地貌類型對邊坡傾倒變形的貢獻率影響

胡振輝， 袁長豐*， 谷志強， 林森林， 劉召亮， 徐海濤， 李 亮

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266033； 2.青島第一市政工程有限公司， 青島 266034)

高陡邊坡傾倒變形的準(zhǔn)確預(yù)測對于減少邊坡災(zāi)害意義重大。近年來，隨著中國綜合國力的增強，人工高陡邊坡越來越多，并且隨著自然極端天氣的增多，使得減少和避免自然和人工邊坡發(fā)生災(zāi)害顯得更尤為重要。所以，對邊坡災(zāi)害的防控一直是該領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注的焦點問題之一，中外專家學(xué)者對邊坡災(zāi)害開展了一系列研究，并取得了較好成果。

張志飛等[1]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，巖層傾角對反傾巖質(zhì)邊坡整體性失穩(wěn)破壞方式有較大影響，隨著巖層傾角的增大，邊坡后期整體性破壞方式由滑移型逐漸過渡為傾倒型破壞。喬建平等[2]通過貢獻率法確定三峽庫區(qū)傾倒變形體發(fā)育環(huán)境本底因子。謝良甫[3]通過對工程實例的研究得出岸坡傾倒水平和垂直強變形分布區(qū)幾何特征。李龍起等[4]通過仿真模擬，得出土質(zhì)邊坡的變形破壞模式整體表現(xiàn)為典型的蠕滑-拉裂破壞模式。孫志杰等[5]通過黃土邊坡坡表變形試驗，獲得了干濕交替環(huán)境下的邊坡變形特征。文獻[6-8]分析了造成巖體變形的外部物理因素，如孔隙壓力對變形局部應(yīng)變場影響，通過巖體孔隙壓力、位移監(jiān)測值分析高壓滲流區(qū)引起的巖體位移變形等。盡管前人對邊坡的傾倒變形已經(jīng)有了大量的研究，但基于不同地貌類型的邊坡傾倒變形體數(shù)量、面積、體積與厚度來分析對邊坡傾倒變形的貢獻率少有人涉及。事實上，數(shù)量、面積、體積與厚度是反映傾倒變形體規(guī)模和特征的最直觀表征?；诖?，通過研究不同地貌類型下的邊坡傾倒變形體的數(shù)量、面積、體積、與厚度貢獻率，為防止邊坡災(zāi)害發(fā)生提供輔助決策支持。

1 邊坡傾倒變形樣本數(shù)據(jù)庫

通過查閱相關(guān)文獻與收集資料，獲得32處邊坡傾倒變形體信息，經(jīng)分類，邊坡傾倒變形體所處地貌類型主要有丘陵、盆地、山地、高原、平原5類，選取邊坡傾倒變形體的數(shù)量、面積、體積和厚度4個影響因子來分析地貌類型對邊坡傾倒變形的貢獻率，建立邊坡傾倒變形樣本數(shù)據(jù)庫表，如表1所示。

2 地貌類型對邊坡傾倒變形貢獻率研究

選取表1中的5類地貌類型開展邊坡傾倒變形體貢獻率研究。為方便分析，對不同地貌傾倒變形體類型采用編號代替，具體為：丘陵(g1)、盆地(g2)、山地(g3)、高原(g4)、平原(g5)。

表1 丘陵、盆地、山地、高原和平原邊坡傾倒變形體信息[9-18]

2.1 數(shù)量影響因子貢獻率

將邊坡傾倒變形體數(shù)量貢獻率用G1表示，根據(jù)表1所列的樣本實例，分別統(tǒng)計5個不同地貌類型的邊坡傾倒變形體數(shù)量，如表2所示。

依據(jù)表2計算不同地貌類型的邊坡傾倒變形體數(shù)量影響因子的貢獻率，其表達(dá)式為

(1)

