Characteristics and mechanism of landslide-debris flow chain disaster in low mountain and hilly terrain
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摘要: 2019年6月10—13日，龙川县发生持续强降雨，导致全县境内发生大量滑坡、泥石流灾害，贝岭镇米贝村是三个重灾区之一。本文以贝岭镇米贝村6号沟发生的滑坡-泥石流链生灾害为研究对象，在野外精细化调查测量基础上，结合数值模拟分析与计算，对链生灾害特征与成灾机理展开研究。研究发现：①6号沟内共发育7处浅层土质小型滑坡，仅3号滑坡体与部分6号滑坡体转化为泥石流，构成泥石流主要物源，其余滑坡未构成持续性影响；②持续降雨下渗，坡体由非饱和向饱和状态转变，坡表形成连续饱和区，孔隙水压力的增加与孔隙水的软化促使土体强度降低，加之坡体饱和自重的增大，斜坡发生浅表层失稳破坏；③降雨的持续下渗与支沟沟源“漏斗状”地形下的地表汇水快速增大滑坡松散堆积体内的含水率，促使其物理性质发生变化，在重力势能下呈流态状启动、运动转化为泥石流。降雨结构影响滑坡-泥石流链生过程，前期降雨引发滑坡、后期降雨启动形成泥石流，滑坡与泥石流的发生表现出阶段性特征。研究成果有助于指导当地政府进一步开展滑坡-泥石流链生灾害的防灾减灾工作，也为该地区未来区域预警研究工作提供理论支撑。Abstract: From June 10 to 13, 2019, continuous heavy rainfall occurred in Longchuan County, resulting in a large number of landslides and debris flows in the county. Mibei village is one of the three hardest hit areas. Taking the landslide debris flow chain disaster in Mibei village No.6 gully of Beiling town as the research object, this paper studies the characteristics and disaster mechanism of chain disaster on the basis of field fine investigation and measurement, combined with numerical simulation analysis and calculation. It is found that: ①there are 7 soil landslides in the No.6 gully. Only NO.3 landslide mass and part of NO.6 landslide mass are transformed into debris flow, which constitutes the main material source of debris flow, and the other landslides do not constitute a sustainable impact; ②With continuous rainfall infiltration, the slope body changes from unsaturated to saturated state, and a continuous saturated zone is formed on the slope surface. The increase of pore water pressure and the softening of pore water reduce the strength of soil. In addition, the increase of saturated weight of slope body leads to the instability and failure of shallow surface layer of slope; ③The continuous infiltration of rainfall and the surface catchment under the "funnel" terrain of the branch gully source rapidly increase the water content in the loose accumulation of the landslide, promote the change of its physical properties, start and move in a flow state under the gravitational potential energy, and transform it into debris flow. The rainfall structure affects the chain process of landslide debris flow. The landslide is caused by early rainfall and the debris flow is formed by later rainfall. The occurrence of landslide and debris flow shows phased characteristics. The research results are helpful to guide the local government to further carry out the disaster prevention and reduction of landslide debris flow chain disasters, and also provide theoretical support for the future regional early warning research in this area.
