砂性土邊坡淺層滑溜的機(jī)理研究與防治

周凱敏

(中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

山區(qū)架空線路的砂性土邊坡塔位邊坡，若受到降雨的影響，經(jīng)常發(fā)生坡體淺層滑溜事故，發(fā)生滑溜事故的塔位大多為近兩年剛投產(chǎn)的或尚未完工的線路。施工單位在開挖鐵塔基礎(chǔ)基坑時(shí)為圖方便，將施工棄土隨意丟棄在鐵塔的下邊坡方向，在長時(shí)間降雨以及基面排水尚未完善的情況下，大股水流直接沖刷塔腿下邊坡棄土，造成施工棄土帶動(dòng)邊坡表層土一起向下滑動(dòng)，滑動(dòng)過程形成的強(qiáng)大動(dòng)量，切削植被并沖毀樹木。這種向下滑動(dòng)的距離可以達(dá)到數(shù)十米甚至更遠(yuǎn)，形成類似流滑現(xiàn)象[1]。滑溜造成基礎(chǔ)外露和保護(hù)土體流失，給線路的正常運(yùn)行帶來危害，必須采取相應(yīng)的工程補(bǔ)救措施。然而，山區(qū)架空線路桿塔均地處偏遠(yuǎn)、交通不便，發(fā)生事故的塔位，后期的治理非常困難。本文主要從砂性土的土性角度入手，對由降雨誘發(fā)的山區(qū)架空線路坡體的淺層滑溜機(jī)理進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的防治和預(yù)警措施，以盡可能地消除或減輕滑溜造成的危害，保障線路的運(yùn)行安全。

由降雨引起的邊坡土體滑溜的啟動(dòng)機(jī)理很多種理論。Yang WM等[2]認(rèn)為，土體滑溜主要產(chǎn)生在坡率大于40°，殘積土厚度小于2m的斜坡上；在降雨前，土體處于非飽和土狀態(tài)，由于基質(zhì)吸力的作用，土體的抗剪強(qiáng)度比較高，坡體就處于穩(wěn)定狀態(tài)；降雨入滲使得殘積土飽和軟化，基質(zhì)吸力、土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角不斷降低；如果土體剪切強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度這一臨界狀態(tài)時(shí)，土體將會(huì)向下滑動(dòng)、分離，最后在重力和雨水?dāng)y帶下，形成流動(dòng)下滑狀態(tài)。Iverson等[3]認(rèn)為，在滑溜時(shí)土體孔隙率對孔壓上升有重要影響，伴隨著剪切面上的顆粒重分布現(xiàn)象，孔壓的快速升高使得土體有效應(yīng)力降低，土體處于流態(tài)狀，進(jìn)而使得破壞土體產(chǎn)生較大的滑動(dòng)距離。朱穎彥等[4]認(rèn)為，當(dāng)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)暴雨時(shí)，上層堆積土的滲透系數(shù)較大，坡頂與坡腳形成較大的水力梯度，滲透力推動(dòng)細(xì)顆粒向深度運(yùn)移，在坡腳形成滲流出口，使得淺層土體最先發(fā)生重力剪切，進(jìn)而引起失穩(wěn)破壞。

綜上可知，由降雨誘發(fā)土體滑溜現(xiàn)象受到很多因素影響，如地形地貌、土性因素、降雨強(qiáng)度、土水運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力條件等方面，其啟動(dòng)機(jī)理復(fù)雜，由降雨誘發(fā)坡體淺層滑溜是一種復(fù)雜的土水相互作用過程[5]。

1 不同土性的滑溜試驗(yàn)現(xiàn)象

圖1～圖2為試驗(yàn)所采用的兩種不同粒徑土體在降雨作用下的破壞形態(tài)[5]，兩種土體呈現(xiàn)出不同的土體破壞和滑動(dòng)類型。平均粒徑較大的中粗砂，主要發(fā)生從坡腳滲透破壞開始，向后逐級分層分塊滑動(dòng)破壞類型(retrogressive toe sliding)，呈漸進(jìn)式破壞，如圖2所示。而平均粒徑較小的粉砂、細(xì)砂主要發(fā)生快速的流滑型破壞(flowslide failure)，即后部土體先發(fā)生流態(tài)化后推動(dòng)前部土體快速下滑，如圖3所示。

圖1 塔位發(fā)生坡體淺層滑溜事故

(a)坡腳發(fā)生滲透破壞 (b)分層分塊滑動(dòng)破壞圖2 滲透系數(shù)較大土體破壞模式[5]

