降雨条件下堆积体滑坡研究现状分析

2021-11-28王晶莹

科技与创新 2021年8期

王晶莹

降雨条件下堆积体滑坡研究现状分析

王晶莹

（华北水利水电大学，河南郑州 450046）

堆积体在中国广泛分布，其结构松散、力学性质差，遇降雨易发生滑坡等地质灾害，给工程安全和基础设施的使用带来了严重的威胁。滑坡发生频繁且破坏力大，相比土质岩质滑坡，目前对堆积体滑坡的研究不够深入，没有一套完整的理论与方法。从研究方法、影响因素、失稳机理3个方面综述了目前降雨条件下堆积体滑坡的研究进展，分析降雨条件下堆积体滑坡的形成原因及发展过程，并展望其今后的发展趋势。

降雨；堆积体；滑坡；失稳机理

1 引言

中国幅员辽阔，夏季降雨频繁，滑坡发生频率高。而大多数滑坡为堆积体滑坡[1-5]。堆积体是指第四系堆积作用形成的地质体，是基岩、古垮塌体、古崩滑体、现代崩滑体和第四系沉积物等的组合体。其结构松散，力学强度低，强降雨条件下，极易发生滑坡等地质灾害[6-9]。该类滑坡的物质组成和结构复杂多变，其存在会给工程带来极大的危害。

堆积体滑坡在夏季呈现数量多、频率大、灾害严重的特点。由于堆积体的特殊性，对其研究不能参照以往土质滑坡和岩质滑坡的经验和方法，需根据其形成机理和自身特点对已有的方法进行归纳和借鉴。不少学者通过室内模型试验、现场原位试验、数值分析等方法从不同方面对堆积体滑坡进行分析，取得了丰硕的成果[10-13]。但是，目前还没有一套完整的理论能解释堆积体滑坡的演化机理。因此，分析堆积体滑坡失稳的演化机理，对以后的失稳预报具有重要意义。

2 降雨条件下堆积体滑坡研究方法现状分析

2.1 小尺寸模型试验

滑坡模型试验是发展自20世纪初的结构模型试验。目前，由于设备及现场试验条件等限制，很多学者在实验室内根据相似比进行了模型实验研究。模型试验根据所使用的材料分为以下2类[13-14]：①采用现场土样根据相似比进行室内试验，材料虽受到扰动，但土体的力学性质与现场土体相差不大，且容易获得，可信度高。②用石膏、重晶石粉等材料模拟堆积体，虽模拟材料易得，碍于材料配比及材料对人体的影响，使用较少。此方法用于研究一般规律，不同地区的土石混合体抗剪强度、成分等差异较大，材料之间的配置比例不易控制。

模型试验可以清晰直观地揭示滑坡的演化机理，且可以同时考虑多种因素。但模型试验也有一些不足之处，室内模型试验存在的主要问题有：传感器等实验耗材的灵敏度存在误差，降雨条件不易控制、地质条件与现场差别较大、试验结果受模拟材料影响较大。尽管存在一定的不足，但模型试验目前仍是研究堆积体滑坡演化机理的重要手段。

2.2 现场试验和足尺寸模型试验

现场试验也是研究堆积体滑坡演化机理的一种重要方法。现场试验能在材料不受扰动的条件下进行[15-16]，其地质条件、植被情况等影响因素也在试验中体现，能更真实地还原坡体破坏的发展过程。现场还可以测得堆积体的力学参数，对数值模拟参数的标定起到指导意义。但是由于现场条件、试验设备等条件限制，加之试验本身具有危险性，所以，对堆积体进行现场试验的少之又少。由于现场试验场地的限制和其危险性，一些学者为了更深入地研究滑坡的演化机理，转而采用室内足尺滑坡模型试验开展滑坡的研究工作，但同样需要耗费大量的人力、物力，这也限制了足尺滑坡模型试验的发展。

2.3 堆积体数值模拟研究

土石混合体是一种较为复杂的地质体，模型构建比较困难。传统的极限平衡法在工程中应用广泛，但极限平衡法在力学上作了一些简化假设，在计算模型、滑动面确定、滑坡类型等方面受局限较多，尤其是三维滑坡在临界滑动面确定方面开展的研究不多，还不够深入。与有限差分、离散元等数值方法比较，它不能反映岩土体内部的应力-应变本构关系，不能从计算过程上判断滑坡的破坏模式。目前，土石混合体模型的建立，多是运用颗粒流技术（PFC）建立具有棱角的石块，地形地貌等条件根据现场勘查及无人机等技术构建，使建立的模型与实物更为相似[6]。常用的数值模拟方法及其优缺点如表1所示。数值模拟结果受参数影响较大，参数的微小改变可使模拟结果相差较大，如果想得到参数对结果的影响，则需要进行多次试验。数值模拟对计算机的要求较高，而得到的结果与试验得出的结果很难完全一致。

表1 常用的数值模拟方法

方法名称优点缺点有限元法能够对复杂的地型地貌进行计算，能与多种方法相结合不能看到滑坡的破坏过程，对于不连续界面的求解不够理想有限差分法能处理大变形问题，能得出大变形的力学过程对局部的计算有说服力，对于整体的稳定性评价力度不足离散元法能够反映滑坡破坏的演化机理，能很好地处理不连续介质模型建立困难，参数不易标定

