应用透明相似试验揭示后缘裂隙边坡变形破坏的演化阶段特征

何寅; 张龙; 宋文军; 冷先伦; 王浩; 王成汤

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503369

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6506-6516 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503369

建筑科学

应用透明相似试验揭示后缘裂隙边坡变形破坏的演化阶段特征

何寅 ¹ ,
张龙 ² ,
宋文军 ³ ,
冷先伦 ⁴^,⁵^,^* ,
王浩 ⁴^,⁵ ,
王成汤 ⁴^,⁵

作者信息 +

Using Transparent Similarity Test to Reavel Evolutionary Stage Characteristics of Deformation and Failure in Rear Edge Fracture Slopes

HE Yin ¹ ,
ZHANG Long ² ,
SONG Wen-jun ³ ,
LENG Xian-lun ⁴^,⁵^,^* ,
WANG Hao ⁴^,⁵ ,
WANG Cheng-tang ⁴^,⁵

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文章历史 +

摘要

为了探究边坡变形演化特征,揭示边坡灾害衍生机理,合理预测预警边坡灾害。采用透明相似模型试验技术,在自研的透明相似模型试验设备上开展4组不同裂隙位置影响下的边坡变形破坏透明相似试验,通过高清图形解析与粒子点追踪技术,分析了边坡变形过程与裂隙演化的相互作用机制,揭示了边坡变形演化的分阶段特征,并通过“新磨村滑坡(2017)”和“白格滑坡(2018)”2个典型滑坡案例验证了试验所揭示的边坡变形破坏演化特征。研究结果表明:①边坡变形演化与坡体内裂隙衍生、发展和贯通具有较好的一致性,且具有明显的3阶段特征, 表现为初始变形、匀速变形和加速变形,边坡灾害孕育的初始变形和匀速变形两个阶段占破坏演化总时间的71%~85%;②裂隙对边坡变形与破坏具有显著影响,裂隙靠近坡面时主要以中上部滑动为主,远离坡面主要以整体滑动为主,裂隙存在导致边坡极限承载力降低、整体滑动时间提前、位移量增加,裂隙越靠近坡面影响越明显;③位移瞬时切线角能有效区分边坡变形3阶段,切线角在初始阶段I为0°~30°、匀速阶段Ⅱ为30°~50°、加速阶段Ⅲ为50°~60°,在各阶段演化时切线角快速近线性增加,增幅为10°~30°。可见,在实际工程中,针对边坡的破坏模式,需根据裂隙的分布位置采取相应的防护措施。当位移瞬时切线角在50°~60°小范围波动时可认为滑坡进入极限状态,可用于工程地质灾害的临滑预警。

Abstract

To explore the deformation and evolution characteristics of slopes, reveale the derivation mechanism of slope disasters. Reasonable predicte and early warn slope disasters, the transparent similarity model test technique, four sets of transparent similarity tests were conducted using self-developed equipment for slope deformation and failure. The influence of different fracture locations was considered. The interaction mechanism between slope deformation and fracture evolution was analyzed through graphical analysis and particle tracking. The stage characteristics of slope deformation evolution were revealed. The experimental results are verified using two typical landslide cases: the “Xinmo Village Landslide (2017)” and the “Baige Landslide (2018)”. The results show these as follows. The deformation evolution of the slope is highly consistent with the derivation, development, and penetration of cracks. Three distinct stages are identified: initial deformation, uniform deformation, and accelerated deformation. The initial and uniform deformation stages account for 71%~85% of the total failure evolution time. Fractures significantly influence slope deformation and failure. When fractures are near the slope, sliding occurs mainly in the middle and upper parts. When fractures are farther away, the slope slides as a whole. The presence of fractures reduces the slope’s ultimate bearing capacity, advances the overall sliding time, and increases displacement. The closer the fractures are to the slope, the more pronounced these effects become. The instantaneous tangential angle of displacement effectively distinguishes the three deformation stages. In Stage Ⅰ (initial deformation), the angle ranges from 0° to 30°; in Stage Ⅱ (uniform deformation), from 30° to 50°; and in Stage Ⅲ (accelerated deformation), from 50° to 60°. During each stage, the tangential angle increases rapidly and nearly linearly, with an increase of approximately 10°~30°. It is concluded that protective measures should be tailored based on fracture distribution in practical engineering. When the instantaneous tangential angle fluctuates within 50°~60°, the slope is considered to have reached its limit state, providing a basis for early warning of geological disasters.