(a)滲透壓密過程 (b)流滑型破壞圖3 滲透系數(shù)較小土體的破壞模式[5]

分析原因：滲透系數(shù)較大的土體(k≥3.0×10-2cm/s)[5]，降雨水體能夠快速到達(dá)坡腳，使得坡腳先形成滲透破壞，而后上部土體因下部土體下滑失去支撐，并在內(nèi)部水體滲透力和重力等作用下，造成自身土體分層分級破壞，并在水體的攜帶作用下發(fā)生流動(dòng)，類似于牽引式滑溜。而對滲透系數(shù)較小(k<3.0×10-2cm/s)的土體，降雨水體來不及達(dá)到坡腳時(shí)，上部土體在水體滲透作用下，導(dǎo)致孔壓升高，強(qiáng)度降低，土體呈流態(tài)化后推動(dòng)前部土體一起快速向下滑動(dòng)，類似于推移式滑溜，顯然后者的突發(fā)性和破壞性更大。

2 滑溜的土水相互作用

降雨誘發(fā)型砂性土坡體淺層滑溜的機(jī)理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是降雨的外部動(dòng)能作用；二是降雨入滲后土體內(nèi)部產(chǎn)生的相關(guān)作用[6]。降雨的外部動(dòng)能作用主要是指雨水下落時(shí)形成的徑流沖刷作用，引起土體顆粒分散、搬運(yùn)、遷移、局部沉積等現(xiàn)象，沖毀土體表面植被層，并在坡面形成錯(cuò)綜復(fù)雜的沖蝕溝，改變土體結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致土體失穩(wěn)，破壞后的土體隨著雨水的徑流而產(chǎn)生流動(dòng)下滑。

降雨入滲在土體內(nèi)部產(chǎn)生的相關(guān)作用，指的是雨水進(jìn)入土體內(nèi)部孔隙后，在土體內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的土水化學(xué)、物理和滲透等土水相互作用，土水間的共同作用使得土體破壞和流動(dòng)，并造成坡體的淺層滑溜。將降雨入滲后土水間的相互作用歸納如下：

(1)水土化學(xué)作用

降雨入滲后，在不同的土體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不同的水土化學(xué)作用：包括溶解與沉淀、交換與吸附、氧化與還原以及水解、崩解、軟化等作用，導(dǎo)致土體的孔隙率、固體顆粒的排列方式等細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并產(chǎn)生土體的滲透、強(qiáng)度、變形指標(biāo)變化的宏觀表象，進(jìn)而導(dǎo)致土體塌陷或失穩(wěn)。

(2) 水土物理作用

水土物理作用，主要是指水體入滲到土體內(nèi)，土體內(nèi)部含水量增加，水體的存在導(dǎo)致土體性質(zhì)改變，使得土體穩(wěn)定性下降。從極限平衡理論角度來看，水土物理作用包括兩個(gè)方面[7]：一是水體的入滲增加了土體本身的重量，導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大的下滑力；二是土體含水量(飽和度)的增加，導(dǎo)致土體的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變化，如土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角降低，進(jìn)而引起抗滑強(qiáng)度的降低。

(3)滲透力學(xué)作用

滲透力學(xué)作用，是指水體在土體內(nèi)產(chǎn)生的滲流靜水壓力與動(dòng)力壓力等，它對土體顆粒產(chǎn)生的不平衡力是導(dǎo)致土體運(yùn)動(dòng)，最終引起土體失穩(wěn)下滑流動(dòng)的原因[8]。

滲流作用在顆粒表面的力ff可分為兩種：垂直于顆粒周界表面的水壓力fp和顆粒表面相切的水流摩阻力ft，如圖4所示。前者表現(xiàn)為流體的靜水壓力，當(dāng)水體進(jìn)入土體內(nèi)部，飽和度逐漸增大，靜水壓力也隨之升高，引起顆粒間的有效應(yīng)力降低和土體的抗滑能力下降。后者表現(xiàn)為流體的動(dòng)水壓力，動(dòng)水壓力(滲透力)是顆粒產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的直接原因，它將導(dǎo)致土體的滲透破壞。一般為了計(jì)算方便，也可將滲流作用力ff分解為鉛直向上分布的浮力fu與沿流線分布的滲透力fs，如圖4(d)所示。滲透力是由土體內(nèi)部不同位置間存在水頭差(水力梯度)引起的，根據(jù)靜力平衡推導(dǎo)出：

fs=-γwJ

(1)