式(1)中：G1(gi)為不同地貌類型邊坡傾倒變形體數(shù)量影響因子貢獻率；ni為不同地貌類型發(fā)生傾倒變形的數(shù)量；N為邊坡傾倒變形總量。由式(1)可得G1(g3)>G1(g4)>G1(g2)>G1(g1)>G1(g5)。

由圖1可知，地貌類型為山地和高原的邊坡發(fā)生傾倒變形的概率比較大，地貌類型為平原的邊坡發(fā)生傾倒變形的概率極低。分析原因，主要兩方面：一是中國的水利水電工程所處山地居多，依托地勢上的高差來滿足工程所需，一般左右兩岸邊坡為自然邊坡，水體對工程所處兩岸邊坡坡底侵蝕，引起邊坡發(fā)生傾倒變形；二是山體表面一般為風(fēng)化巖，水利水電工程所處地址一般為層狀巖體，特別是巖體與坡谷成順層狀時，易發(fā)生傾倒變形。而平原地區(qū)的水利水電工程邊坡較為緩和，該工程與山地工程設(shè)計不同，需要人工依據(jù)地形采用鋼筋混凝土等材料進行加固設(shè)計。因此，此地貌極少會發(fā)生災(zāi)害性傾倒變形，只有在特大暴雨條件下，平原邊坡在裂隙中充水的靜水壓力和沿滑移面空隙揚水壓力的聯(lián)合作用下坡體才有可能發(fā)生傾倒變形。

表2 不同地貌類型下的邊坡傾倒變形體的數(shù)量對比

圖1 邊坡傾倒變形體數(shù)量貢獻率

2.2 邊坡傾倒變形體面積貢獻率

根據(jù)表1所列的32個工程實例，分別對5個不同地貌類型發(fā)生邊坡傾倒變形的面積進行統(tǒng)計，如表3所示。

依據(jù)表3，計算不同地貌類型邊坡傾倒變形體的面積貢獻率為

(2)

式(2)中：G2(gi)為不同地貌類型邊坡傾倒變形體面積貢獻率；si為不同地貌類型邊坡發(fā)生傾倒變形的面積；S為邊坡傾倒變形體總面積。由式(2)可得G2(g4)>G2(g3)>G2(g2)>G2(g1)>G2(g5)。

由圖2可知，地貌類型為山地和高原的邊坡發(fā)生傾倒變形的面積比較大，地貌類型為平原的邊坡發(fā)生傾倒變形的面積最低。這是因為高原和山地上的邊坡多由坡積物堆積而成，其力學(xué)承載力與強度相較于平原地區(qū)要低很多，其次，高原與山地高差變化較大，使得變形體在發(fā)生傾倒變形時的表面積更大，所波及的范圍也更廣，而且由于其巨大的勢能，在發(fā)生傾倒變形脫離母巖時，其速度更快，造成的后果也更加嚴(yán)重。而平原地區(qū)的邊坡趨于緩和，缺乏發(fā)生傾倒變形的臨空面，即使發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象，這種平地滑移的傾倒變形的距離也不遠(yuǎn)，面積也不大。

表3 不同地貌類型下的邊坡傾倒變形體的面積對比

圖2 邊坡傾倒變形體面積貢獻率

2.3 邊坡傾倒變形體體積貢獻率

根據(jù)表1所列的32個工程實例，分別對5個不同地貌類型邊坡傾倒變形體進行體積上的統(tǒng)計，如表4所示。

表4 不同地貌類型的邊坡傾倒變形體體積對比

通過表4計算不同地貌類型與邊坡傾倒變形體體積貢獻率為

(3)

式(3)中：G3(gi)為不同地貌類型傾倒變形體體積貢獻率；vi為不同地貌類型發(fā)生傾倒變形的體積；V為傾倒變形體總體積。由式(3)可得G3(g4)>G3(g3)>G3(g2)>G3(g1)>G3(g5)。