Graphical abstract

关键词

后缘裂隙边坡 / 透明相似试验 / 变形特征 / 破坏机制 / 位移切线角

Key words

rear edge fracture slope / transparent similarity test / deformation characteristics / destruction mechanisms / tangent angle of displacement

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何寅, 张龙, 宋文军, 冷先伦, 王浩, 王成汤. 应用透明相似试验揭示后缘裂隙边坡变形破坏的演化阶段特征[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6506-6516 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503369

HE Yin, ZHANG Long, SONG Wen-jun, LENG Xian-lun, WANG Hao, WANG Cheng-tang. Using Transparent Similarity Test to Reavel Evolutionary Stage Characteristics of Deformation and Failure in Rear Edge Fracture Slopes[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6506-6516 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503369

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边滑坡地质灾害是中国最重要的地质灾害之一,具有地质复杂性、时空不确定性和动态变化等特征,随着空天地相结合的实时监测技术发展,基于全过程变形曲线的预警成为边坡灾害防控的主要方法。因而,明晰边坡破坏过程与变形演化的相互关系,明确变形发展趋势和演化特征,是合理判断边坡稳定状态的基础,亦是有效预测和预警边坡地质灾害的关键。

目前,边坡失稳破坏机制的研究已取得一定的研究成果。周云涛^[1]基于断裂力学分析了裂隙边坡的起裂-扩展-贯通演化机制;王建明等^[2]利用断裂力学理论构建边坡裂隙扩展贯通力学模型阐明边坡岩体破坏机理;Zhang等^[3]、Hou等^[4]通过数值模拟分析了裂隙边坡变形渐进破坏全过程;Chen等^[5]采用底摩擦实验研究“三段式”边坡岩桥断裂机制;Tai等^[6]通过大型振动台试验和离散元法(discrete element method,DEM)模拟研究了裂隙边坡在动荷载下的裂隙扩展与贯通机制,揭示了非贯通结构面控制下边坡三阶段渐进破坏过程。黄达等^[7]利用物理模型和数值模拟研究了后缘裂隙边坡的岩桥断裂机制和起裂模式;Han等^[8]通过采用内部组合有限离散元法(finite-discrete element method,FDEM)研究了自然条件下梯级节理岩坡的整个渐进阶梯路径破坏过程。

滑坡在发育演化过程中会产生显著的地表形变迹象和破坏裂隙,一般具有较长的孕育演化期和相对较短的破坏期^[9]。随着变形监测技术的发展,大量边坡破坏过程的完整变形时间曲线被自动化监测手段获取^[10-12],因而如何解析变形成为认识边坡灾害、合理预警边坡灾害的重要前提。经典的蠕变三阶段模型在近年来得到理论深化,例如,许强等^[13]基于达朗贝尔原理构建了滑坡变形动力学模型,从惯性力和岩土体应变软化的角度,揭示了各变形阶段,尤其是加速变形阶段的内在物理机制。通过对大量典型案例^[9,13-16]的深入研究,滑坡变形具有明显的阶段性特征已成为共识,其演化过程可划分为初始变形、等速变形、加速变形等阶段。