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Keywords:
- heavy rainfall /
- granite residual soil /
- chain disaster /
- disaster mechanism
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0 引言
曲哇加萨（军功）滑坡位于青海省果洛藏族自治州玛沁县拉加镇，是发育于黄河上游新近系岩层中的巨型老滑坡。滑体前缘长期受黄河强烈侵蚀切割，以及修建公路、坡脚削坡建房等人类工程活动影响，滑体变形迹象明显，历史上曾多次发生局部滑动（图1）。
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图 1 玛沁县拉加镇曲哇加萨滑坡位置图Figure 1. Location map of Quwajiasa landslide in Laga Town, Maqin County1985年7月21日老滑坡体中段发生滑坡。2011年8月12日当地居民在老滑坡体前缘削坡建房引发局部滑动。2013年6月1日、2018年5月2日受降雨影响，老滑坡体局部变形加剧。2019年9月20日老滑坡体上H1、H2、H4滑坡发生滑动，造成国道G227上山路段严重变形，损毁公路400 m，前缘18户居民受灾，51间房屋倒塌。同时，造成老滑坡体中前部，即拉加镇军功路南侧坡体出现变形迹象。2020年3月1日，老滑坡体中前部拉加镇军功路南侧坡体前缘局部变形加剧，威胁住户120户、商铺65户，其中19户139间房屋出现不同程度倾斜、地基下沉、墙体开裂等情况[1-4]。
针对曲哇加萨滑坡复杂的变形破坏特征，程强等 [5]提出：这种特殊的新近系以来沉积的高原红层，成岩时间短，力学强度相对较弱，易发生红层与上覆土体界面的大型滑坡灾害。张永康等 [6]通过现场勘查提出青海高原红层滑坡的具有多区、多级、多层的变形破坏特征，且各滑体滑动速度不同。吴永刚等 [7]通过物理模型试验认为青海高原红层滑坡河谷下切引起的坡体卸荷回弹变形使得浅层滑面位移大于深层滑面位移，雨水浸润引起材料强度软化进一步加剧了变形。殷志强等 [8]指出：黄河上游巨型滑坡主要发育于气候的温暖湿润期和气候变化的快速转型期，具有多期次滑动过程特征。Wang等 [9-13]利用安全系数云图分析法模拟出了茂县梯子槽高位滑坡多层滑面安全系数分布，并据此进行防治结构设计，提出了针对性的小口径组合桩群治理方案。李滨等 [14-19]提出此类特大高位地质灾害易形成泥石流、堵江等灾害链，需加强调查与识别能力、监测预警与风险防范能力以及防灾减灾能力建设。
文章以2019年9月20日19时发生于曲哇加萨老滑坡东北段中前缘 H1滑坡为例，在野外调查、形变数据以及稳定性分析的基础上，研究该滑坡的变形破坏特征，并进一步通过动力学模拟分析滑坡的成灾范围，可为后续的综合防治方案提供科学参考。
1. 研究区地质环境条件
曲哇加萨老滑坡所处位置为黄河强烈下切侵蚀区，河谷形态为峡谷。拉加镇段因黄河呈急剧“S”拐弯形成相对开阔的一小型河谷型盆地，其凸岸发育有黄河Ⅱ、Ⅶ级阶地，阶面地形较为平缓。凹岸坡体和河床直接接触，长期遭受强烈的侵蚀切割，形成高几十米至数百米不等的陡坡、陡崖。滑坡区地形地貌主要为黄河Ⅱ、Ⅶ级阶地组成的河谷平原地貌。黄河Ⅱ级阶地分布于滑坡前缘，现为居民区，黄河Ⅶ级阶地分布于老滑坡后缘。老滑坡西侧坡脚长期受黄河冲刷、侵蚀下切（图1）。
滑坡区北侧发育有拉家压扭性逆断层（F1），该断层位于拉加北山，NE60°方向延展，为逆冲断层，断层破碎带宽度10～30 m。挽近时期的隆拗运动在滑坡区的表现也较明显，其隆拗的长轴方向继承了老构造断裂带的走向，多呈东西向展布。该地区地震活动频繁，地震基本烈度Ⅶ度。
老滑坡整体呈宽簸箕形，坡体发育有3~6级滑移台坎。东、南侧滑坡后壁明显，呈陡坡状，局部为陡崖，高度40～50 m，西侧滑坡边界以深切的塔尔隆沟为界；滑体宽约1900 m，长700～900 m，厚30～100 m，方量约1.67×108 m3，整体坡度约25°，主滑方向307°。滑体后缘高程3225～3340 m，前缘高程3040 m，相对高差185～300 m。老滑坡后缘出露地层上部为“二元结构”黄土状土和卵石，下部为新近系泥岩，泥岩产状NE5°∠25°，组成顺向缓倾坡（图2）。
2. 2019年9月20日滑坡特征
2019年9月20日，曲哇加萨老滑坡东北段中前缘H1、H2、H4滑坡发生滑动，造成路面隆起、损毁公路400 m，18户居民受灾，51间房屋倒塌。H4滑坡滑动后造成原来公路的20根抗滑桩裸露，悬臂5～10 m，出现桩间土坍塌变形，桩后 H3滑坡内也形成多条纵向裂缝。灾害发生后，采取了拆除房屋和回填压脚措施[2]（图3—6）。
