势增强，若 滑体 有微量下滑位移，而 滑体保持原有的状 态，将导致ＡＢ面截面积减小。假设此时 对 滑 体的抗拉力大小不变，将导致应力增大，易使截面 上处于临界强度的岩土体拉裂，形成微裂缝。 ． 源于Ｍ 滑体前面滑体的抗力，对于整个滑 坡体而言，若只有 ．为滑体，此时在滑坡体前缘 抗力． 由于受到滑体下滑趋势的影响有增大的趋 势，软弱结构面上的抗滑力 的增大或减少主要 取决软弱结构面的正压力的增加和粘聚力的减小 程度。当Ｆ＞ 十 ＋ 时， 和 体将分离， ＡＢ面将开裂形成裂缝；若 滑体为滑动边坡的 部分，此时 滑体前面的滑体也将具有下滑的趋 势，． 的增大或减小主要取决于 滑体和其前面 滑体的下滑程度。设 。和 分别为 前面滑体 和 滑体的下滑速度： ① ＞ ，抗滑力 减小，利于滑体后缘裂缝 的产生； ② ＝ ，抗滑力 不变，对滑体后缘裂缝的 产生无影响； ③ ＜ ，抗滑力 增大，阻碍滑体后缘裂缝 的产生。 可见，滑体前缘滑体的稳定程度对滑体后缘 的裂缝产生也起着显著的影响，在 ＞ 的情况 下，近似于滑体前缘临空的情况，这也从侧面反 映了滑体前缘临空程度越强，滑体后缘越易产生 裂缝。 裂缝的发展是一个量的积累过程，并非一次 降雨就会形成从地表贯通到软弱结构面的裂缝， 而是在降雨综合因素影响下，一个周而复始的过 程，最终形成于贯通地表与软弱结构面的裂缝， 进而促成滑坡的发生。 ２裂缝的发展对土质边坡稳定性的 影响 假设裂缝内积水深度为ｈ ，水的容重为 ， 地表到软弱夹层的深度为 ，设上部滑体为刚体， 其重量为 ，坡面倾角为 ，滑面倾角为 ，滑面 上受到有效压力Ⅳ，静水压力 和抗滑力？１，其力 学关系如图２所示。 图２边坡平面力学模型 假设裂缝内积水深度范围内，静水压力成三 角形分布，则静水压力合力为： １ Ｆ＝÷ Ｊｌ２ 。 （１） 厶 滑面有效压力Ⅳ为： Ｎ：Ｗｃｏｑ３一Ｕ—Ｆｓｉｎ￣。 （２） 滑体产生的下滑力Ｑ为： Ｑ＝Ｗｓｉｎ￣＋Ｆｃｏｓ，８。 （３） 滑面产生的抗滑力 为： Ｔ＝ｃＬ＋Ｎｔａｎ￣。 （４） 式中：ｃ为滑面的粘聚力， 为滑面的内摩擦角。 滑坡体的稳定系数 ｃ叫 。 一ｕ一 ｓｉ ）ｔａｎ Ｗｓｉｎｌ３＋ １ ｙ ｈ２ ｃ。 （５） 裂缝对边坡稳定的影响主要有如下几条。 （１）降雨后裂缝中积水，产生水平方向的静水 压力Ｆ。Ｆ可分解为平行于滑面的力Ｆｃｏｓ，８和垂直于 滑面的力Ｆｓｉｎ￣，静水压力Ｆ的分解如图３所示。 图３静水压力分解示意图 从图３可以看出，裂缝中的积水对边坡的稳定 起到负作用，静水压力Ｆ在平行于滑面方向上的 分力Ｆｃｏｓｌ３增加了滑体的内滑力，垂直于滑面的分 力Ｆｓｉｎ￣减轻了滑体在滑面上的正压力，从而导致 滑面上的阻力 减小，促进了滑坡的发生。 （２）裂缝中的水沿着裂缝底部渗入滑动面，促 使滑面处静水压力增加，导致滑面处有效压力Ⅳ 减小，致使抗滑力减小，滑坡稳定系数降低。 灾害学 ２６卷 （３）从裂缝底部渗入到滑面的水，对滑面起到 了软化、润滑作用，从而降低了滑面的抗剪强度， 降低边坡的稳定系数。 泥岩夹粉砂岩，岩层产状为２０４。Ｌ２１。，其中滑坡 中上部为紫红色主，下部为灰、紫红色，按物理 力学性质及风化程度分为３个亚层。 ④．为全风化泥岩夹粉砂岩，呈土状或土夹石 ３ 实例分析 丁家坟滑坡位于云南省双柏县南侧楚（雄）勐 （醒）公路Ｋ６４＋２００处。２００８年６月，由于连续近 半个月的中一暴雨，边坡开始出现大规模的滑动， 状，局部夹强风化碎石。 ④ 为强风化泥 夹粉眇岩，节理裂隙发育，主要 有１４５。Ｌ３４。、３９。Ｌ５７。，岩石破碎，呈碎石、碎块状。 ④ 为中风化泥岩夹粉砂岩，节理裂隙发育， 主要有１４５。Ｌ３４。、３９。Ｌ５７。，岩石破碎，呈碎块 滑坡基本概况见图４。 图４滑坡示意简图 ３．１地层岩性 根据工程需要，在边坡的大致滑动范围内布置 了ｌ４个钻孔（图４），据钻探揭露，地表下３０ ｍ深 度范围内，边坡的地层主要由第四系人工填土、冲 洪积圆砾、残坡积粘性土、含碎石角砾及侏罗系上 统妥甸组上段（Ｊ ？ｔ ）泥岩夹粉砂岩组成。根据其 成因及物理力学性质差异分四大层，分述如下。 ①人工填土（Ｑ４ ）：褐灰、褐黄、紫红色，稍 密～松散，湿，成分为碎石、碎砖及粘性土。钻 孔控制层厚１．２０ ｍ。 ②圆砾（Ｑ４ ）：褐红、紫红色，饱和，稍～中 密，成分为泥岩、粉砂岩，含量６０％～８０％，粒 径１～３ ｃｍ，局部夹卵石、漂石，砂土充填，仅丁 家河钻孔揭露。 ③残坡积物（ｑ４ ）：褐红、紫红色含角砾粉 质粘土、角砾土，按其岩性及物理力学性质又分 为３个亚层残积物。 ③，含角砾粉质粘土：湿，硬塑，含５％～ １５％的泥岩角砾及少量碎石，分布不均，控制层厚 度１．１０～１１．５０ ｒｎ。 ③ 角砾土：湿，稍密，成分为泥岩，仅ｚｋ７ 和ｚｋｌ０揭露，控制层厚度０．８０～０．９０ ｍ。 ③ 含角砾粉质粘土：湿，可～硬塑，含５％～ １５％的泥岩角砾及少量碎石。该层滑坡体滑动带， 控制层厚度０．６～２．０ ｍ。 ④侏罗系上统妥甸组上段（Ｌ？ｔ ）紫红、灰色 状。ＲＱＤ值在２８．６％～６６．７％。 ３．２ 降雨诱发的边坡裂缝产生机制 丁家坟边坡属高山山地地貌，自然地形坡度 在１５。～２５。，其最大高差约为１００ ｍ。边坡目前处 于变形阶段，图４中大致圈定了滑坡的边界，在 滑坡边界范围内，如图５所示的裂缝分布广泛， 开裂最为严重的部位在圈定的滑坡边界上。 图５村坡范围内裂缝 滑坡区域地处亚热带高原季风气候区，干湿季节 分明，年平均气温１５￣Ｃ，年降雨量７００～８００ ｌ／ｌｌｑｌ，其 中５—１０月为雨季，降雨量占全年的８０％。 滑坡区后缘由于受到公路的影响，降雨时（特 别是在暴雨情况下）路面（沥青路面）无雨水入渗， 雨水沿路面横向流动，直到路基边坡坡脚，加上 路基边坡在此区域较陡，首先在边坡区一些区域 就形成了小的冲沟，在冲沟区域内，边坡岩土体 处于饱和状态，降雨人渗严重。受地形影响，整 个滑坡区的后缘区域的临空条件较好，加上雨水 对地表部分区域的严重侵蚀，使雨水易达到边坡 体内部，软化岩土体的强度参数。雨水反复作用 和好的边坡临空条件，最终在图４边坡的后缘区 域形成了近南北方向的裂缝。在边坡东北区域内 形成的东南西北走向的裂缝，受到滑坡后缘的推 力作用和滑坡区域的南西方向较好临空条件，促 使了贯通裂缝的产生。 边坡裂缝的产生受多种因素的影响，上述因 素对裂缝的产生起到了推动的作用。另外，边坡 岩土体在长期干旱的情况下，也易形成干裂，这 些裂隙在降雨情况下雨水沿其入渗到边坡体内部， 加上边坡体局部好的临空和岩土体强度参数的降 １期 刘华磊，等：降雨条件下边坡裂缝的演化机制及对边坡稳定性影响 ２９ 低，也可能导致大的贯通裂缝的产生。 ３．３边坡稳定性分析 的地表横向径流，这些区域边坡土体处于饱和状 据勘察知，丁家坟边坡在③和④层交界处附 近存在软弱夹层。人工填土仅在公路边坡附近处 存在，圆砾层也仅在边坡坡脚丁家河揭露，边坡 上岩土体以残坡积物为主。 滑坡体主要为残坡积物，钻孔ｚｋｌ～ｚｋ２揭露残 坡积物厚度５．０～７．０ ｍ，钻孔ｚｋ３～ｚｋ５揭露残坡积物 厚度９．０～１１．０ ｍ，钻孔ｚｋ６一ｚｋ９揭露残坡积物厚度 ６．０—７．５ ｍ，钻孔ｚｋｌＯ～ｚｋ１４揭露残坡积物厚度４．０ ５．０ ｍ。滑坡区后缘残坡积物较厚且后缘裂缝已贯 ～态，雨水入渗能力增强。在雨水入渗的截面上， 岩土体的强度参数明显低于边坡内非径流区域， 综合边坡的临空条件等因素影响，边坡在这些区 域形成微裂缝，这些微裂缝的形成，更增强了雨 水的下渗通道，在重复降雨和边坡临空条件因素 的影响下，边坡的后缘区域等易形成贯通于边坡 内部软弱结构面的拉裂缝。这些裂缝为雨水进入 软弱结构面形成了通道，使在降雨条件下边坡内 部软结构的强度参数明显降低，边坡稳定系数减 小，易导致滑坡的发生。 通，裂缝跨度０．１－０．４ ｍ，后壁高０．５～１．５ ｍ。 滑坡后缘区裂缝将是促使滑坡恶化发展的主 要原因。降雨条件下，裂缝内积水，雨水沿裂缝 人渗（强降雨条件下，雨水可直达软弱夹层面）， 在裂缝内形成静水压力，增大了边坡的下滑力。 参考文献： ［１］戚国庆．降雨诱发滑坡机理及其评价方法研究［Ｄ］．成都： 成都理工大学，２００４． ［２］ 中国岩石力学与工程学会地面岩石工程专业委员会，中国地 质学会工程专业委员会．中国典型滑坡［Ｍ］．北京：科学出 版社，１９８８． ［３］ 胡爱军，李宁，吴吉东，等．基于经验似然比函数模型的降 雨滑坡灾害慨率风险分析与预测［Ｊ］．灾害学，２００９，２４ （３）：１—６． 裂缝内积水也弱化了裂缝截面土体的强度参数， 使后缘土体对前缘土体的抗拉强度降低。入渗到 滑面的雨水也增加了滑面的静水压力，使滑面处 的有效应力减小，边坡的稳定系数减小。 滑坡后缘区域残坡积物厚度较大，边坡又较 陡，加上贯通裂缝的发展，降雨条件下首先会引 起边坡后缘区失稳，失稳的滑体对前缘滑体产生 推力，将最终使整个滑坡体从坡脚处剪出。 ［４］ 黄玉华，武文英，薛强，等．陕北子长县阎家沟黄土滑坡特 征及其变形机制［Ｊ］．灾害学，２００９，２４（１）：６４—６７． ［５］ 徐学军，王罗斌，何子杰．