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雅安峡口滑坡力学分析及灾害模式预测
资讯类型:行业新闻 加入时间:2009年8月3日10:23
 
雅安峡口滑坡力学分析及灾害模式预测
    赵 宇
   (中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所 成都 610041)
   摘 要 根据峡口滑坡之坡体结构、剖面形态分析其受力状态及成灾模式。由于其粘土质斜坡结构及峡谷地貌,雅安峡口滑坡滑程、滑速有限,滑动方式为滑动、停止、冲刷、滑动。
   关键词 雅安 滑坡 力学分析 灾害预测
   中图分类号 P642.22 文献标识码:A
   滑坡的滑速、滑距,以及运动规模是造成灾害的决定因素。滑动的距离和速度直接受控于滑动斜坡的坡体结构及由此决定的坡体受力状态和发展过程。不同的斜坡结构、不同类型的滑坡或其所处发展阶段不同,又有不同的受力状态,也就表现出不同的变形运动过程,从而孕育出不同的成灾模式。
   1 峡口滑坡坡体结构、形态特征及受力状态
   1.1 结 构
   峡口滑坡是软硬相间顺坡向层状结构斜坡,其下部是软硬相间的长石石英细砂岩及泥岩,上部为软弱易风化的泥岩及粉砂岩。滑体主要为粘土夹块石,岩层破碎、差异风化,软弱地层容易形成破坏带。这类主要为粘土岩组成且经过多次(古、老滑坡、现在蠕变体)滑动的老滑体,往往能变为连续的塑性体,产生塑性滑动。当然,在刚形成时它不是塑性的,只有产生于这类倾伏状粘土岩中的滑坡发育到最后阶段才成为塑性滑坡。
   1.2 地貌特征
   峡口滑坡体位于深丘低山区,滑坡上、下游均为峡谷地貌。滑动地段陇西河右岸为悬崖峭壁,左岸由于古、老滑坡夷平作用,为较平缓的古滑坡地形。从断面形态看,这是典型的支撑斜坡,其应力状态近似于矩形坡(图1)。坡麓被对面斜坡支撑[1]。
   由于对面陡坡的支撑作用,斜坡最大剪应力最大值分布在河谷中部一定深度范围内,而不在斜坡中部。
   因此,滑坡发生时,滑体极可能从河床中而不是从坡脚剪出。1978年因河床中采石放炮的震动、减载效应促使斜坡坡脚变形、崩塌,至1981年暴雨诱发滑坡并从河床以下剪出即是对上述推断的最好证明。同时也证明峡口斜坡应力状态分布服从均质各向同性连续介质斜坡应力分布规律,即当E(弹模)、ζ(侧压力系数)、γ(容重)为常数时,应力分配的特征即应力的方向和相对值,仅取决于斜坡与毗邻地段的几何形状,而应力的绝对值则决定于坡地高度H和容重γ。
   
    1.3 剖面形态及受力状态
   峡口滑坡剖面形态呈凹凸型,即上部为凹型,下部为凸型,这是典型的易滑斜坡剖面形态。这种斜坡的易滑性可从其受力状态加以解释。一般斜坡大致可视作平面应变情况考虑,因此中主应变
   
   土坡的应力分布如图2[3]。在这种情况下,上部凹形坡剪应力较直线坡小,在坡脚无应力突跃(图3)。沿斜坡走向方向的水平应力σ2由于挤压有增高的趋势,根据中间主应力效应增加σ2,岩石强度将有增大的规律[2],凹形坡稳定性将较直线坡为大;而下部凸坡剪应力在坡脚处较直线坡有一个突跃(图3)。同时,凸坡沿斜坡走向方向水平压应力σ2减弱,甚至出现拉应力,根据中间主应力效应,即减小中间主应力σ2会削弱岩石强度。即一定应力状态下,单独改变中间主应力可以引起岩石破坏的规律确知[4]:对于峡口滑坡这类具凹凸型剖面形态的斜坡,破坏将从斜坡下部凸坡,强度下降,剪应力突跃处首先开始,然后上部凹坡由于失去支撑而破坏,最终牵引整个斜坡滑动。这种破坏方式是与1981年老滑坡滑动模式相吻合的。
   
