滑坡運動中滑體變形解體研究綜述

周海清，彭國園，周淑玲

(1.后勤工程學院 a.巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室；b.軍事土木工程系，重慶 401311；2.總參工程兵第四設計研究院，北京 100850)

【基礎理論與應用研究】

滑坡運動中滑體變形解體研究綜述

周海清1a,1b，彭國園1a,1b，周淑玲2

(1.后勤工程學院 a.巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室；b.軍事土木工程系，重慶 401311；2.總參工程兵第四設計研究院，北京 100850)

從滑坡的運動過程出發，對目前國內外滑坡運動全過程及滑體運動變形解體的研究進展進行了綜述，并對滑坡運動過程中滑體變形解體的機制進行了初步探討，指出了滑坡運動變形解體需要進一步深入研究的內容和今后的發展方向。

滑坡運動過程；滑體解體；綜述

我國是一個多山的國家，滑坡災害一直是地質災害類型中很嚴重的災害之一，它常常中斷交通、摧毀廠礦、堵塞河道、掩埋村鎮，給人民的生命財產造成巨大的損失[1]。邊坡只要處于穩定狀態，就不會發生滑坡災害，因此滑(邊)坡的穩定分析是巖土工程中的重要研究課題之一[2]。滑坡是一個動態過程，也是一個集滑動、轉動、張拉等運動方式的復雜運動過程[3]。隨著研究的深入，滑坡運動過程也成為滑坡研究的熱點。一旦滑坡發生，最重要的是估計滑坡的致災范圍及預防滑坡次生災害的發生，因此希望加強對滑坡運動過程的研究，從而到達預測滑體滑速和堆積范圍等。巖土體是一種特殊的材料，其結構關系復雜，從理論上分析滑坡的運動過程常常把滑體看成連續可變的塊體運動[4]。利用運動學原理計算滑體的速度、加速度、運動距離，應該考慮滑體在運動過程中由于內外部因素的作用產生變形、解體、分離等，因為滑體的運動形式復雜，并不是簡單的整體下滑。因此，在對滑坡下滑過程進行模擬分析時應當充分考慮滑體的運動變形破壞解體。由于目前對滑坡運動過程中滑體的破壞模式尚不清楚，使得準確預測滑體的運動仍存在一定難度。當明確滑體運動過程中發生解體破壞的模式和破壞準則時，就可以將滑體的運動過程和破壞過程有機結合，實現對滑坡運動過程的精確分析。

1 滑坡運動物理理論模型研究

滑坡過程是一個運動的過程，研究人員基于運動學理論經過簡化假設建立滑體的運動模型，雖然這些模型多是針對特定的滑坡建立的，其簡化假設條件具有一定的局限性，但對推動理論模型的發展做出了貢獻。

最早的滑坡運動模型為Heim于1932年提出的雪橇模型，該模型假定滑坡運動過程中只受到摩擦力，能量的耗散全部由摩擦引起，該模型雖然忽略了很多其他耗能因素，但其形式簡單，與運動學理論相合。Sassa[5]改進了滑板模型，基于水力學基本原理，把滑坡體假想成流體，推導出滑坡和崩塌運動距離的預測公式。劉忠玉等[6]將滑體的運動形式看成是連續可變的塊體運動，建立了可預測滑坡最大滑速和滑距及模擬滑坡發生后滑體運動全過程的滑坡運動模型。楊海清等[7]通過簡化建立了三維彈簧變形塊模型，定量預測滑體運動的全過程，建立了任意時刻滑體的加速度、速度和位移計算公式，計算出滑體在三維運動過程的最大距離、最大速度及滑動時間等。肖莉麗等[8]基于滑坡氣墊層學說，分析了大型巖質滑坡高速滑動的成因和整體滑動的動態過程，提出了庫岸高速巖質滑坡運動過程的分析模型。吳鐘騰[9]以云南省彝良縣麻窩滑坡為研究對象，以野外現場調查為基礎，對該滑坡工程地質條件、變形破壞特征和形成機理進行了探討，建立了基于運動學和能量守恒的滑坡運動距離的計算模型。廖小平等[10]探討了高速遠程滑坡的形成條件和運動規律，認為滑坡運動是一種連續可變的塊體運動，提出了沖擊性碰撞作用機理和連續可變的塊體運動理論。另外，其他相關學者[11-13]也提出了滑體運動的理論模型，用于計算滑體的滑速、滑距等。

上述學者針對特定滑坡通過合理簡化假設等建立了基于滑坡運動學的理論模型，對滑坡致災范圍和致災強度的預測有重要的意義，但建立的模型都基于運動學或能量守恒理論，假定土為連續可變性材料，忽略了土的非連續大變形性質，這也是目前理論研究常常不能很好地應用于工程實際的原因，對此研究人員常常將單純理論模型的推導與數值模擬、模型試驗結合起來建立符合實際的滑坡動力學模型。

