流域治理中土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的原因分析

駱鵬 黃開年 楊紅春 王漢宇 王松林

摘 要：針對流域治理中土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的問題，總結(jié)了致使土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的因素為：邊坡的材料特性和斷面形式、河流的沖刷和干濕循環(huán)作用、降雨和地下水作用、凍融作用以及地震作用，并對每種因素的作用機(jī)理進(jìn)行了闡述。根據(jù)綜合分析，提出邊坡失穩(wěn)的合理防范措施。

關(guān)鍵詞：流域治理；邊坡失穩(wěn)；失穩(wěn)原因；防范措施

中圖分類號：U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0135-02

Abstract： Aiming at the problem of soil slope instability in river basin treatment， the factors causing soil slope instability are summarized as follows： material characteristics and section form of slope， erosion and dry-wet cycle of river， rainfall and groundwater， freeze-thaw action and earthquake action. The action mechanism of each factor is elaborated. According to these combined analysis， some reasonable preventive measures for slope instability are put forward.

Keywords： river basin treatment； slope failure； causes； preventive measures

引言

流域治理是以水土保持為重點(diǎn)，對流域水資源進(jìn)行開發(fā)、利用、配置、節(jié)約和保護(hù)，以加強(qiáng)流域內(nèi)的抗旱除澇和安全泄洪的能力，改善流域環(huán)境。而在流域治理中，邊坡是其中必不可少的一項(xiàng)，邊坡的安全性直接關(guān)系到流域治理工程的成敗和安全。而邊坡的破壞形式主要分為邊坡的整體失穩(wěn)和坡面的破壞，在這兩種邊坡的破壞形式中，無疑邊坡的整體失穩(wěn)產(chǎn)生的危害性更大，影響更加深遠(yuǎn)。因此，在流域治理中必須提高對邊坡穩(wěn)定性的關(guān)注程度，對邊坡的穩(wěn)定性予以一定的保證。為此，就一定要明確造成護(hù)坡失穩(wěn)的原因，只有在明確知道了護(hù)坡失穩(wěn)的原因之后，才會在工程中有針對性地防范與整治。本文就流域治理中常見的幾種致使邊坡失穩(wěn)的因素進(jìn)行了總結(jié)，并闡述了每種因素的作用機(jī)理，同時(shí)根據(jù)這些因素和作用機(jī)理提出邊坡失穩(wěn)的防范措施。

1 邊坡失穩(wěn)的原因分析

1.1 邊坡的材料特性和斷面形式

流域治理中邊坡大部分都是土質(zhì)邊坡，邊坡的穩(wěn)定性和邊坡的材料特性——土體強(qiáng)度直接相關(guān)，同時(shí)邊坡的斷面形式對邊坡的穩(wěn)定性亦有影響。

土體的破壞主要是以剪切破壞為主，而土體的抗剪切強(qiáng)度可表示為：τ=c+σtanφ （1）

因此，邊坡的穩(wěn)定程度和土體的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ密切相關(guān)，由上式可知，隨著黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增加，土體的抗剪切強(qiáng)度也隨之增大，邊坡的穩(wěn)定性也隨增強(qiáng)。

邊坡的斷面形式一般只有兩種，一種是一坡到頂，另一種就是階梯式的復(fù)合斷面。倪武杰[1]的綜述表明，在同等坡度的條件下，階梯式斷面的臺階數(shù)越多，臺階斷面寬度越大，邊坡的穩(wěn)定性越好。這主要就是因?yàn)殡A梯式的復(fù)合斷面減少了邊坡上部的土體體積，降低了邊坡坡腳的壓力，提高了邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí)階梯式復(fù)合斷面上的平臺可以截留坡面剝落和少量上部坍塌土體。除了邊坡的斷面形式之外，邊坡的坡度也對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，坡度越大，邊坡的穩(wěn)定性越差。

1.2 河流的沖刷和干濕循環(huán)作用

在流域治理過程中，河流對邊坡的影響作用不可忽視。一方面，當(dāng)河流流速較大時(shí)，水流對邊坡的沖刷作用使得邊坡的穩(wěn)定性降低。近岸河流對邊坡的沖刷力，主要是由于近岸水流對邊坡的切應(yīng)力。水流對邊坡的剪切力，使得邊坡上的土壤顆粒脫離主體邊坡而隨水流流失，隨著土壤顆粒流失的越來越多，邊坡的坡度變大，使得邊坡的穩(wěn)定性降低而致使邊坡發(fā)生坍塌，而坍塌后的土體在坡腳堆積，又將會被水流沖刷流失。這種情況發(fā)生時(shí)，若不及時(shí)進(jìn)行治理，則將形成邊坡局部區(qū)域“缺陷-擴(kuò)展-坍塌”的惡性循環(huán)。從而使得，邊坡不斷被侵蝕，河道變寬，當(dāng)雨季來臨之時(shí)，嚴(yán)重威脅河道兩岸正常的生產(chǎn)生活。

