降雨條件下堆積體滑坡研究現(xiàn)狀分析

王晶瑩

降雨條件下堆積體滑坡研究現(xiàn)狀分析

王晶瑩

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

堆積體在中國(guó)廣泛分布，其結(jié)構(gòu)松散、力學(xué)性質(zhì)差，遇降雨易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給工程安全和基礎(chǔ)設(shè)施的使用帶來了嚴(yán)重的威脅。滑坡發(fā)生頻繁且破壞力大，相比土質(zhì)巖質(zhì)滑坡，目前對(duì)堆積體滑坡的研究不夠深入，沒有一套完整的理論與方法。從研究方法、影響因素、失穩(wěn)機(jī)理3個(gè)方面綜述了目前降雨條件下堆積體滑坡的研究進(jìn)展，分析降雨條件下堆積體滑坡的形成原因及發(fā)展過程，并展望其今后的發(fā)展趨勢(shì)。

降雨；堆積體；滑坡；失穩(wěn)機(jī)理

1 引言

中國(guó)幅員遼闊，夏季降雨頻繁，滑坡發(fā)生頻率高。而大多數(shù)滑坡為堆積體滑坡[1-5]。堆積體是指第四系堆積作用形成的地質(zhì)體，是基巖、古垮塌體、古崩滑體、現(xiàn)代崩滑體和第四系沉積物等的組合體。其結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)強(qiáng)度低，強(qiáng)降雨條件下，極易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[6-9]。該類滑坡的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，其存在會(huì)給工程帶來極大的危害。

堆積體滑坡在夏季呈現(xiàn)數(shù)量多、頻率大、災(zāi)害嚴(yán)重的特點(diǎn)。由于堆積體的特殊性，對(duì)其研究不能參照以往土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡的經(jīng)驗(yàn)和方法，需根據(jù)其形成機(jī)理和自身特點(diǎn)對(duì)已有的方法進(jìn)行歸納和借鑒。不少學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、數(shù)值分析等方法從不同方面對(duì)堆積體滑坡進(jìn)行分析，取得了豐碩的成果[10-13]。但是，目前還沒有一套完整的理論能解釋堆積體滑坡的演化機(jī)理。因此，分析堆積體滑坡失穩(wěn)的演化機(jī)理，對(duì)以后的失穩(wěn)預(yù)報(bào)具有重要意義。

2 降雨條件下堆積體滑坡研究方法現(xiàn)狀分析

2.1 小尺寸模型試驗(yàn)

滑坡模型試驗(yàn)是發(fā)展自20世紀(jì)初的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)。目前，由于設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件等限制，很多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)相似比進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)根據(jù)所使用的材料分為以下2類[13-14]：①采用現(xiàn)場(chǎng)土樣根據(jù)相似比進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，材料雖受到擾動(dòng)，但土體的力學(xué)性質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)土體相差不大，且容易獲得，可信度高。②用石膏、重晶石粉等材料模擬堆積體，雖模擬材料易得，礙于材料配比及材料對(duì)人體的影響，使用較少。此方法用于研究一般規(guī)律，不同地區(qū)的土石混合體抗剪強(qiáng)度、成分等差異較大，材料之間的配置比例不易控制。

模型試驗(yàn)可以清晰直觀地揭示滑坡的演化機(jī)理，且可以同時(shí)考慮多種因素。但模型試驗(yàn)也有一些不足之處，室內(nèi)模型試驗(yàn)存在的主要問題有：傳感器等實(shí)驗(yàn)耗材的靈敏度存在誤差，降雨條件不易控制、地質(zhì)條件與現(xiàn)場(chǎng)差別較大、試驗(yàn)結(jié)果受模擬材料影響較大。盡管存在一定的不足，但模型試驗(yàn)?zāi)壳叭允茄芯慷逊e體滑坡演化機(jī)理的重要手段。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和足尺寸模型試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也是研究堆積體滑坡演化機(jī)理的一種重要方法。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)茉诓牧喜皇軘_動(dòng)的條件下進(jìn)行[15-16]，其地質(zhì)條件、植被情況等影響因素也在試驗(yàn)中體現(xiàn)，能更真實(shí)地還原坡體破壞的發(fā)展過程。現(xiàn)場(chǎng)還可以測(cè)得堆積體的力學(xué)參數(shù)，對(duì)數(shù)值模擬參數(shù)的標(biāo)定起到指導(dǎo)意義。但是由于現(xiàn)場(chǎng)條件、試驗(yàn)設(shè)備等條件限制，加之試驗(yàn)本身具有危險(xiǎn)性，所以，對(duì)堆積體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的少之又少。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地的限制和其危險(xiǎn)性，一些學(xué)者為了更深入地研究滑坡的演化機(jī)理，轉(zhuǎn)而采用室內(nèi)足尺滑坡模型試驗(yàn)開展滑坡的研究工作，但同樣需要耗費(fèi)大量的人力、物力，這也限制了足尺滑坡模型試驗(yàn)的發(fā)展。