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图 3 曲哇加萨滑坡发生前后对比Figure 3. Comparison before and after the occurrence of Quwajiasa landslide由图4—5可以看出，临近公路位置H1、H2滑坡前缘发育多处土体解体，并挤压公路产生多处放射状鼓胀张拉裂缝，裂缝宽度30～60 cm，深度2 m，裂缝走向与滑坡方向平行或呈小角度相交。公路外侧挡墙产生严重的鼓胀变形，裂缝宽度达5 cm。公路下方由于滑坡滑动鼓胀导致地表隆起，造成51间房屋倒塌。滑坡前缘影响范围至公路挡墙和军功路之间。
由图6可以看出，H1滑坡后缘陡坡下错约2.0 m，侧界清晰，滑坡呈现蠕滑特征，表面裂缝遍布。现场后缘可见水体入渗迹象，土体含水量较高。
为避免滑坡进一步变形致灾，灾害发生后，采取了拆除房屋、回填压脚及截排水措施，9天后，该滑坡逐渐趋于稳定状态。
实际上H1、H2、H4历史上曾出现多次变形。2011年8月12日，由于省道S101线（现为国道G227）修建时开挖该区西侧滑体前缘和当地居民削坡建房等工程活动，引发老滑坡前缘部分滑动，使得H1、H2滑坡后缘和右侧缘形成连续的圈椅状陡壁，高2～6 m。滑坡后缘拉张裂缝密集发育。
根据2013年8月—2014年10月地表变形监测数据监测数据分析，监测点的位移量在2014年6月、2014年8月出现两次明显阶跃，最大水平变形累计达到900 mm[1-4]。根据2014年7月—2019年6月时间序列InSAR监测数据，获得滑坡的年平均形变速率超过70 mm，说明曲哇加萨滑坡一直在变形。
从图7可以看出，8月27日—9月22日近1个月累计降雨量为91.5 mm，其中18—20日3日连续降雨量为23.5 mm，占比25.7%。降雨沿着密集发育的裂缝下渗，加速了地下水的渗流作用，进一步降低了岩土体的强度，最终导致北侧滑坡发生滑动。
为更好说明东北段中前缘滑坡发生的相关机理，选择H1滑坡进行具体分析。结合物探、钻探及探井资料， H1滑坡由上至下共发育4层滑面（图8），从上至下分别为滑面1：位于碎石土与粉质黏土交界层前部，深度约5～10 m，饱水，呈泥团状；滑面2：位于碎石土与粉质黏土交界层附近，深度约20～30 m，含水率较高，呈软塑状，局部可见擦痕；滑面3：位于黏土层与粉质黏土交界层处，深度约35～50 m，含水率较高，呈可塑-软塑状，可见擦痕；滑面4：位于基岩与黏土层的交界处，深度约60～80 m，含水率较高，呈硬塑-可塑状。
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图 8 曲哇加萨滑坡典型工程地质剖面（A—A′）Figure 8. Typical engineering geological profile of Quwajiasa landslide (A—A′)选取图8典型剖面进行滑坡稳定性计算，确定降雨对滑坡稳定性的影响程度，根据程柯力等[2]计算结果表明浅层滑面1、滑面2的稳定系数为0.94、1.02，处于不稳定状态和欠稳定状态，易于继续发生变形破坏（图9）。模拟结果很好验证了此次东北段中前缘滑坡主要是由于浅层滑面1蠕滑形成，同时滑面2的滑动可能性也较高，需做相关的动力学预测分析。而深层滑面3、滑面4的稳定系数均为1.35，处于稳定状态，故不需做相关动力学预测分析。
3. 滑坡动力学反演模拟及预测评价
3.1 DAN-W 基本原理
为了分析滑坡剪出后动力学特征和评估成灾范围，采用加拿大Hungr教授开发的DAN-W二维的动力模拟方法进行正演分析。DAN-W是一种基于Windows程序，在连续介质模型基础上将滑体等效为具有流变性质的流体，选用不同的流变模型，通过设定滑坡的滑动路径的参数，从而达到模拟滑坡的运动速度、时间、路程以及堆积体特征效果[20-29]。大量的模拟结果表明摩擦准则和Volleymy准则最能表达滑坡的运动。
摩擦准则是一个单变量的流变准则，其抗剪强度表达式为：
$$ \tau = \sigma \left( {1 - {r_{\rm{u}}}} \right)\tan \varphi $$ (1) 式中：
$\tau $ ——滑坡底部剪应力/Pa；$\sigma $ ——垂直运动方向的总应力/Pa；${r_{\rm{u}}}$ ——孔隙水压力与总正应力之比；$\varphi $ ——摩擦角/（°）。Volleymy准则的抗剪应力表达式为：