河流對邊坡的沖刷作用（即水流對邊坡的剪應(yīng)力），在邊坡的不同部位沖刷強(qiáng)度是不同的。經(jīng)研究，對于粗糙邊壁的直立邊坡而言，河流對河底的最大沖刷作用出現(xiàn)在河底中心線附近，而對邊坡的最大沖刷作用則出現(xiàn)在水面之下的一定深度處；而隨著邊坡坡度的變小，一方面河流對邊坡的最大沖刷作用逐漸下移，向坡腳處移動；另一方面，河流對河底的最大沖刷作用也隨之向兩岸向坡腳靠近。因此河流對邊坡的沖刷作用主要出現(xiàn)在邊坡的中下部位以及坡腳處[2]。

另一方面，流域治理中的土體人工填筑的較多。因此在填筑完成時(shí)，邊坡土體處于非飽和狀態(tài)，當(dāng)上游洪水來臨時(shí)，邊坡土體一部分在水面線以下而處于飽和狀態(tài)；當(dāng)枯水季來臨，水面線下降，此時(shí)一部分邊坡恢復(fù)到非飽和狀態(tài)。因此，邊坡中的一部分土體受到季節(jié)的作用，在飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)之間反復(fù)。在這樣的狀態(tài)變化中，研究表明會使得土體的強(qiáng)度產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化[3]。

1.3 降雨和地下水作用

土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和土體強(qiáng)度密切相關(guān)，而土體強(qiáng)度受到土壤含水率的影響較大。因此作為土壤中水分的來源之一 ——降水，其對邊坡穩(wěn)定性影響不言而喻。據(jù)數(shù)據(jù)表明，全國 95%邊坡失穩(wěn)都和降雨相關(guān)。

邊坡在降雨條件下隨著雨水的下滲，邊坡土體的含水率隨之增大，邊坡土體的容重亦隨之增大，致使邊坡下滑力增大，從而破壞了邊坡原本的平衡狀態(tài)，使得邊坡失穩(wěn)；其二，當(dāng)邊坡存在縫隙時(shí)，雨水入滲到縫隙中，產(chǎn)生靜水壓力，使得邊坡的下滑力增大，致使邊坡失穩(wěn)；其三，邊坡土體的含水率增加，一方面增加土體孔隙水壓力，從而降低了土體的有效應(yīng)力，另一方面含水率的增加，減小了土顆粒之間的摩擦力，因而致使土體的強(qiáng)度降低，同樣將致使邊坡失穩(wěn)。

地下水對邊坡的作用和降雨類似，同樣通過增大土體的容重而增加邊坡的下滑力以及降低土體的強(qiáng)度這兩個方面致使邊坡的穩(wěn)定性遭到破壞。

1.4 凍融作用

在流域治理中，不同的流域所處的地理位置不同，其所處的氣候環(huán)境亦相差甚遠(yuǎn)，對于高緯度地區(qū)而言，低溫寒冷的區(qū)域?qū)吰露砸灿衅洳焕囊幻妗Ｒ蛟诘蜏馗吆貐^(qū)，凍土將作為一種特殊的土體形式而存在。在凍土之中，處于0℃以下的土體外部的溫度場、滲流場以及應(yīng)力場耦合在一起共同作用在土體之上，從而致使土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生較大的變化。而當(dāng)?shù)貐^(qū)溫度上升之后，凍土外的溫度場發(fā)生新的變化，其引起的滲流場和應(yīng)力場的變化對土體的應(yīng)力應(yīng)變場又將帶來新的變化。

因此，在高緯度的低溫高寒地區(qū)，由凍土構(gòu)成的邊坡，其穩(wěn)定性也受到這種凍融的影響。當(dāng)氣溫上升之后，土體中原本在寒季凍結(jié)的水分開始融化，一方面，隨著土壤中的水分逐漸增多，土壤中的孔隙水壓力隨之增大，則土體的有效應(yīng)力隨之減小，土體的抗剪切強(qiáng)度隨之降低，因此邊坡的穩(wěn)定性也隨之降低；另一方面，受到溫度影響的土體僅是邊坡外層的土體，邊坡內(nèi)部仍是凍結(jié)土層，由于凍結(jié)土層的滲透性極小，邊坡一定深度的表層土體中融化的水積蓄而無法滲透進(jìn)凍結(jié)層，從而只能沿著邊坡的凍結(jié)層和融化層的過渡界面流出。隨著這種融化水滲流的持續(xù)，過渡界面上土顆粒逐漸流失。從而在過渡界面上形成滲流通道，致使邊坡的穩(wěn)定性遭到破壞。

