重要进展丨许强教授团队在滑坡变形的普适性规律及其力学机制研究方面取得突破

▲论文首页（滑坡变形的普适性规律及其力学机制_许强.pdf）

       近日，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护全国重点实验室固定研究人员许强教授在《岩石力学与工程学报》发表论文《滑坡变形的普适性规律及其力学机制》。论文基于大量滑坡监测数据分析与滑坡变形动力学模型，系统研究了滑坡在重力作用及外界扰动条件下的变形特征与演化机制，为认识滑坡变形规律及开展监测预警提供了新的物理依据。

01 一个困扰滑坡研究的重要科学问题

       过去六十多年，国内外学者普遍认为，重力作用下滑坡位移—时间曲线具有三阶段特征，即初始变形、稳态变形和加速变形。但自然条件下的滑坡并不只受重力作用。季节性降水、库水位波动、地震以及人类工程活动等外界扰动，都会影响滑坡的受力状态，使其位移—时间曲线表现出阶跃、波动、突然加速等复杂形态。近年来，已有研究建立了描述滑坡在重力作用下演化过程的变形动力学模型，为三阶段变形提供了明确的物理机制解释。然而，不同复杂变形形态的滑坡是否存在统一的演化规律，不同类型滑坡变形曲线之间是否存在内在联系，仍是滑坡科学领域亟待解决的重要问题。

02 研究思路

03 重要发现

• 重力主导条件下的滑坡“三阶段演化规律”

       论文指出，在以重力作用为主、受外界因素影响相对较小的滑坡中，滑坡变形具有共性变形模式，遵循岩土材料蠕变以及沿滑动面的剪切滑动行为规律，其位移—时间曲线基本符合三阶段变形特征，即初始变形、稳态变形、加速变形。在加速变形阶段，滑坡速度与加速度之间满足幂律关系。基于这一关系发展起来的速度倒数法，已成为国际上应用较广的滑坡发生时间预报方法，并在众多滑坡案例中表现出较好的适用性。

初始变形阶段：该阶段以变形速率逐渐减缓为主要特征，反映滑坡启动后，受本身摩阻力的影响变形逐渐减缓。

稳态变形阶段：该阶段变形速率基本保持稳定，通常被视为材料缓慢塑性流动的体现，也常被认为是滑坡处于相对低风险状态的重要指征。

加速变形阶段：该阶段位移、速度和加速度均表现出明显的非线性增加，通常被视为滑坡失稳破坏前的重要前兆。

▲图1 滑坡三阶段位移–时间曲线

• 滑坡变形的三种类型

       若将滑坡体简化为一个滑动块体，控制滑坡变形和失稳的主要作用力包括下滑力和抗滑力。下滑力主要包括滑体重力及其他外界作用力在滑动方向上的分量，如水、地震、人类工程活动等因素产生的作用；抗滑力主要来自滑带摩擦阻力。由于不同滑坡或同一滑坡不同阶段中，下滑力与抗滑力之间的力量对比不同，滑坡会表现出不同的变形行为。论文根据位移—时间曲线将滑坡划分为稳定型、渐变型和突发型滑坡。论文认为，随着下滑力与抗滑力之间差异增大，滑坡位移—时间曲线可由稳定型向渐变型再向突发型转化，形成一个变形曲线簇。

稳定型滑坡：当滑动应力大于滑带岩土体的流变下限，但小于某一临界值时，斜坡会因蠕变而发生变形。但由于驱动力较小，变形最终会逐渐趋于稳定，形成“稳定型”滑坡。

渐变型滑坡：当滑动应力大于临界值，但小于滑带峰值抗剪强度时，滑坡会经历较完整的三阶段变形过程，形成“渐变型”滑坡。

突发型滑坡：当滑动应力达到或超过滑带峰值抗剪强度时，滑坡可以不经历稳态变形阶段，而是从启动变形后快速进入加速变形阶段，最终发生突发性失稳破坏。

▲图2 滑坡变形类型与监测数据

• 外界扰动使位移曲线复杂化，但并未改变基本框架

       自然界中的滑坡很少只受单一重力作用。降雨、地下水位变化、水库水位波动、地震以及人类工程活动，都会改变滑坡受力状态，使其位移—时间曲线出现波动或阶跃。作者团队强调不同强度和形式的外荷载作用会使滑坡位移曲线呈现不同形态，但这些复杂曲线本质上仍然可以统一到重力主导的三阶段变形框架之中。也就是说，阶跃型、波动型等复杂位移曲线，并不是独立于三阶段规律之外的新变形类型，而是三阶段变形在外界扰动作用下的具体表现。因此，复杂滑坡本质上仍然属于三阶段演化，只是叠加了外界扰动响应。