由圖3可知，地貌類型為山地和高原邊坡發(fā)生傾倒變形的體積最大，地貌類型為平原的邊坡發(fā)生傾倒變形的體積最低。而盆地、高原與山地地貌發(fā)生邊坡傾倒變形所占比例接近。這是因為盆地、高原和山地上的邊坡介質(zhì)力學(xué)承載力相對其他地貌低，而且高差變化大，使得變形體在發(fā)生傾倒變形時的體積更大。

圖3 邊坡傾倒變形體體積貢獻率

2.4 邊坡傾倒變形體厚度貢獻率

根據(jù)表1所列的32個工程實例，分別對5個不同地貌類型邊坡傾倒變形體進行厚度上的統(tǒng)計，如表5所示。

通過表5計算不同地貌類型與邊坡傾倒變形體厚度貢獻率為

(4)

式(4)中：G4(gi)為不同地貌類型傾倒變形體厚度貢獻率；ti為不同地貌類型發(fā)生傾倒變形的厚度；T為傾倒變形體總厚度。由式(4)可得G4(g4)>G4(g3)>G4(g5)>G4(g1)>G4(g2)。

由圖4可知，地貌類型為山地與高原的邊坡發(fā)生傾倒變形的厚度相對較大，地貌類型為平原、丘陵和盆地的邊坡發(fā)生傾倒變形的厚度較小。山地與高原地帶高低落差大，且多高山與峽谷，一旦發(fā)生邊坡傾倒現(xiàn)象，借助其強大的勢能，會對周圍未變形的邊坡產(chǎn)生拉扯連帶的作用，最終造成規(guī)模巨大的破壞。而平原、丘陵和盆地因為水流落差低，建壩涉及移民，水能較少，甚至淹沒城市的隱患，所以很少在這幾種地貌上建壩，即使建壩也大多是低壩，小水庫，所以在發(fā)生傾倒時，規(guī)模相對小得多，厚度自然也較小。

表5 不同地貌類型傾倒變形體厚度對比

圖4 邊坡傾倒變形體厚度貢獻率

3 不同地貌類型對邊坡傾倒變形體綜合貢獻率

經(jīng)過對不同地貌類型傾倒變形體數(shù)量、面積、體積、厚度的貢獻率的研究基礎(chǔ)上，通過賦值的方法，進一步研究不同地貌類型對邊坡傾倒變形的綜合貢獻率。

3.1 不同地貌類型貢獻率標(biāo)準(zhǔn)化賦值

根據(jù)不同地貌類型對邊坡傾倒變形的數(shù)量、面積、體積、厚度的貢獻率(表6)，采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化公式[式(5)]，對不同地貌類型的邊坡傾倒變形貢獻率標(biāo)準(zhǔn)化賦值。

(5)

式(5)中：GPi為不同地貌類型貢獻率標(biāo)準(zhǔn)化賦值。計算結(jié)果GPi=0時，將其賦值為1。由式(5)計算得到表7。

表6 邊坡傾倒變形貢獻率統(tǒng)計

表7 不同地貌類型貢獻率標(biāo)準(zhǔn)化賦值

3.2 綜合貢獻率計算

采用求均值的方法對表7中GP1～GP4的同一地貌類型對邊坡傾倒變形貢獻值進行疊加統(tǒng)計，得出綜合貢獻值為

(6)

式(6)中：G(gi)為地貌類型對邊坡傾倒變形的綜合貢獻值；GP1、GP2、GP3、GP4分別為同一地貌類型數(shù)量、面積、體積、厚度的貢獻值。由式(6)得G(g1)=20.5，G(g2)=36.75，G(g3)=76，G(g4)=95.5，G(g5)=1.5。

根據(jù)已求出的不同地貌類型對邊坡傾倒變形的綜合貢獻值，對邊坡傾倒變形的貢獻率進行分析。

G0(gi)=G(gi)/Z×100%

(7)