随着透明相似模型试验技术^[17-21]和数字图像解析技术的发展,将坡体内部破坏演化与变形发展过程结合起来,使得由表及里的观察边坡变形破坏演化过程成为可能,如张晓双等^[19]通过透明土模型试验探究不同围护结构变形模式下上覆荷载对土体内部变形的影响;冷先伦等^[20]通过透明相似模型试验研究主控裂隙边坡变形破坏演化机制;Ma等^[21]通过透明相似模型试验分析变截面桩及倾斜程度对桩基承载力的影响。透明相似模型试验作为一种可靠的新兴试验技术,能够直观地展示并记录边坡变形破坏的全过程,为边坡变形破坏演化规律研究提供了新的视角。基于此,现采用透明相似模型试验技术,配制透明胶结材料^[22-28],制作1个无裂隙边坡和3个不同裂隙倾角、方向和位置的后缘裂隙边坡透明相似模型,在自研的透明相似物理模型试验机上开展外载作用下边坡变形破坏全过程试验。通过图形解析和粒子点追踪等技术,研究裂隙内部扩展与变形的相互关联机制,揭示裂隙边坡破坏过程的变形演化阶段特征,并通过对后缘裂隙的“新磨村滑坡(2017)”和“白格滑坡(2018)”破坏过程的变形分阶段特征分析,验证后缘裂隙边坡试验所揭示的现象和规律, 以期为深化后缘裂隙影响下边坡破坏的机理认知,采用位移切线角(50°~60°)作为临滑预警指标,进而构建基于裂隙扩展过程的变形阶段划分方法,为裂隙型滑坡的早期识别与风险预警提供理论依据。

1 透明相似模型试验

1.1 试验方案

针对无裂隙及后缘裂隙不同位置条件,开展边坡变形破坏演化特征及裂隙位置对边坡变形破坏的影响规律研究。基于此,分别设计了无裂隙边坡和裂隙距离坡面13 cm(90°)、7.5 cm(60°)、2 cm(90°)三种后缘裂隙边坡模型试验方案,如图1所示,试验相关参数如表1所示。以裂隙距坡面7.5 cm和角度为60°的2-b方案为基础,分析裂隙对边坡变形破坏演化过程的影响。

1.2 透明相似材料

依据冷先伦等^[26]、孔纲强等^[27]开展的透明胶结土材料强度特性的试验研究进行材料选取,以熔融石英砂为骨架材料,纳米级疏水性二氧化硅粉为胶结剂,正十二烷和15#白油的有机混合液等为原材料,透明相似材料配比采用文献[26]G4组材料配比,经充分混合、分层压实、饱和后得到可以模拟软岩^[26]的透明岩土相似材料,该材料在非饱和状态下呈白色半透明状,饱和状态下完全透明,物理力学特性如表2所示。

1.3 试验仪器装置和试验步骤

试验在自研的透明相似边坡模型加载设备[图2(a)]上进行,该设备包括能够对边坡进行水平和竖直的两向伺服液压加载系统(本试验未启用水平向加载)、计算机控制系统,透明模型箱、激光发射器和自动摄像系统。液压加载设备可提供的额定压力为0~30 kN,最大位移量程50 mm。透明模型箱使用亚克力玻璃板定制而成,外部尺寸长×宽×高为600 mm×150 mm×300 mm,壁厚30 mm,使用透明模型箱可以直观地观测加载过程中边坡内部的变形和破坏。激光发射器配备一字线棱镜,其发出的片状激光厚度为1 mm,工作功率为2~10 W。自动摄像系统包括CCD(charge-coupled device)工业相机和图像采集软件。

本试验主要步骤为边坡模型与边坡裂隙的制作以及边坡模型加载与数据采集。①制作边坡模型时,根据表2中透明相似材料的配比制作透明相似材料,将材料放入透明模型箱中充分混合、搅拌均匀之后分层压实至92%的密实度,在压实过程中需注意压实下一层时将上一层表面刮毛防止出现上下分层的情况;②在压实达到设定高度之后,倒入由白油和正十二烷配置的孔隙液,盖上模型箱盖并抽出模型箱内空气,使材料完全饱和;③将所得到的透明相似材料根据边坡形状切割,得到透明边坡模型[图2(b)]。在制作边坡裂隙时,基于透明可视化模型试验技术^[19-21]原理,裂隙需满足透明度高,不能与透明相似材料相互融合,试验时不影响内部观测等要求,故本试验选用表面足够光滑、透明度高以及尺寸稳定的PET(polyethylene terephthalate)树脂薄片作为裂隙材料。在材料压实过程中,根据1.1节试验方案,将裂隙埋入相应位置,最后将制作好的透明模型箱固定在加载设备上,激光发射器放置于模型箱正前方,CCD相机放置于模型箱左侧。上述步骤操作完成后,启动设备,使用竖向液压加载系统对边坡后缘进行伺服加载,CCD相机全程记录整个变形演化过程,以便后续分析。模型试验结束后,通过图形解析和粒子点追踪等技术对所采集的图像按时间顺序进行整理分析,对不同阶段边坡破坏形态、典型位置的变化进行解析。