$$ \tau=\sigma f+\rho g \frac{v^{2}}{\varepsilon} $$ (2) 式中：f——摩擦系数；
ρ——滑坡的密度/（kg·m−3）；
g——重力加速度/（m·s−2）；
v——滑坡平均速度/（m·s−2）；
ε——湍流系数/（m·s−2）。
该准则中f和ε为两个待定的参数。
3.2 模型建立及反演模拟对比
根据现场调查发现，滑坡主要运动模式是蠕滑，并且前部有公路挡墙和房屋阻挡，并未发生远程滑坡，因此选用摩擦流变模型较为合适。当然，为更好的说明摩擦流变模型的有效性，再选取Volleymy流变模型共同与H1滑坡1号滑面浅层滑动现场调查结果进行对比。采用试参法对摩擦流变模型进行模拟[20]，Volleymy流变模型内摩擦角与摩擦流变模型一致，同时，摩擦系数，湍流系数采取工程类比，从而对已发生滑动的曲哇加萨1号浅层滑面进行运动反演模拟对比分析（表1）。
表 1 模型参数选取Table 1. Model parameters模型 内摩擦角/（°） 摩擦系数 湍流系数/（m·s−1） Frictional 16* - - Vollemy 16 0.20 200 注：*表示饱和状态下，内摩擦角直接快剪试验结果为20.3°。 从图10可以看出，1号滑面浅层滑坡运动后，若按照摩擦流变模型将运动堆积到623 m位置，即挡墙至军功路段国道G227和居民区，暂时不会影响到军功路至黄河段。同时，滑坡体积超过50%基本停留在上部滑面上，其余均匀停留在运动路径上，这与现场调查滑坡堆积特征基本相符。若按照Volleymy流变模型运动堆积到682 m位置，即军功路至黄河段居民区，与现场调查结果不符，大于实际运动距离。同时，滑坡体积主要停留在坡脚位置，也与实际情况不符。
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图 10 1号滑面浅层滑坡运动前后剖面形态对比图Figure 10. Comparation of longitudinal cross-section of No.1 sliding mass before and after sliding3.3 欠稳定状态2号滑面运动预测评价
利用上述反演分析摩擦流变模型的同一套参数（表1）对处于欠稳定状态的2号浅层滑面进行运动预测模拟分析，得出了堆积厚度、范围等运动特征，并与上述1号浅层滑面进行对比（图11）。
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图 11 2号滑面浅层滑坡运动前后剖面形态图Figure 11. Longitudinal cross-section of No.2 sliding mass before and after sliding研究发现：2号滑面浅层滑坡一旦运动后，将运动堆积到673 m位置，即军功路至黄河段居民区。滑坡体均匀停留在运动路径上。模拟结果说明：目前2号滑面浅层滑坡一旦发生滑动，威胁军功路至黄河段居民区及商铺房屋，但不至引起堵塞黄河灾害发生。
4. 结语
（1）曲哇加萨滑坡坡体呈现多区、多级、多层的变形破坏特征，目前变形破坏强烈，尤其是东北段中前缘滑坡近期频繁出现变形破坏。
（2）东北段中前缘滑坡地表监测曲线、形变速率曲线、钻探数据和现场调查表明，降雨沿着密集发育的裂缝下渗，加速了地下水的渗流作用，进一步降低了岩土体的强度，最终导致滑坡发生变形滑动。
（3）以H1滑坡为代表，在降雨稳定性计算基础上进行动力学反演，反演分析发现1号滑面浅层滑坡按照摩擦流变模型运动后，将运动堆积到挡墙至军功路段国道G227和居民区，这与现场调查滑坡堆积特征基本相符，而Volleymy流变模型运动堆积到682 m位置，即军功路至黄河段居民区，与现场调查结果不符，大于实际运动距离。同时，滑坡体积主要停留在坡脚位置，也与实际情况不符。
（4）利用上述反演分析摩擦流变模型的同一套参数对处于欠稳定状态的2号浅层滑面进行运动预测模拟分析，发现2号滑面浅层滑坡运动后，将运动堆积到军功路至黄河段居民区，但不至于引起堵塞黄河灾害发生。
（5）本文的研究内容可为黄河上游该类滑坡运动预测评价方法提供一定参考。
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图 6 支沟滑坡-泥石流链生灾害纵断面特征
Figure 6. Vertical section characteristics of landslide-debris flow chain disaster in branch ditch
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图 8 探槽揭露泥石流堆积物特征