   2 峡口滑坡滑面特征及不同发育阶段受力状态分析
   滑坡从变形到滑动,要经历一系列的发育阶段,其中每一个阶段都是一个变形过程,或长或短,它取决于斜坡的结构、岩性、触发因素和地形特征等。滑动面的形状,特别是主滑段滑动面的形状在很大程度上决定着滑坡的受力状态和运动特征。据钻探资料揭露,峡口滑坡滑面应是折线滑面,且上陡下缓逐渐变化(图4)。
   2.1 弹性变形阶段
   组成斜坡的岩土体处于弹性状态,变形很快消失的阶段。此时斜坡各点的剪应力比极限抗剪强度(或蠕变起点)τ0小,这种弹性应力状态下的变形具有衰减的性质。此时,斜坡的应力状况是没有变化的,因此也没有变形。在稳定系数较大时,剪应力每一次的增加(洪水冲刷)就会发生与之相应的变形,变形与剪应力的增值大致成比例(弹性)。
   这时变形不大,且具有扭曲的性质(图5a)。并在冲刷后迅速停息。在滑坡发育的这个阶段,斜坡上只有一个应力状态带,即弹性带,并且只有一个变形带,即快速衰减带。
   
   2.2 弹-塑性阶段
   斜坡应力状态复杂(部分呈弹性、部分呈塑性)的情况下变形消失阶段。随着剪应力的增大(冲刷加剧、降雨),斜坡上应力分布较大的地方剪应力开始达到极限抗剪强度τ0,应力状态由弹性状态转为塑性状态。但是,这些应力区暂时还是封闭的,也不致发生蠕变。在此阶段,斜坡上只有一个变形带———存在两种变形状态,即弹性变形和塑性变形的快速衰减带。
   不管剪切变形是如何的小,斜坡上部总要引起张力。或者这个阶段随着总剪切变形的增加已开始沿着未来滑面的方向产生一些张裂隙。此外,这个阶段也可能要破坏应力增长与变形增长之间的比例关系(图5b)。
   2.3 蠕动挤压阶段(包括各种蠕变衰减的、恒定的和发展的诸多阶段)
   由于峡口滑坡下部侧向支撑的削弱(冲刷)和后缘渠道季节性放水及雨水下渗导致地下水增多,斜坡自重增加引起剪应力的增加,粘土坡体内原来塑性区连成一个连续带伸出地表。在这个带内进行缓慢的蠕动变形,并将处于弹性状态的上覆坡体卷入。在斜坡上部由于剪应力的不足,大致在深度
   
   2.4 滑动阶段
   据B.Ter-Stepanian(1957,1966,1974,1985)提出适用于粘性土自然斜坡的深部蠕变学说,大多数滑坡滑动之前,土体首先发生蠕变,蠕变速率取决于剪应力强度和土的地质特征。在重力渗透压力等引起的剪应力作用下,边坡土产生全部的、部分可恢复的、向下和向外逐渐增大的变形,这个变形使得土的抗剪强度在高于土的临界抗剪强度和低于土的极限抗剪强度之间变化[5]。当土的剪应力超过极限抗剪强度时,边坡就从深部蠕变阶段过渡到沿着一个特殊面或一个软弱带的滑动阶段。实际上,边坡中大部份土体蠕变速率发展到加速蠕变速率时,深部蠕变就开始向滑动作用转换[5]。因此,我们可以用蠕变速率来预测峡口滑坡的发生。即当蠕变速率减小,峡口滑坡处于剥蚀稳定过程,反之,边坡就趋于滑动。
   