2 裂隙对边坡变形演化规律影响

在坡顶以3 mm/min的恒定位移加载速率对如图2(b)所示边坡模型进行伺服加载。在试验过程中,使用数字图像技术对边坡进行全场位移监测,采集坡肩(监测点A)、坡面中部(监测点B)及坡脚(监测点C)三个特征部位的时序位移数据,采用粒子点追踪技术(Adobe After Effects软件)对监测点的运动轨迹及累计位移演化特征进行定量分析。为消除量纲差异对数据分析的影响,对原始位移量值和位移速率等数据进行标准化处理,公式为

(1)X=$\frac{{\mathit{X}}_{\mathit{i}}-{\mathit{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{{\mathit{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathit{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$

式(1)中:X_i为原始数据;X_min为数据中的最小值;X_max为数据中的最大值;X为位移/速率的归一化值。

2.1 均质无裂隙边坡(方案1)

如图3所示为方案1加载过程中监测点A、B、C累计位移/平均位移速率与时间和瞬时位移切线角与时间的归一化曲线,如图4所示为方案1在不同时刻边坡内部裂隙演化过程图。依据变形和速率曲线难以准确划分边坡变形破坏演化阶段,在此引入位移切线角^[29-31]对边坡的变形演化过程进行阶段划分,当监测点A、C位移切线角出现突变特征时,可进行变形阶段的划分。依据图3和图4所示的破坏演化与变形过程的对应关系,将边坡变形演化过程分为初始变形阶段Ⅰ、匀速变形阶段Ⅱ、加速变形阶段Ⅲ三个阶段。

(1)初始变形阶段Ⅰ[0~0.08(40 s)],监测点A的位移速率开始增长、累计位移较小,位移切线角增长至35.5°;监测点B、C还未开始变形,位移切线角均较小;该阶段边坡处于相对稳定状态,整个坡形未产生明显变化[图4(a)]。

(2)匀速变形阶段Ⅱ[0.08~0.79(410 s)],监测点A的累计位移持续增加、位移速率匀速增加,位移切线角在30°~55°波动;在第40~260秒时,监测点B的累计位移、位移速率开始缓慢增加,位移切线角小于20°,表现为后缘被压密;在第260~410秒时,累计位移、位移速率增长加快,位移切线角在40°~55°波动;监测点C的位移速率开始缓慢增长,累计位移量较小;该阶段坡面产生鼓胀现象[图4(b)],坡体内部开始萌生第一条破裂带并向下扩展。

(3)加速变形阶段Ⅲ[0.79~1(520 s)],监测点A位移增长速率放缓,位移切线角在45°~55°波动,但波动幅度不大,较为平缓;监测点B累计位移、位移速率开始快速增加,位移切线角迅速增大,在55°附近波动;监测点C累计位移、位移速率在短时间内迅速增加,位移切线角从27°突增到57°;此时第一条破裂带停止发育且未完全贯通,坡体内部萌生出第二条弧形破裂带[图4(c)]并快速地向坡脚扩展贯通;在第520秒时,第二条破裂带在坡体内部形成贯通滑面[图4(d)],边坡发生整体滑动破坏;该阶段边坡位移、速率和切线角均急剧增加,表现出趋同一致性。

(4)边坡变形破坏的发展孕育期(阶段Ⅰ和Ⅱ)约占总破坏时间的79%、破坏期(阶段Ⅲ)约占21%;从切线角与变形破坏的关联来看,在阶段Ⅲ,切线角约为57°且在阶段Ⅱ向阶段Ⅲ变化时出现急剧增加的突变段(图3)。