Figure 8. Characteristics of debris flow deposits exposed by exploratory trench
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图 13 不同降雨阶段模型渗流场变化特征
Figure 13. Variation characteristics of model seepage field in different rainfall stages
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图 14 坡体稳定性系数随降雨时间变化趋势
Figure 14. Variation trend of slope stability coefficient with rainfall time
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[1] 刘艳辉, 温铭生, 苏永超, 等. 台风暴雨型地质灾害时空特征及预警效果分析[J]. 水文地质工程地质,2016,43(5):119 − 126. [LIU Yanhui, WEN Mingsheng, SU Yongchao, et al. Characteristics of geo-hazards induced by typhoon rainstorm and evaluation of geo-hazards early warning[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2016,43(5):119 − 126. (in Chinese with English abstract) [2] YANG H J, YANG T Q, ZHANG S J, et al. Rainfall-induced landslides and debris flows in Mengdong Town, Yunnan Province, China[J]. Landslides,2020,17(4):931 − 941. DOI: 10.1007/s10346-019-01336-y
[3] BAI H L, FENG W K, YI X Y, et al. Group-occurring landslides and debris flows caused by the continuous heavy rainfall in June 2019 in Mibei Village, Longchuan County, Guangdong Province, China[J]. Natural Hazards,2021,108(3):3181 − 3201. DOI: 10.1007/s11069-021-04819-1
[4] LIU W P, WAN S F, LUO X Y, et al. Experimental study of suffusion characteristics within granite residual soil controlling inflow velocity[J]. Arabian Journal of Geosciences,2020,13(22):1 − 8.
[5] 刘礼领, 殷坤龙. 暴雨型滑坡降水入渗机理分析[J]. 岩土力学,2008,29(4):1061 − 1066. [LIU Liling, YIN Kunlong. Analysis of rainfall infiltration mechanism of rainstorm landslide[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(4):1061 − 1066. (in Chinese with English abstract) DOI: 10.3969/j.issn.1000-7598.2008.04.039 [6] LIU W P, SONG X Q, HUANG F M, et al. Experimental study on the disintegration of granite residual soil under the combined influence of wetting-drying cycles and acid rain[J]. Geomatics, Natural Hazards and Risk,2019,10(1):1912 − 1927.