式(7)中：G0(gi)為不同地貌類型對邊坡傾倒變形的綜合貢獻率；G(gi)為不同地貌類型對邊坡傾倒變形的綜合貢獻值；Z為不同地貌類型對邊坡傾倒變形貢獻值和，即Z=G(g1)+G(g2)+G(g3)+G(g4)+G(g5)。由式(7)可得：G0(g1)=8.9%，G0(g2)=16.0%，G0(g3)=33.0%，G0(g4)=41.5%，G0(g5)=0.6%。最終求得不同地貌類型對邊坡傾倒變形的綜合貢獻率如圖5所示。

圖5 不同地貌類型對邊坡傾倒變形的綜合貢獻率

3.3 不同地貌類型對邊坡傾倒變形貢獻率評價

采用等距法將不同地貌類型對邊坡傾倒變形貢獻率程度分為高危險(需勤觀測，制定預(yù)警方案)、高、中、低4個等級，按照式(8)求出等距l(xiāng)=10.225%。

(8)

按照式(9)劃分為4個貢獻率等級，即

(9)

式(9)中：y1為低貢獻率；y2為中貢獻率；y3為高貢獻率；y4為高危險貢獻率。且x1=G0(gi)min；x2=x1+1；x3=x2+1；x4=G0(gi)max-1；x5=G0(gi)max。

由式(7)～式(9)得

(10)

由表8可知，地貌類型為平原的邊坡對其傾倒變形的貢獻率最低，原因在于：一是自然條件下極少會在平原上形成邊坡；二是平原地區(qū)落差小，水能小，水利水電工程等人工邊坡也很少在該種地貌上建設(shè)；三是平原地區(qū)的水利水電工程邊坡較為緩和，需要人工依據(jù)地形采用鋼筋混凝土等材料進行加固設(shè)計，因此，極少會發(fā)生災(zāi)害性傾倒變形；四是平原地區(qū)大多為河流日積月累沖擊形成，地質(zhì)條件穩(wěn)定，力學(xué)平衡的狀態(tài)很難被打破。地貌類型為高原與山地的邊坡對其傾倒變形的貢獻率最高，達(dá)到了高危險的等級，這是因為山地與高原多高山與峽谷，邊坡多由坡積物堆積而成，力學(xué)承載力較低，巖性較軟，暴露在地表的邊坡易因風(fēng)化而破落，穩(wěn)定性差。且高原與山地因地勢易受到雨水沖刷，當(dāng)雨水進入邊坡內(nèi)部時，會增加邊坡巖體的重度并加速軟化作用，使邊坡的抗剪強度降低，最終導(dǎo)致邊坡極易發(fā)生傾倒變形。

表8 不同地貌類型對邊坡傾倒變形貢獻率程度評價

4 結(jié)論

通過對32處實際邊坡傾倒變形體數(shù)據(jù)資料分析，得出如下結(jié)論。

(1)影響邊坡傾倒變形的地貌主要有丘陵、盆地、山地、高原、平原。不同地貌對邊坡傾倒變形貢獻率不同，山地、高原主要由于自身地勢不平，氣候多變，地質(zhì)活動較為強烈，地勢復(fù)雜，且由于山地與高原的邊坡不像平原那樣較為平緩因而極易受到降雨影響而導(dǎo)致邊坡松散出現(xiàn)滑動傾倒變形，因此，對邊坡傾倒變形影響更大。

(2)通過綜合貢獻率計算得到，地貌類型為高原與山地的邊坡對其傾倒變形的貢獻率最高，數(shù)量約占總體的69%；地貌類型為盆地的邊坡對其傾倒變形的貢獻率中等，數(shù)量約占總體的15.6%；地貌類型為平原的邊坡對其傾倒變形的貢獻率最低，數(shù)量約占總體的3%。當(dāng)邊坡處于高原與山地時應(yīng)注意施工質(zhì)量，勤測量，做好充分的預(yù)警措施。