2.2 裂隙边坡(方案2-b)

图5和图6分别为方案2-b的边坡加载过程中监测点A、B累计位移/平均位移速率/瞬时位移切线角与时间的归一化曲线和内部裂隙发展过程。边坡滑动面位于坡脚上部,边坡滑移破坏时监测点C未受到影响,累计位移仅为0.58 mm,故在此不对监测点C进行分析。该方案下边坡变形演化与无裂隙时表现出相同的阶段性演化特征。

(1)初始变形阶段Ⅰ[0~0.23(108 s)],监测点A的位移速率开始缓慢增长,累计位移量很小,位移切线角增长到37°;监测点B基本未变形,该阶段坡体内裂隙尖端开始产生裂隙[图6(a)]。

(2)匀速变形阶段Ⅱ[0.23~0.85(400 s)],监测点A的累计位移匀速增加,位移速率缓慢增加。在108~160 s时,监测点B位移速率开始缓慢增长,累计位移量较小;在第170秒时,监测点B的位移切线角从11°增长到31°,累计位移量开始显著增加;坡体内部的第一条破裂带向下扩展并贯通,发生第一次剪切滑移[图6(b)]。

(3)加速变形阶段Ⅲ[0.85~1(470 s)],监测点A、B的位移速率激增,累计位移快速增加,位移切线角增至55°,在坡体深部萌生出第二条圆弧形破裂带[图6(c)]并沿边坡后缘向下快速发展;在470 s时,第二条破裂带扩展至坡体中部与第一条破裂带的滑裂带相交[图6(d)],最终发生第二次滑移破坏。

(4)方案2-b与无裂隙方案1相比,两者内部滑动面和变形的演化发展规律基本一致,用于判断变形阶段的切线角量值基本相当,但破坏模式和发展速率存在一定差异,方案1为整体滑动,变形破坏总时间约为520 s,而方案2-b为裂隙决定的中上部滑动,变形破坏总时间约为470 s,速度相对较快(图5)。

2.3 有无裂隙边坡变形演化对比分析

方案1和方案2-b在试验过程中的相关试验数据对比如表3所示。由表3可知:

(1)方案1和方案2-b的边坡极限承载力分别为16.8、9.9 kN,结合两个边坡的最终破坏图[图4(d)、图6(d)]可以看出裂隙存在会在坡体内部形成潜在滑面或软弱带,使得边坡的极限承载力显著下降。

(2)方案1和方案2-b的破坏时间分别为520、470 s,有裂隙边坡变形破坏速度快于无裂隙边坡,说明裂隙削弱了边坡的整体抗滑能力,边坡变形破坏更为迅速。

(3)方案1监测点累计位移小于方案2-b,两种方案下监测点A累计位移量分别为13.14 mm和16.03 mm,监测点B累计位移量分别为7.63 mm和13.85 mm。

3 裂隙位置对边坡变形规律的影响

3.1 变形破坏模式对比分析

如图7所示为4种试验方案下边坡变形破坏模式图,由图7可知:

(1)无裂隙方案1[图7(a)]和裂隙远离坡面方案2-a[图7(b)]的最终破坏形态基本相同,为整体滑动破坏,但演化过程存在差异,方案1坡体相对完整,破坏时两条破裂带自上而下发展,第一条未贯通,第二条贯通形成弧形滑动面,方案2-a破坏时第一条破裂带从坡肩由外向内发展,第二条沿裂隙尖端在坡体内从上至下发展,并与第一条相交。

(2)中部裂隙方案2-b[图7(c)]的破坏形态为中上部滑动破坏,首先是裂隙尖端起裂产生第一条破裂带导致中上部第一次滑移,然后在坡体内部产生的第二条破裂带与第一条相交发生第二次滑动破坏。

(3)裂隙靠近坡面方案2-c[图7(d)]的破坏模式为局部破坏和整体滑动破坏,破坏时从裂隙尖端起裂的第一条破裂带从坡面中上部剪出,随后在坡体深部产生第二条破裂带,但并未贯通破坏。