   3 峡口滑坡运动模式及滑距、滑速预测
   3.1 运动模式
   在滑坡前沿正对地形的影响下,滑坡移动可分为三种基本发展形式:
   (1)滑舌强制性崩落;
   (2)自由滑动;
   (3)困难滑动。
   在滑坡基础面高于斜坡坡角,而滑坡前沿下面为较陡斜坡时,挤出滑舌悬于空中折断崩落。如果滑面呈平面状,滑坡滑移便没有障碍,如滑面呈凹状,则滑坡舌被折断后,滑体重心上移,抗剪力随位移过程中滑面减小而降低。因此,在其他条件相同情况下,悬垂式滑坡位移幅度及速度都将较基准面位于坡脚附近的滑坡大。
   自由滑动是发生于滑坡舌在缓倾斜面上(阶地、碛原、海滩、谷缘、蓄水库和宽河的缓倾坡底等)移动的时候,遵循上述数理分析结论。这种情况下,滑移幅度几乎完全取决于决定滑移幅度的前两个条件。滑速则取决于斜坡长度S0
   困难的滑动发生在狭窄的河谷(或路堑),并且堵塞(充填)它的时候。在这种情况下,移动幅度和速度都大大小于自由滑动。启动能量立即消耗于变形能而产生负加速。在缓慢移动时,如滑舌冲到(至)对岸谷坡(或堑壁),移动便停止。其滑面愈低于坡脚,坡脚特性对可能发生的坡脚滑坡影响就越大。河谷愈狭窄及其对岸的斜坡愈陡,亦即斜坡基底所受的荷载愈大,滑坡愈难发生。
   狭窄的河谷,对岸陡峭的山崖决定了峡口滑坡是典型的困难滑动的斜坡。虽然其潜在平均厚度为23.166 m,滑床较陡,平均坡度为20°,高差142m,有一定的能量储备,而且前缘古滑坡地形也相对平缓,但是由于其峡谷形支撑坡的地形结构,最大剪应力分布在河谷中而不是在坡脚处,使得其滑动时很可能与1981年老滑坡滑动时一样,从低于坡脚高程的河床中剪出,深度大约为0.318 H,且为出口向上反翘的压剪,滑舌最远止于对面陡直峭壁崖底膨胀隆起,势能大部分转化为挤压变形能而不是动能消耗掉,其滑程及滑速都很有限。
   峡口滑坡期望值较高的滑动模式应是滑动-停止-冲刷-滑动的间歇式滑动方式。滑体一次性完全脱离滑床高速冲至坡底的滑动模式不受现场滑体前锋正对狭谷地形的支持。
   滑坡重心移动的距离,决定位移结果所达到的平衡条件和滑坡体重复移动的可能性。在距离不大的移动后,当斜坡基底被继续冲刷时,重复移动通常在其后几年,有时只过1~2年就可观测到。
   只有当滑体完全滑走后,这种重复移动才停止。此外,峡口滑坡这类主要由粘土质岩石组成的残、坡积层峡谷滑坡,位移幅度在所有滑坡中应是最小的。
   3.2 滑距、滑速
   滑坡发生时所造成的人员伤亡和财产损失,是由滑程及滑速决定的。我们讨论的滑程指的是滑体前沿原始位置和终极位置之间位移在水平方向投影值,即水平滑程,它决定滑动时遭受破坏的范围和大小。
   几乎所有造成大量人员伤亡的滑坡,都是快速和高速滑坡,并且多数具有很大的滑距。有时规模不大但速度很快的滑坡,也会造成意想不到的巨大损失。如四川兴文县金风村1997年7月17日发生的3525 m3的滑坡就造成了53人死亡,40余人受伤的损失,因此有必要重视对滑程、滑速的预测。
   此外,滑坡移动的速度和距离,也决定了滑体上道路、建筑物等的安全。
   滑距是由3个初始条件决定的:
   (1)斜坡脱离平衡状态开始移动的程度(启动力),即由剪应力剧烈增加和岩层抗剪力迅速降低而产生的不平衡剪应力,它决定到达新的平衡位置时原滑体移动的距离,
   (2)位移过程中所达到的最大速度;
   (3)滑动通道上,滑坡前锋正对的地形。斜坡抗剪强度从峰值迅速降低到残余值是坡体破坏,并开始加速滑动更广泛而普遍的原因。因为实践中存在不少地震、爆破引起剪应力增加但坡体却表现出变形缓慢上升而非总是一触即发的事实,说明单纯由剪应力增加而引发的滑坡相对较少。
   如史迪尼(1962)在23年内对宾多尔弗滑坡的观测作了水准点移动的有意义的图表(图7)[1]。从图上可看出,1941年炸弹的冲击,使变形遭到相当剧烈的增强,但是这以后变形的缓慢增加还继续了7年,直到灾害性移动开始。
   
   在所有复杂状态下,开始位移后,强度降低的绝对值是决定滑坡移动距离及滑速的主要因素。
   峡口滑坡由于没有地震等附加外力,同时“雅无三四晴”,坡体长期处于湿润状态,因此,坡体破坏主要是由地表水、渠道水渗入破坏带,侵蚀浸润使之强度降低所至。为简化问题起见,我们将峡口滑坡主滑段视为沿平面形滑面进行自由无阻碍的滑动与抗滑段分开进行分析(图8)。在极限平衡状态即滑体即将离位时,剪应力等于抗剪力
   
   
   此为峡口滑坡无阻碍滑动时的瞬时最大滑速。
   这是中速滑坡的上限,高速滑坡的下限。如上所述,考虑到蠕滑体规模、势能比老滑坡(滑距约160m)的规模、势能小、低,加上启动后滑体必然会受到狭谷地貌及抗滑段及滑面摩擦力阻碍,因此峡口滑坡未来将是中、慢速滑动。滑动时人员伤亡可以避免,但会造成建筑物及公路毁坏,还会堵河成坝,并对下游造成威胁。

文章来自:滑模技术交流网
文章作者:信息部
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