坡顶竖向裂缝对边坡稳定性影响 的研究［Ｊ］．人民长江，２００９，４０（２２）：４６—４８． ［６］祁生文，伍法权，丁振明，等．从工程地质类比的角度看锦 屏一级水电站左岸深部裂缝的形成［Ｊ］．岩石力学与工程学 报，２００４，２３（８）：１３８０—１３８４． ４ 结论 本文以土质边坡为例，阐述了在降雨条件下 裂缝的演化机制及其裂缝的发展对边坡稳定性的 影响。在降雨条件下，边坡表面的局部区域形成 ［７］ 金德山．滑坡裂缝的识别与分析［Ｊ］．中国地质灾害与防治 学报，２ｏ０２，ｌ３（２）：５０—５２． ［８］王珊．岩土工程新技术实用全书［Ｍ］．北京：银声音像出版 社，２００５． ［９］ 胡明鉴，汪稔，张平仓．斜坡稳定性及降雨条件下激发滑坡 的试验研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００１，２３（４）：４５４—４５７． Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｓｌｏｐｅ Ｆｉｓｓｕｒｅｓ ｄｕｒｉｎｇ Ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ Ｓｌｏｐｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ——Ａ Ｃａｓｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｄｉｎｇｊｉａｆｅｎ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｉｎ Ｓｈｕａｎｇｂｏ Ｃｏｕｎｔｒｙ．Ｙｕｎｎａｎ Ｌｉｕ Ｈｕａｌｅｉ ，Ｘｕ Ｚｅｍｉｎ ，Ｚｈａｎｇ Ｙｏｎｇ ａｎｄ Ｗａｎｇ Ｚｈｉｑｉ （１．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０２２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｙｕｎｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＨｉｇｈｗａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｌｏｐｅ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｒａｉｎｆａｌ１．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｄｉｎｇｊｉａｆｅｎ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｉｎ Ｓｈｕａｎｇｂｏ Ｃｏｕｎ— ｔｒｙ，Ｙｕｎｎａｎ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈａｔ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｆｉｓｓｕｒｅｓ ｉｓ ｄｕｅ ｔｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｈａｎｇｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｄｕｒｉｎｇ ｒａｉｎｆａｌ１．Ｔｈｅｓｅ ｆｉｓｓｕｒｅｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｍａｉｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｗｅａｋ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ ｏｆ ｓｌｏｐｅ，ｗｈｉｃｈ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｌｏｐｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｎｆａｌｌ；ｃｒａｃｋ；ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；Ｓｈｕａｎｇｂｏ Ｃｏｕｎｔｒｙ，Ｙｕｎｎａｎ； Ｄｉｎｇｊｉａｆｅｎ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