2 滑坡運動全過程的模擬

通過理論建立的滑坡運動模型由于不能夠完全反映實際情況，將其推廣到工程應用還存在一定的難度。為了探究滑體在運動過程中的一般規律，需要再現滑坡運動全過程，但實地滑坡發生由于時間、地點等不確定因素使得通過現場原位觀測滑坡的運動過程存在難度，而數值模擬和模型試驗卻可以對滑坡運動的全過程進行模擬。

數值模擬及仿真方面，Hung[14]開發了模擬滑坡運動的分析軟件DAN，并對一些典型的滑坡進行了全過程模擬。趙川等[15]利用離散元理論模擬滑坡運動過程，模擬了不同時刻滑體的速度分布。鐘登華等[16]運用三維極限平衡法分析了滑坡失穩的誘發機制，提出了庫岸滑坡運動過程的數值模擬計算和可視化動態模擬分析流程，實現了滑坡運動全過程的統一和三維可視化動態表達。王宇等[17]運用基于離散元法的顆粒流(PFC)程序，引入平行粘結模型，通過模擬，確定了滑帶土細觀參數與宏觀力學性質的關系，據此建立滑坡模型，運用顆粒流離散元法對滑坡運動漸進破壞全過程進行數值模擬。張龍等[18]利用三維顆粒流軟件PFC3D對重慶武隆雞尾山巖質滑坡進行全過程模擬，研究表明：雞尾山高速遠程滑坡滑源區的巖體首先發生破碎化，然后碎屑物在斜坡上經加速運動進一步解體，最終形成碎屑流。殷坤龍等[3]應用非連續變形分析方法對長江三峽庫區新灘滑坡的運動全過程進行了數值模擬研究，很好地再現了新灘滑坡發生的整個動態過程。譚冬生等[19]應用 Open GL 軟件開發出滑坡三維可視化軟件，實現滑坡模型的建立、滑坡數據管理、穩定性計算、三維動態模擬，解決滑坡預測預報及動態仿真模擬問題。吳德彬等[20]利用三維建模軟件Multigen Creator建立滑坡體仿真模型，提取正常情況和連續降雨情況下的監測數據，利用三維虛擬仿真軟件Vega分別模擬了這兩種情況下整個滑坡體的動態滑動過程。另外，許多學者[21-23]利用數值模擬對滑坡運動進行模擬，取得了不少成果。

模型試驗模擬滑坡運動過程方面，劉涌江等[24]采用模型試驗，以塑料塊模擬巖體運動過程中的相互碰撞、破碎的過程，得到了不同速度段巖體體積的分布規律。郝明輝等[25]利用自行設計的滑槽模型試驗裝置開展室內物理模型試驗對滑坡破壞解體后形成的碎屑流的顆粒運動情況進行了研究。季憲軍等[26]通過開展室內物理模型試驗，再現了黏性碎屑物質坡面運動過程及運動過程中的滑體不連續變形現象。在模型試驗模擬滑坡運動過程中的相關問題方面很多學者也做了相關研究[27-28]。

數值模擬與模型試驗是巖土工程研究中常用的技術手段，在模擬滑坡運動方面更是發揮了重要作用，但數值模擬的成敗取決于模型參數的選取和邊界條件的確定，而模型試驗相似材料的選取、相似比的確定是整個模型是否能正確反映原型的關鍵。

上述學者對滑坡運動全過程的模擬，采用了先進的數值模擬和較為可靠的模型試驗方法，對推進滑坡運動過程的研究起到了重要作用，但還存在一定的問題。數值計算是基于一定的理論模型，目前的離散元模型很適合模擬土體大變形的問題，但土體的破壞準則在離散元理論中的實現很難做到與實際情況相符。

3 滑體運動變形解體機制研究

滑坡運動過程中滑體在內外部因素作用下，會發生不同程度的變形和解體。滑體解體這一現象在滑坡中很常見，只要是滑坡就會發生解體，只是解體程度大小不同，目前關于滑坡運動過程中的解體現象缺乏系統全面的研究，大多運用地質力學原理進行簡單的宏觀分析，并沒有對解體程度、影響因素、影響規律進行深入探討。

胡廣韜[29]指出滑坡的后緣受拉而形成與滑坡運動方向大體垂直的張裂縫，滑坡體前緣由于受擠壓產生方向接近于滑動方向的壓縮裂縫。因此，在前后擠壓帶與拉張帶之間的坡體上，常形成多級滑坡臺地使滑體沿橫向解體；在滑坡體的兩側及底部，由于滑動面的抗滑阻力，常形成許多羽狀剪切裂縫。由于沿滑動方向各部分的阻力和滑速不同也可使滑體產生縱向解體。這是關于滑坡解體的較早描述，可認為是宏觀上的解體，表現為滑體主體被分解成多個宏觀尺寸較大且相對完整的次級部分滑體。陳自生[30]指出多數巖質滑坡和土質滑坡在高位剪出時能轉化為碎屑流動，其轉化的關鍵是滑體要經過充分的解體，即滑體要由整體向碎屑乃至更細小的物質轉化。陳曉清[31]指出滑坡在轉化為泥石流的過程中首先發生滑體解體，這是滑體整體向最小尺寸碎屑轉化的過程，實質上是由于滑體非連續變形引起的各種形式的解體。謝洪等[32]在研究標水巖溝滑坡型泥石流時指出，動力條件是形成泥石流必不可少的條件，充足的動力能使巖土體具有較高的能量，巖土體在高速過程中運動狀態改變時容易產生解體。朱云波等[33]認為滑體在滑出后碎屑化沿途主要經歷了鏟刮、碰撞、剝離解體等過程，這些都是滑坡體解體的重要原因。吳越等[34]利用模型試驗研究滑體下滑過程中沖擊受災體的能耗規律時，發現考慮滑體內部耗能的結果要合理得多。內部耗能包括滑體崩解耗能。另外，相關文獻[35-36]也提到了滑體運動解體現象。