▲图3 复杂条件下滑坡变形类型与监测数据

• 从静态判断到动力学解释：滑坡变形过程如何被统一描述？

       传统滑坡稳定性分析通常基于下滑力和抗滑力之间的关系。通过比较二者大小，可以判断滑坡是否处于稳定状态，但难以描述滑坡从启动、缓慢变形、稳态蠕变、加速变形到最终失稳破坏的全过程。为描述这一动力学过程，论文采用滑坡变形动力学模型，在该模型中，滑体在变形过程的任意时刻，下滑力、抗滑力和惯性力三者维持动力学平衡。下滑力为滑体提供持续驱动力；抗滑力起阻抗作用；惯性力由下滑力和抗滑力之间的差值产生，并体现系统的变形响应。惯性力的引入使得滑坡演变过程能在完整动力学框架下统一描述滑坡从初始变形或减速、稳态蠕变到加速失稳的全过程。

▲图4 滑坡变形过程中的反馈机制

       这一模型为渐变型与突发型滑坡提供了力学判据。滑坡一旦开始变形，它后面会慢慢发展，还是很快突发破坏？作者团队利用前面建立的滑坡变形动力学模型，从理论上推导滑坡类型的力学判据：滑动应力小于峰值抗剪强度时，滑坡表现为渐变型；滑动应力大于或等于峰值抗剪强度时，滑坡可以不经历稳态变形阶段，而直接进入加速变形过程，表现为突发型；滑动应力小于某一临界应力，斜坡变形会逐渐趋于稳定，而不会发展成滑坡。

速度曲线的“速度峰值”：区别渐变型和突发型滑坡

       渐变型滑坡在初始阶段会出现速度峰值，随后速度下降，进入稳态阶段，之后再加速；突发型滑坡没有速度峰值，速度基本是单调增加的。这种差异本质上源于受力条件对加速度的控制作用。突发型滑坡中，滑动应力达到或超过剪切带峰值强度，使加速度在整个过程中不会小于零，因此速度持续增加；渐变型滑坡中，加速度可以转为负值，使速度经历下降并进入稳态阶段，最终形成“先增—后减—再增”的速度演化过程。

▲图5 不同受力条件下滑坡的理论变形–时间曲线簇

       动力学模型还能对外荷载如何改变滑坡位移—时间曲线进行解释。论文发现超强扰动、强扰动以及周期性荷载作用下形成的不同滑坡变形曲线，本质上都是滑坡变形动力学模型在重力基础上叠加不同外荷载的结果。换句话说，复杂滑坡曲线并不是脱离三阶段规律之外的新类型。阶跃型曲线、波动型曲线、突然加速曲线，本质上都可以看作重力型滑坡三阶段变形曲线对外界扰动的响应。因此，重力作用下的三阶段变形过程，不仅是滑坡变形演化的基本形式，也是复杂条件下多样化变形行为的基础

▲图6 外界因素影响下滑坡位移-时间曲线的理论分析结果

04 基于物理机制的滑坡预警新思路

       当前滑坡预警主要依赖统计或经验方法，物理机制仍显不足。基于本文提出的动力学框架，可以为滑坡预警提供新的思路。传统滑坡预警多关注位移、速度及降雨等外界诱发因素。论文认为，加速度可以作为滑坡预警的重要指标。从理论上讲，当滑坡进入稳态变形阶段后，加速度应接近于零，或在零值附近震荡波动。当滑坡进入加速变形阶段后，加速度会持续为正值；尤其到临滑阶段后，加速度会在正值基础上不断增加，预示滑坡即将发生。因此，加速度的发展演化趋势可为滑坡预警提供新的判断依据。对于突发型滑坡，仅依靠宏观变形指标往往难以及时预警，或者及时发出预警，避灾时间也会很短。对此，论文认为，应结合促使滑坡发生的外界因素，例如降雨量、地下水位等，从形成条件方面提前预警；也可以采用比宏观变形更早出现的前兆信息，例如牛顿力、微震或声发射信号等，开展综合预警。

▲图7 1971年5 月5 日新卧龙寺滑坡前预警回溯