[7] 安然, 孔令伟, 黎澄生, 等. 炎热多雨气候下花岗岩残积土的强度衰减与微结构损伤规律[J]. 岩石力学与工程学报,2020,39(9):1902 − 1911. [AN Ran, KONG Lingwei, LI Chengsheng, et al. Strength attenuation and microstructure damage of granite residual soils under hot and rainy weather[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2020,39(9):1902 − 1911. (in Chinese with English abstract) [8] 闫金凯, 黄俊宝, 李海龙, 等. 台风暴雨型浅层滑坡失稳机理研究[J]. 地质力学学报,2020,26(4):481 − 491. [YAN Jinkai, HUANG Junbao, LI Hailong, et al. Study on instability mechanism of shallow landslide caused by typhoon and heavy rain[J]. Journal of Geomechanics,2020,26(4):481 − 491. (in Chinese with English abstract) DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.04.041 [9] 胡华, 吴轩, 张越. 基于模拟试验的强降雨条件下花岗岩残积土斜坡滑塌破坏机理分析[J]. 中国地质灾害与防治学报,2021,32(5):92 − 97. [HU Hua, WU Xuan, ZHANG Yue. Experimental study on slope collapse characteristics of granite residual soil slope under heavy rainfall[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2021,32(5):92 − 97. (in Chinese with English abstract) [10] 龙艳梅, 宋章, 王玉峰, 等. 基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析[J]. 水文地质工程地质,2022,49(1):126 − 136. [LONG Yanmei, SONG Zhang, WANG Yufeng, et al. An analysis of flow-like motion of avalanches based on physical modeling experiments[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2022,49(1):126 − 136. (in Chinese with English abstract) [11] 崔鹏, 郭剑. 沟谷灾害链演化模式与风险防控对策[J]. 工程科学与技术,2021,53(3):5 − 18. [CUI Peng, GUO Jian. Evolution models, risk prevention and control countermeasures of the valley disaster chain[J]. Advanced Engineering Sciences,2021,53(3):5 − 18. (in Chinese with English abstract) [12] 简文彬, 黄聪惠, 罗阳华, 等. 降雨入渗下非饱和坡残积土湿润锋运移试验研究[J]. 岩土力学,2020,41(4):1123 − 1133. [JIAN Wenbin, HUANG Conghui, LUO Yanghua, et al. Experimental study on wetting front migration induced by rainfall infiltration in unsaturated eluvial and residual soil[J]. Rock and Soil Mechanics,2020,41(4):1123 − 1133. (in Chinese with English abstract) [13] 郭智辉, 简文彬, 刘青灵, 等. 基于现场原型试验的斜坡降雨入渗分析及入渗模型研究[J]. 岩土力学,2021,42(6):1635 − 1647. [GUO Zhihui, JIAN Wenbin, LIU Qingling, et al. Rainfall infiltration analysis and infiltration model of slope based on in-situ tests[J]. Rock and Soil Mechanics,2021,42(6):1635 − 1647. (in Chinese with English abstract) [14] 方雪晶, 王浩, 龚匡周, 等. 渗流作用下花岗岩类土质路堑边坡稳定性分析[J]. 福州大学学报(自然科学版),2012,40(4):515 − 520. [FANG Xuejing, WANG Hao, GONG Kuangzhou, et al. Analysis on the granitoid soil cut slopes stability under the action of seepage[J]. Journal of Fuzhou University (Natural Science Edition),2012,40(4):515 − 520. (in Chinese with English abstract) [15] 丁少林. 福建省台风降雨型滑坡渗流场规律及流—固耦合分析[D]. 武汉: 中国地质大学, 2016 DING Shaolin. Seepage characteristics and fluid-solid couple analysis of typhoon precipitation-induced land slide in Fujian Province[D]. Wuhan: China University of Geosciences, 2016. (in Chinese with English abstract)
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期刊类型引用(3)
1. 王溢禧，赵俊彦，朱兴华，于美冬，陈彩虹. 贵德盆地席芨滩巨型滑坡前缘次级滑坡特征及其复活机理分析. 中国地质灾害与防治学报. 2024(06): 1-14 . 
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2. 王文沛，殷跃平，王立朝，沈亚麒，石鹏卿，李瑞冬，何清，陈亮，殷保国. 排水抗滑桩技术研究现状及展望. 水文地质工程地质. 2023(02): 73-83 . 百度学术
3. 陈銮. 浅析滑坡勘查过程中滑动面的确定方法. 江西建材. 2023(06): 168-169+172 . 百度学术
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