滑體運動過程中解體對滑坡的運動狀態有很大的影響，會影響滑體的速度、運動距離等，解體后的物質在運動過程中可能會轉化成泥石流、碎屑流等滑坡次生災害，因此摸清滑坡解體的規律，能夠提高預測滑坡致災范圍的準確性。

4 展望

滑坡的運動過程分析一直是滑坡研究的難點，這是由于滑坡土各種各樣，滑坡發生地條件多種多樣，這使得不同滑坡在運動過程中表現出不同的特性。通過分析和實地調查發現，使得滑體運動表現不同的原因有內部因素和外部因素。內部因素就是滑體本身的性質，主要有：土的種類、粒徑大小、應力狀態等；外部因素主要是場地條件相關的因素，如滑動面的情況、滑動路徑等。

由前述可知：滑體的解體對滑坡的運動狀態、致災范圍及程度的預測、滑坡次生災害的引發有影響。而目前相關研究很少，因此希望加強對滑體解體的基礎性研究，為此類災害的預報及針對性的治理提供依據。滑體運動解體在動力學上可解釋為：滑體運動過程中由于組成滑體的各部分形成了速度差異而使滑體產生了相應的“解體力”，當這些部分之間的強度不足以抵抗“解體力”時，整體就會分解成若干部分。解體在滑體運動過程中一直發生，直至運動停止。不同運動階段滑體解體的程度不同。通過前期的研究可確定今后研究滑體解體的內容及可行的方法。

在研究內容方面，滑坡的解體是在滑體運動過程中發生的，而之前相關的研究多沒有考慮此現象。因此，在研究滑坡運動過程時可以將滑坡的解體現象考慮進去，這樣在模擬滑坡過程時可以對滑坡的解體狀態進行研究。通過改變內外部因素對解體的規律進行探討，得出不同條件下滑體解體的規律，為預測滑體是否會發生解體及預測解體的方式提供依據。同時，通過對比不同的影響因素，研究多因素耦合下的滑坡解體規律，確定影響滑體解體的主要因素。在研究方法方面，隨著計算機技術的發展，數值模擬在巖土工程研究中發揮越來越重要的作用，以PFC顆粒流為代表的離散元數值模擬軟件能夠很好的模擬土大變形、運動中不連續可分離的特點，此可以利用此數值模擬軟件PFC對滑坡的運動全過程進行模擬，通過改變邊界條件、滑體材料的性質等對滑坡的運動規律進行研究。物理模型試驗也是研究滑坡問題的重要手段，通過模型試驗既可以對滑坡的原型進行模擬，也可以根據需要調整至自己想要的條件進行模擬。對比數值模擬和模型試驗兩種方法可以對滑體運動解體問題進行綜合對比分析，得到合理的滑體運動解體因素及規律。

5 小結

對滑體的運動全過程及滑體運動解體的研究現狀進行了綜述并對滑體解體的研究方向及可行的研究手段進行了展望。滑體解體現象很常見但缺乏研究者的關注，系統化的研究成果很少，在滑體運動解體對滑坡的運動過程的影響及滑坡災害的預測及防治方面需要研究的問題還很多。

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(責任編輯 唐定國)

The Review of the Deformation and Disintegration During the Land-slide Process

ZHOU Hai-qing1a,1b,PENG Guo-yuan1a,1b，ZHOU Shu-ling2

(1.a.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection;b.Department of Civil Engineering, Logistical Engineering of University, Chongqing 401311, China;2.Beijing CanBao Institude of Architectural Design, Beijing 100085, China)

This paper summarizes the research process which is focus on the whole landslide process,the deformation and the disintegration.Besides,the paper also made preliminary discussion about the mechanism of the disintegration.The summarization points out new direction and new analysis points for further research about the deformation and disintegration in the landslide process.

landslide process；disintegration in landslide；review

2016-09-17；

2016-10-22

國家自然科學基金資助項目(41272356)

周海清(1971—)，男，博士，教授，主要從事防災減災工程研究。

10.11809/scbgxb2017.02.040

周海清，彭國園，周淑玲.滑坡運動中滑體變形解體研究綜述[J].兵器裝備工程學報，2017(2):182-185.

format:ZHOU Hai-qing,PENG Guo-yuan,ZHOU Shu-ling.The Review of the Deformation and Disintegration During the Land-slide Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):182-185.

TU45

A

2096-2304(2017)02-0182-04