2.3 堆積體數(shù)值模擬研究

土石混合體是一種較為復(fù)雜的地質(zhì)體，模型構(gòu)建比較困難。傳統(tǒng)的極限平衡法在工程中應(yīng)用廣泛，但極限平衡法在力學(xué)上作了一些簡(jiǎn)化假設(shè)，在計(jì)算模型、滑動(dòng)面確定、滑坡類型等方面受局限較多，尤其是三維滑坡在臨界滑動(dòng)面確定方面開展的研究不多，還不夠深入。與有限差分、離散元等數(shù)值方法比較，它不能反映巖土體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，不能從計(jì)算過程上判斷滑坡的破壞模式。目前，土石混合體模型的建立，多是運(yùn)用顆粒流技術(shù)（PFC）建立具有棱角的石塊，地形地貌等條件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查及無人機(jī)等技術(shù)構(gòu)建，使建立的模型與實(shí)物更為相似[6]。常用的數(shù)值模擬方法及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。數(shù)值模擬結(jié)果受參數(shù)影響較大，參數(shù)的微小改變可使模擬結(jié)果相差較大，如果想得到參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，則需要進(jìn)行多次試驗(yàn)。數(shù)值模擬對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高，而得到的結(jié)果與試驗(yàn)得出的結(jié)果很難完全一致。

表1 常用的數(shù)值模擬方法

方法名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 有限元法能夠?qū)?fù)雜的地型地貌進(jìn)行計(jì)算，能與多種方法相結(jié)合不能看到滑坡的破壞過程，對(duì)于不連續(xù)界面的求解不夠理想 有限差分法能處理大變形問題，能得出大變形的力學(xué)過程對(duì)局部的計(jì)算有說服力，對(duì)于整體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)力度不足 離散元法能夠反映滑坡破壞的演化機(jī)理，能很好地處理不連續(xù)介質(zhì)模型建立困難，參數(shù)不易標(biāo)定

3 降雨條件下堆積體滑坡穩(wěn)定性影響因素分析

影響堆積體滑坡穩(wěn)定性的因素較多，經(jīng)過研究人員的一系列試驗(yàn)，主要的因素可分為以下幾類。

3.1 地形地貌

滑坡等地質(zhì)災(zāi)害與地形地貌的關(guān)系十分密切，不同坡度的滑坡可導(dǎo)致不同規(guī)模和類型的滑坡發(fā)生。一般來說，災(zāi)害點(diǎn)多發(fā)生在地形起伏劇烈，反差相對(duì)明顯的中山區(qū)及低山丘陵區(qū)向河谷區(qū)的過渡地帶。從局部地形看，切割強(qiáng)烈，滑坡坡高和坡度較大時(shí)，滑坡失穩(wěn)等災(zāi)害相對(duì)頻繁。坡角較大時(shí)容易發(fā)生淺層滑坡，坡角較緩時(shí)，容易發(fā)生深層滑動(dòng)[17]。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造與堆積體滑坡的形成與發(fā)展的關(guān)系主要表現(xiàn)在以下2方面：①堆積層滑坡沿?cái)嗔哑扑橥嗜撼蕩Х植迹虎诟鞣N軟弱結(jié)構(gòu)面控制了滑動(dòng)面的空間展布及滑坡的范圍。山地的抬升、河流域的侵蝕等也為滑坡的發(fā)生提供了有利條件。