式中：J為水力坡降；

γw為水體容重。

(a)靜水壓力 (b)動(dòng)水壓力

(c) 水體作用合力 (d) 作用力分解圖4 滲流作用在單一顆粒上的力及分解

對砂性土邊坡水體的滲流作用引起土體的滲透破壞，滲透破壞使得土體顆粒松動(dòng)、脫離、運(yùn)移甚至流失，進(jìn)而引起土體失穩(wěn)。滲透破壞與土性密切相關(guān)，不同的土體滲透系數(shù)導(dǎo)致不同的滲透作用和滲透機(jī)理，從而產(chǎn)生不同的破壞和下滑形態(tài)。

圖5 滑溜的土水作用機(jī)理

綜上所述，要弄清坡體淺層滑溜，就要弄清土水相互作用機(jī)理。降雨入滲引起坡體淺層滑溜的土水相互作用是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，水土化學(xué)作用、水土物理作用以及滲透力學(xué)作用之間是相互影響、相互制約、相互轉(zhuǎn)換、周而復(fù)始的，如圖5所示。

3 土體滑溜啟動(dòng)機(jī)理分析

對滲透系數(shù)較大的土體啟動(dòng)機(jī)理，主要是水體的滲流作用引起土體的滲透破壞。水體在土體孔隙中流動(dòng)，只有當(dāng)流體產(chǎn)生的滲透力足夠大，使得滲透力和其它下滑力大于抗滑力時(shí)，顆粒才會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)破壞，并引起土體骨架破壞。最后在持續(xù)降雨作用下，與流體一道形成粘滯性混合體后快速向下移動(dòng)。

對滲透系數(shù)較小土體引起滑溜的啟動(dòng)機(jī)理：降雨入滲過程中，一方面，土體受到雨水滲透作用，基質(zhì)吸力降低，當(dāng)下滲力足夠大時(shí)，顆粒開始克服骨架間作用力而發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、壓密，宏觀上表現(xiàn)為出現(xiàn)較大的表層沉降，并認(rèn)為表層沉降是滲透壓密和基質(zhì)吸力降低造成的，如圖6所示。另一方面，當(dāng)土體滲透系數(shù)較低，當(dāng)浸潤面到達(dá)土巖交界面后，由于水體不能自由流出，導(dǎo)致水位面重新上升，并使砂土孔隙逐漸被水充滿，此時(shí)下部土體近似認(rèn)為處于飽和不排水狀態(tài)。

圖6 滲透壓密示意圖

土體的壓密和飽和不排水特性，使得土體所受的超載由固體顆粒轉(zhuǎn)移至孔隙水中，進(jìn)而導(dǎo)致土體內(nèi)部孔壓上升，其中孔壓上升表達(dá)式見式(2)。即在不排水條件下，由于固體和水體在低應(yīng)力條件下的不可壓縮性，土體在滲透壓密過程中所受到的剪應(yīng)力將轉(zhuǎn)化為孔隙水壓力；當(dāng)孔隙水壓力大到足夠抵消顆粒間有效應(yīng)力時(shí)，土體強(qiáng)度衰減直至喪失，并形成流態(tài)化性質(zhì)，出現(xiàn)類似靜力液化現(xiàn)象[9]。

式中：u0為初始孔隙水壓力；

v0為初始固相體積百分比；

K為液相體積模量；

v為固相占總體積百分比；

v=Vs/V；

V為試樣體積；

Vs為固相體積。

當(dāng)土體發(fā)生滲透壓密時(shí)，體積V減少，導(dǎo)致Δv增大。因?yàn)橐合囿w積模量Kw很大(K=2.067GPa)，當(dāng)Δv出現(xiàn)輕微變化，Δu的變化響應(yīng)將非常靈敏，即當(dāng)土體總體積出現(xiàn)細(xì)微減少時(shí)，孔隙水壓力也有較大提升。

(a)流滑型破壞形成前

(b)流滑型破壞典型輪廓斷面圖7 流滑型破壞示意圖

圖7為滲透系數(shù)較小土體在降雨過程中形成滑溜現(xiàn)象示意圖。降雨入滲過程中后部土體基本呈流態(tài)化(矩形區(qū)域)，土體強(qiáng)度基本喪失；而前部土體仍處于非飽和階段(三角形區(qū)域)，呈現(xiàn)近固體物質(zhì)狀態(tài)，前部土體底部的摩阻力阻止后部土體下滑，持續(xù)的降雨，水體不斷滲透到坡腳附近，使得前部土體的強(qiáng)度下降。當(dāng)前部土體和底部土巖摩擦力，不能對后部土體提供足夠支撐時(shí)，就會(huì)發(fā)生流滑破壞現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為后部土體推動(dòng)前部土體以一個(gè)整體快速下滑。在下滑的過程中，土體的破壞形態(tài)輪廓發(fā)生變化，逐漸向典型類似于泥石流斷面過渡型態(tài)。