3 降雨条件下堆积体滑坡稳定性影响因素分析

影响堆积体滑坡稳定性的因素较多，经过研究人员的一系列试验，主要的因素可分为以下几类。

3.1 地形地貌

滑坡等地质灾害与地形地貌的关系十分密切，不同坡度的滑坡可导致不同规模和类型的滑坡发生。一般来说，灾害点多发生在地形起伏剧烈，反差相对明显的中山区及低山丘陵区向河谷区的过渡地带。从局部地形看，切割强烈，滑坡坡高和坡度较大时，滑坡失稳等灾害相对频繁。坡角较大时容易发生浅层滑坡，坡角较缓时，容易发生深层滑动[17]。

3.2 地质构造

地质构造与堆积体滑坡的形成与发展的关系主要表现在以下2方面：①堆积层滑坡沿断裂破碎往往呈群呈带分布；②各种软弱结构面控制了滑动面的空间展布及滑坡的范围。山地的抬升、河流域的侵蚀等也为滑坡的发生提供了有利条件。

3.3 降雨强度

堆积体滑坡一般在夏季出现。夏季降雨频繁，高强度的降雨能使坡体表面在短时间内积累大量雨水。雨水的入渗作用加大了堆积体的容重，使得堆积体的强度降低，在雨水积累到一定量时，抗剪强度不足以支撑坡体自重，便可引起滑坡。连续降雨条件下，在基覆界面形成了滞水层，滞水层的存在减小上覆层与基岩的摩擦力，严重影响坡体的稳定性。前期降雨也是诱发滑坡的重要因素，如果前期降雨量大，当日较小的降雨量也可导致滑坡发生。

3.4 颗粒级配

含石量的多少影响土石混合体的抗剪强度，含石量越大，其抗剪强度越大[18]；在含石量较小时，石块之间没有接触，其强度主要受土体控制。随含石量的增加石块之间相互接触，抗剪强度由石块和土体共同控制，抗剪强度明显变化[7]。强降雨、高含石量条件下，堆积体表面容易发生细颗粒流失，结构被架空，最终导致失稳。

3.5 坡体土的性质

不同土体对水的敏感程度不同。黄土遇水具有湿陷性。红黏土透水性差，容易形成滞水层，威胁滑坡安全。粗颗粒含量较多的坡体渗透性好。成因不同，地区不同，堆积体的性质差异较大。

4 降雨条件下堆积体滑坡破坏过程分析

4.1 堆积体滑坡破坏模式

强降雨条件下，随降雨时间的延长，雨水的入渗和水土流失导致坡体整体稳定性降低。其破坏分为局部滑动和整体滑动。局部破坏多是沿表面滑动。而整体破坏比较复杂，低含石量时，堆积体的破坏与土体滑坡较为相似，有明显的圆弧滑动面；随着含石量的增加，水土流失较为严重，逐渐演变为沿着坡面呈泥石流状形态。地下水、坡角与变形破坏方式也有很大关系。但是到目前为止，这些研究多是对堆积体表面滑动的研究，而对雨水入渗到基覆界面引起的变形破坏却鲜有见到，且这种沿基覆界面破坏的滑坡具有体量大、破坏性强等特点，尤其是在山区道路两旁。因此，对沿基覆界面滑动的滑坡研究还有待深入。

4.2 堆积体变形破坏的演化机理

降雨条件下堆积体的失稳，最直接的原因是雨水的入渗使得堆积体的抗剪强度降低，当抗剪强度不能满足自身的重力平衡时，就会发生滑坡。局部滑动是由于短时强降雨，雨水来不及下渗而导致的液化。堆积体滑坡的整体失稳有一个发育的过程，降雨条件下，发育的时间大大缩短。堆积体滑坡的失稳一般包括以下3个阶段。

第一阶段：坡脚破坏。在强降雨条件下，雨水入渗坡体，在重力作用下向坡脚汇集，在坡脚处形成一定高度的地下水位。在汇集的同时，雨水的冲刷作用使得坡脚水土流失，坡脚率先达到饱和状态，有效应力降低。

第二阶段：坡体变形。由于坡脚土体的破坏，上部堆积体受到重力的作用向下蠕滑，产生张裂缝。雨水顺着张裂缝和裂隙进入到滑床，降低了滑床的力学强度。随着降雨入渗，坡体软化，使得滑坡的整体稳定性降低。

第三阶段：整体破坏。滑坡在容重增加和遇水软化的双重作用下，由于抗剪强度不足以平衡其沿滑坡方向向下的作用力而整体失稳。

强降雨和连续降雨是常见的引起堆积体滑坡的降雨类型[16]，二者导致滑坡失稳的机理有所区别。前者降雨强度大，短时间内坡体表面聚集大量雨水，坡体受到雨水的冲刷结构被破坏，其稳定性下降，易沿着坡体表面发生滑坡；后者由于降水时间长，雨水有足够的时间入渗，坡体抗剪强度降低，自重增加，导致失稳。连续降雨引起的堆积体滑坡有一定的滞后性。