3.3 降雨強(qiáng)度

堆積體滑坡一般在夏季出現(xiàn)。夏季降雨頻繁，高強(qiáng)度的降雨能使坡體表面在短時(shí)間內(nèi)積累大量雨水。雨水的入滲作用加大了堆積體的容重，使得堆積體的強(qiáng)度降低，在雨水積累到一定量時(shí)，抗剪強(qiáng)度不足以支撐坡體自重，便可引起滑坡。連續(xù)降雨條件下，在基覆界面形成了滯水層，滯水層的存在減小上覆層與基巖的摩擦力，嚴(yán)重影響坡體的穩(wěn)定性。前期降雨也是誘發(fā)滑坡的重要因素，如果前期降雨量大，當(dāng)日較小的降雨量也可導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

3.4 顆粒級(jí)配

含石量的多少影響土石混合體的抗剪強(qiáng)度，含石量越大，其抗剪強(qiáng)度越大[18]；在含石量較小時(shí)，石塊之間沒有接觸，其強(qiáng)度主要受土體控制。隨含石量的增加石塊之間相互接觸，抗剪強(qiáng)度由石塊和土體共同控制，抗剪強(qiáng)度明顯變化[7]。強(qiáng)降雨、高含石量條件下，堆積體表面容易發(fā)生細(xì)顆粒流失，結(jié)構(gòu)被架空，最終導(dǎo)致失穩(wěn)。

3.5 坡體土的性質(zhì)

不同土體對(duì)水的敏感程度不同。黃土遇水具有濕陷性。紅黏土透水性差，容易形成滯水層，威脅滑坡安全。粗顆粒含量較多的坡體滲透性好。成因不同，地區(qū)不同，堆積體的性質(zhì)差異較大。

4 降雨條件下堆積體滑坡破壞過程分析

4.1 堆積體滑坡破壞模式

強(qiáng)降雨條件下，隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，雨水的入滲和水土流失導(dǎo)致坡體整體穩(wěn)定性降低。其破壞分為局部滑動(dòng)和整體滑動(dòng)。局部破壞多是沿表面滑動(dòng)。而整體破壞比較復(fù)雜，低含石量時(shí)，堆積體的破壞與土體滑坡較為相似，有明顯的圓弧滑動(dòng)面；隨著含石量的增加，水土流失較為嚴(yán)重，逐漸演變?yōu)檠刂旅娉誓嗍鳡钚螒B(tài)。地下水、坡角與變形破壞方式也有很大關(guān)系。但是到目前為止，這些研究多是對(duì)堆積體表面滑動(dòng)的研究，而對(duì)雨水入滲到基覆界面引起的變形破壞卻鮮有見到，且這種沿基覆界面破壞的滑坡具有體量大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是在山區(qū)道路兩旁。因此，對(duì)沿基覆界面滑動(dòng)的滑坡研究還有待深入。

4.2 堆積體變形破壞的演化機(jī)理

降雨條件下堆積體的失穩(wěn)，最直接的原因是雨水的入滲使得堆積體的抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)抗剪強(qiáng)度不能滿足自身的重力平衡時(shí)，就會(huì)發(fā)生滑坡。局部滑動(dòng)是由于短時(shí)強(qiáng)降雨，雨水來不及下滲而導(dǎo)致的液化。堆積體滑坡的整體失穩(wěn)有一個(gè)發(fā)育的過程，降雨條件下，發(fā)育的時(shí)間大大縮短。堆積體滑坡的失穩(wěn)一般包括以下3個(gè)階段。

第一階段：坡腳破壞。在強(qiáng)降雨條件下，雨水入滲坡體，在重力作用下向坡腳匯集，在坡腳處形成一定高度的地下水位。在匯集的同時(shí)，雨水的沖刷作用使得坡腳水土流失，坡腳率先達(dá)到飽和狀態(tài)，有效應(yīng)力降低。

第二階段：坡體變形。由于坡腳土體的破壞，上部堆積體受到重力的作用向下蠕滑，產(chǎn)生張裂縫。雨水順著張裂縫和裂隙進(jìn)入到滑床，降低了滑床的力學(xué)強(qiáng)度。隨著降雨入滲，坡體軟化，使得滑坡的整體穩(wěn)定性降低。