上述說明，在特定土質(zhì)環(huán)境和排水條件下，流滑破壞是降雨誘發(fā)山區(qū)架空輸電線路坡體淺層溜坡的主要原因。

4 工程防治與預(yù)警

對架空輸電線路降雨誘發(fā)坡體淺層滑溜的防災(zāi)減災(zāi)，要以防為主、防治并舉的邊坡滑溜的防治思路[10]。

4.1 防治措施

(1)對滲透系數(shù)較大的土體，水體能夠快速入滲到土巖交界面和坡腳位置，不易在坡表層產(chǎn)生暫態(tài)飽和，當(dāng)雨水滲透到坡腳時(shí)，只要滲透力足夠大，就會(huì)使坡腳土體率先發(fā)生滲透破壞。因此，預(yù)防滲透系數(shù)較大的砂土發(fā)生滑動(dòng)，除加強(qiáng)截水外，可考慮在土體內(nèi)部，尤其是坡腳位置加強(qiáng)排水，降低水位達(dá)到降低滲透力的目的。具體可在土體內(nèi)部設(shè)置土工合成材料或排水管。同時(shí)，要注重對坡腳土體的保護(hù)，如設(shè)置排水凌體和過濾網(wǎng)等，這樣既可保證排水又可阻止土體流失。

(2)對于滲透系數(shù)較低的坡體，高強(qiáng)度降雨的入滲將產(chǎn)生滲透壓密和孔壓升高過程，并引起土體強(qiáng)度降低，土體呈流態(tài)性質(zhì)，易發(fā)生淺層滑動(dòng)。對于這類土質(zhì)由于滑動(dòng)深度較淺，建議加強(qiáng)截排水，并對坡面進(jìn)行表面防護(hù)，防止水體進(jìn)入坡體內(nèi)部，防止因坡面沖蝕與表層滑動(dòng)所造成的土體滑溜現(xiàn)象；同時(shí)也要注重配合整體的抗滑穩(wěn)定措施與排水設(shè)施。

4.2 預(yù)警措施

(1)邊坡土體發(fā)生淺層滑溜的破壞類型與降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、土性、含水量、地形等有關(guān)，這些因素影響土體基質(zhì)吸力場和孔壓變化特性，影響滑溜破壞的類型和發(fā)生滑動(dòng)的時(shí)間。因此，在土體合適的位置監(jiān)測土中含水量(基質(zhì)吸力)或孔壓的變化規(guī)律，將有助于預(yù)測邊坡滑溜破壞的時(shí)間與規(guī)模。

(2)發(fā)生滑溜時(shí)，無論在試驗(yàn)和現(xiàn)場均能觀測到張拉裂縫，出現(xiàn)即將滑溜的土體與基礎(chǔ)分離現(xiàn)象。因此，架空輸電線路在運(yùn)檢過程中，尤其要注重對土體張拉裂縫的調(diào)查，特別是在強(qiáng)降雨過后的例行巡查，觀察基礎(chǔ)周圍土體是否存在脫開現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)上述險(xiǎn)情時(shí)，應(yīng)及時(shí)將裂縫夯實(shí)充填，并及時(shí)將基礎(chǔ)周圍土體卸載外運(yùn)，防止災(zāi)害的發(fā)生。

5 結(jié)論

(1)由降雨誘發(fā)坡體淺層滑溜是一種復(fù)雜的土水相互作用過程，水土化學(xué)、物理以及滲透力學(xué)作用之間是相互影響、相互制約、相互轉(zhuǎn)換、周而復(fù)始的。

(2)對于滲透系數(shù)較大的土體，主要發(fā)生從坡腳開始的分層塊體滑動(dòng)，滲透破壞是誘發(fā)滑動(dòng)的主要機(jī)理。

(3)對于滲透系數(shù)較小的土體，降雨入滲將發(fā)生滲透壓密、孔壓上升過程，并最終導(dǎo)致流滑破壞。流滑破壞具有突發(fā)和破壞性強(qiáng)特點(diǎn)，這是架空線路坡體淺層滑溜的主要原因。

(4)對滑溜的土體要采取以防為主的思路，除了結(jié)合工程措施外，對滲透系數(shù)較大的土體，應(yīng)采用排水措施；對滲透系數(shù)較小的土體，盡量采用防水措施，降低水對土體的影響。