3.2 变形破坏阶段对比分析

如图8所示为方案2-a[图8(a)]和方案2-c[图8(b)]在加载过程中监测点累计位移/瞬时位移切线角与时间的归一化曲线。方案2-a为整体破坏,因试验设备轴向力限制,未完全破坏,导致监测点C变形较小,方案2-c为中上部变形破坏,其监测点B和C的变形较小且变形平缓,在此不对这些点的变形演化分区进行分析,如图9所示。由图8可知:

(1)2种试验方案下边坡变形演化过程均可划分为3个阶段,仅在孕育和破坏时间上存在差异,裂隙越靠近坡面其变形破坏演化过程越迅速,表现为初始变形阶段Ⅰ[0~0.22(110 s)]和[0~0.15(70 s)],匀速变形阶段Ⅱ[0.22~0.71(350 s)]和[0.15~0.74(340 s)],加速变形阶段Ⅲ[0.71~1(490 s)]和[0.74~1(460 s)]。

(2)采用瞬时位移切线角能有效划分2种试验方案条件下变形的分阶段演化特征,在初始变形阶段Ⅰ切线角近线性增加至18°~35°,在匀速变形阶段Ⅱ切线角在35°~45°波动,在加速变形阶段Ⅲ切线角最大可增至55°~60°,该阶段切线角存在大幅度波动。

3.3 裂隙对边坡变形演化的影响分析

如表4所示为3种裂隙边坡试验过程中的相关数据对比,由表4可知:

(1)在3种不同裂隙位置与倾角和相同裂隙长度条件下,试验过程中轴向荷载基本相同,说明裂隙位置和倾角对边坡的极限承载力影响较小,可能与裂隙长度相关。

(2)裂隙越靠近坡面,边坡变形破坏的演化时间越短,分别为490、470、460 s,裂隙倾角越小,加速变形阶段Ⅲ所需时间越短,如裂隙倾角为60°的2-b方案为70 s,2-a和2-c方案分别为140 s和120 s。

(3)裂隙越靠近坡面,边坡发生滑动时的累计变形量值越大,如在监测点A处,靠近坡面的2-a方案变形量值为18.24 mm,而远离坡面的2-b和2-a方案分别为16.03 mm和14.76 mm。

4 裂隙位置对边坡变形规律的影响

4.1 新磨村滑坡

2017年6月24日早上06:00时许在四川省茂县叠溪镇新磨村新村组后山山体发生的高位滑坡新磨村滑坡^[9,32],卫星影像显示在2003年8月18日—2017年4月8日先后在滑坡后缘出现5条裂缝,2014年最大形变速率为27 mm/年,加速变形出现在2017年4月之后,如图10所示^[9,32] 。采用变形切线角对3个监测点的位移^[32]进行变形分阶段处理,如图11所示。从图11可以看出:

(1)从2014年8月19日—2017年5月5日监测变形的位移切线角可以将变形演化过程分为3个阶段,其值在阶段Ⅰ、阶段Ⅱ和阶段Ⅲ分别为10°~30°、30°~51°和51°~57°,与本文试验结果相吻合。

(2)新磨村滑坡变形破坏的孕育期约占总时间的73%,破坏期约占总时间的27%,与本文试验结果相吻合。

(3)在2016年9月23日滑坡变形进入加速阶段Ⅲ,在2017年2月28日变形持续快速增加(切线角最大且波动幅度较小),历时158 d,较文献[32]的加速变形出现时间2017年4月提前约190 d。

4.2 白格滑坡

白格滑坡^[9,33]于2018年10月11日和2018年11月3日在西藏自治区江达县波罗乡白格村附近的金沙江右岸先后发生了两次大规模高位滑坡堵江事件,从卫星影像可以看出:2011年滑坡在后缘已形成基本连通的拉裂缝,2015年后缘拉裂缝已形成明显的错台,2017年1月15日较2015年没有显著变化,2018年2月28日滑坡整体变形进一步加剧,在滑坡中下部已形成明显的剪出口,2018年8月29日滑坡源区已非常破碎,整体处于临滑状态,如图12所示^[9,33]。采用变形切线角对6个监测点的位移^[9]进行变形分阶段处理,如图13所示。从图13可以看出:

(1)从2011—2018年的数据来看,位移切线角将变形演化过程分为2个阶段,即阶段Ⅱ和阶段Ⅲ,其值分别在0°~57°和40°~57°波动。

(2)从获取的卫片解析的变形数据来看,白格滑坡变形破坏的孕育期约占总时间的57%,破坏期约占总时间的43%,因最早的变形解析卫片为2011年3月4日,变形阶段Ⅰ的时间不能确定,故解析的滑坡孕育期略短于本文试验结果,但并不矛盾。

(3)在2015年3月2日滑坡变形进入加速阶段Ⅲ,与该时间滑坡在后缘形成明显错台相一致,在2017年10月30日变形持续快速增加(切线角最大且波动幅度较小),历时976 d,较文献[9,33]的2018年2月28日滑坡形成明显剪出口提前约121 d。

4.3 综合分析与讨论

从新磨村滑坡、白格滑坡2个典型的后缘裂缝衍生的变形破坏和本文试验结果可认为:对于后缘裂缝发展演化的边滑坡变形破坏,其变形演化过程均可采用位移切线角将其划分为3个阶段,孕育期(阶段Ⅰ+阶段Ⅱ)占变形破坏总时间的70%以上,加速变形阶段Ⅲ切线角取值范围为50°~60°;在阶段Ⅲ当切线角的最大值小范围波动时可认为滑坡进入极限状态,该时刻早于最终破坏的实际时间,可用于工程地质灾害的临滑预警。

5 结论

采用透明相似模型试验技术,系统开展了无裂隙及后缘不同裂隙位置边坡的变形破坏试验,实现了破坏全过程的可视化观测,明晰了变形破坏时坡体内部裂隙发展情况。通过引入瞬时位移切线角作为动态量化指标,有效识别并揭示了后缘裂隙控制下边坡变形的三阶段演化规律,明确了各阶段的变形突变特征及其与破坏前兆对应关系。主要结论如下:

(1)裂隙对边坡内部破坏演化和最终的破坏形态影响明显,无裂隙时边坡为圆弧形式的整体破坏,存在裂隙时,破坏从裂隙开始自上而下发展演化,裂隙越靠近坡面时破坏形态越为直线型中上部局部破坏,裂隙远离坡面时为裂隙演化的圆弧形。

(2)裂隙降低边坡的极限承载能力、加快破坏演化速度和增大变形量值,裂隙越靠近坡面时变形演化时间越短,裂隙倾角较小时边坡变形破坏的加速变形阶段Ⅲ所需时间越短,如远离坡面时边坡变形破坏时间为 490 s、孕育时间为350 s、坡顶位移为 14.76 mm,而靠近坡面时其分别为 460 s、340 s 和 18.24 mm。

(3)边坡变形演化过程基本不受裂隙影响,较为明显的表现为3个阶段,即初始变形阶段Ⅰ、匀速变形阶段Ⅱ和加速变形阶段Ⅲ,边坡灾害孕育的初始变形和匀速变形两个阶段约占破坏演化总时间的71%~85%。

(4)边坡采用位移瞬时切线角能有效区分边坡变形的3个阶段,在初始阶段Ⅰ为0°~30°、匀速阶段Ⅱ为30°~50°、加速阶段Ⅲ为50°~60°,在各阶段演化时切线角快速近线性增加,增幅为10°~30°。

(5)新磨村滑坡和白格滑坡2个典型工程案例的变形破坏演化规律与本文试验揭示的后缘裂隙边坡变形分阶段特征相吻合。

(6)在实际工程中,针对后缘裂隙边坡,应重点防范裂隙远离坡面边坡导致的边坡整体滑动破坏,裂隙靠近坡面边坡引发的中上部局部滑动破坏,以确保边坡的稳定性与安全性。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52379110)

国家自然科学基金(42207222)

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Received	Published	Revised
2025-05-09	2026-05-28	2025-12-16
Online Date
2026-08-07

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