第三階段：整體破壞。滑坡在容重增加和遇水軟化的雙重作用下，由于抗剪強(qiáng)度不足以平衡其沿滑坡方向向下的作用力而整體失穩(wěn)。

強(qiáng)降雨和連續(xù)降雨是常見的引起堆積體滑坡的降雨類型[16]，二者導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)的機(jī)理有所區(qū)別。前者降雨強(qiáng)度大，短時(shí)間內(nèi)坡體表面聚集大量雨水，坡體受到雨水的沖刷結(jié)構(gòu)被破壞，其穩(wěn)定性下降，易沿著坡體表面發(fā)生滑坡；后者由于降水時(shí)間長(zhǎng)，雨水有足夠的時(shí)間入滲，坡體抗剪強(qiáng)度降低，自重增加，導(dǎo)致失穩(wěn)。連續(xù)降雨引起的堆積體滑坡有一定的滯后性。

5 總結(jié)與展望

堆積體滑坡成因復(fù)雜，不同地區(qū)差異較大。影響堆積體滑坡穩(wěn)定性的因素較多，主要的研究有模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。堆積體滑坡在降雨條件下的啟動(dòng)機(jī)制和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)仍是尚未解決的難題。數(shù)值模擬對(duì)試驗(yàn)有指導(dǎo)作用，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，綜合運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等方法開展交叉學(xué)科研究，是推動(dòng)該領(lǐng)域研究進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。

［1］左自波，張璐璐，王建華.降雨觸發(fā)不同級(jí)配堆積體滑坡模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（7）：1319-1327.

［2］田海，孔令偉，李波.降雨條件下松散堆積體滑坡穩(wěn)定性離心模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2015，36（11）：3180-3186.

［3］周中，傅鶴林，劉寶琛，等.土石混合體滑坡人工降雨模擬試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28（7）：1391-1396.

［4］王樂華，尹思杰，許曉亮，等.降雨作用下堆積體岸坡變形破壞模式模型試驗(yàn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（32）：77-82.

［5］許建聰，尚岳全，陳侃福，等.強(qiáng)降雨作用下的淺層滑坡穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（18）：3246-3251.

［6］李冬冬.文家溝滑坡碎屑流動(dòng)力特性分析［D］.鄭州：華北水利水電大學(xué)，2016.

［7］李曉，廖秋林，赫建明，等.土石混合體力學(xué)特性的原位試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（12）：2377-2384.

［8］黃潤(rùn)秋.20世紀(jì)以來中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（3）：433-454.

［9］泮曉華，薛雷，秦四清，等.潛在鎖固型滑坡的類型、形成條件和預(yù)判方法研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，22（6）：1159-1167.

［10］常金源，包含，伍法權(quán)，等.降雨條件下淺層滑坡穩(wěn)定性探討［J］.巖土力學(xué)，2015，36（4）：995-1001.

［11］賀可強(qiáng).復(fù)雜堆積層滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分析與展望［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（1）：1-9.

［12］徐文杰，胡瑞林，譚儒蛟，等.虎跳峽龍?bào)从野锻潦旌象w野外試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（6）：1270-1277.

［13］韓培鋒，樊曉一，田述軍，等.降雨強(qiáng)度與含石量對(duì)松散堆積體失穩(wěn)影響研究［J］.工程科學(xué)與技術(shù)，2019，51（1）：112-120.

［14］于偉.秦巴山區(qū)土石混合體力學(xué)性能及滑坡穩(wěn)定性研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2016.

［15］肖俊.柞水縣降雨誘發(fā)堆積層滑坡演化過程模型試驗(yàn)研究——以柴莊鎮(zhèn)鳳柴公路滑坡為例［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

［16］吳偉.山陽縣降雨誘發(fā)堆積層滑坡形成演化機(jī)理研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

［17］王自高.西南地區(qū)深切河谷大型堆積體工程地質(zhì)研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2015.

［18］楊繼紅，董金玉，黃志全，等.不同含石量條件下堆積體抗剪強(qiáng)度特性的大型直剪試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2016，38（Suppl 2）：161-166.

TU43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.033

2095－6835（2021）08－0089－03

王晶瑩（1995—），女，河南安陽人，碩士研究生，從事水利水電巖土力學(xué)與地質(zhì)工程方面的研究。

〔編輯：張思楠〕