低溫高寒地區(qū)的凍融作用，不僅會在凍結(jié)土層和融化土層之間的過渡界面上形成滲流通道。在多次凍融循環(huán)作用下，土體本身的變形模量、粘聚力、剪切強(qiáng)度都會發(fā)生不同程度的降低，土體的這種物理力學(xué)性質(zhì)的變化將使得邊坡逐漸由穩(wěn)定向不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變[4]。

1.5 地震作用

地震，是人類面對的最嚴(yán)重的天然災(zāi)害之一。地震不僅會帶來房屋倒塌等災(zāi)害，更是邊坡失穩(wěn)的誘因。地震對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為兩個方面：其一，地震慣性力的作用，其二，地震降低了土體的有效應(yīng)力。

地震慣性力分水平地震力和豎向地震力，在之前的諸多研究中，一直認(rèn)為地震慣性力對邊坡的影響主要是水平地震力，邊坡在水平地震力的作用下，受到向臨空面的拉力，在這種拉力作用下，邊坡的穩(wěn)定性遭到破壞。但在2008年汶川地震之后，震區(qū)邊坡失穩(wěn)的數(shù)據(jù)表明，觸發(fā)邊坡失穩(wěn)中，地震豎向力的作用非常明顯。因此，地震力對邊坡的影響不僅是水平地震力，豎向地震力也對邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

地震對邊坡的影響，還體現(xiàn)在其降低了土體強(qiáng)度。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，一方面將使得土體的孔隙壓力急劇增加，如此土體的有效應(yīng)力在急劇降低，使得土體的強(qiáng)度隨之減弱，邊坡的穩(wěn)定平衡狀態(tài)遭到了破壞而致使邊坡失穩(wěn)；另一方面，土顆粒之間的作用力主要是分子力和靜電力，在地震力的作用下，土顆粒將克服分子力和靜電力而產(chǎn)生位移，從而使土顆粒骨架遭到脆性破壞，直接降低土體的有效應(yīng)力，使得土體的強(qiáng)度降低，從而使得邊坡失穩(wěn)。

2 邊坡失穩(wěn)的防護(hù)措施

根據(jù)上文對流域治理中邊坡失穩(wěn)的原因分析可知，致使邊坡失穩(wěn)的原因有很多。對于不同原因致使的邊坡失穩(wěn)，需采用不同的工程措施。

2.1 降低坡度和改變斷面形式

邊坡的坡度越低，邊坡的穩(wěn)定性越高；同時(shí)，階梯型的復(fù)式斷面穩(wěn)定性比一坡到頂?shù)臄嗝嫘问降姆€(wěn)定性要高。在工程條件允許的情況下，邊坡應(yīng)盡量降低邊坡的坡度，并采用復(fù)式斷面的邊坡。

2.2 邊坡護(hù)腳和坡面防護(hù)

河流對邊坡的沖刷作用主要在坡腳處，因此邊坡的坡腳應(yīng)予以處理，常見的工程處理措施是采用石籠護(hù)腳；而為了防止邊坡受到河流干枯季的影響而產(chǎn)生干濕循環(huán)不利影響，有必要在邊坡的水面線變化范圍內(nèi)進(jìn)行坡面的防水處理。

2.3 提高土體強(qiáng)度

在各種因素中，降水、地下水以及地震因素，最終的結(jié)果都是通過增大邊坡土體的孔隙水壓力，從而降低土體的有效應(yīng)力，致使邊坡土體的強(qiáng)度降低，邊坡因此失穩(wěn)。所以，防止邊坡失穩(wěn)的一項(xiàng)重要工程措施就是通過設(shè)置排水措施降低土體中的含水率。

3 結(jié)束語

邊坡治理是流域治理工程中一項(xiàng)重要內(nèi)容，邊坡的安全與否直接關(guān)系到整個流域治理工程的質(zhì)量和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，確保邊坡的穩(wěn)定性對流域治理工程而言至關(guān)重要。而只有了解致使邊坡失穩(wěn)的各種因素及其作用機(jī)理，才能采取有效的工程措施降低邊坡失穩(wěn)的幾率。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪武杰.土質(zhì)邊坡破壞機(jī)理及穩(wěn)定性研究[D].長安大學(xué)，2010.

[2]張芳枝.河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性研究[D].暨南大學(xué)，2010.

[3]楊和平，肖奪，等.干濕循環(huán)效應(yīng)對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，2（2）：1-5.

[4]王大雁，馬巍，常小曉，等.凍融循環(huán)作用對青藏粘土物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（23）：4313.