不同坡面形態(tài)滑坡的穩(wěn)定性分析

張一豪，許 珂，鄭思苗，劉增源，朱 婷

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊，甘肅 平?jīng)?744000； 3.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 咸陽 712000)

滑坡是一種經(jīng)常發(fā)生在山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害，具有十分嚴(yán)重的危害。在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，滑坡按其坡面形態(tài)可區(qū)分為直線型坡、凹型坡、凸型坡和階梯型坡(圖1)。其中，階梯型坡一般不是自然形成，而是人為削坡治理所致，故研究其他3種自然形成的坡型對滑坡穩(wěn)定性的影響對滑坡治理有重要意義?；挛锢砟M試驗(yàn)是研究滑坡破壞機(jī)制的重要手段，在滑坡物理模擬試驗(yàn)研究方面，試驗(yàn)方法主要有傾斜模型試驗(yàn)槽、離心模型試驗(yàn)、振動臺試驗(yàn)、坡頂加載試驗(yàn)和模擬降雨試驗(yàn)等。冷曉玉等[1-3]通過傾斜模型槽試驗(yàn)，研究了不同坡角、不同顆粒級配下滑坡運(yùn)動特征變化規(guī)律；雷先順等[4]分析了滑坡在不同滑道坡度和寬度下的運(yùn)動、堆積特征；張彬[5]對黃土邊坡和黃土地基采用動力離心模型試驗(yàn)得到其動力響應(yīng)規(guī)律和破壞機(jī)制；馮海明[6]研究表明，巖質(zhì)邊坡破壞時，巖橋附近的應(yīng)變遠(yuǎn)大于坡體表面；陳志雄等[7]采用振動臺試驗(yàn)研究了不同振動頻率和不同振動方向下滑坡堆積情況；李旭東等[8]以振動臺試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合有限元模擬得到坡頂建筑物的臨坡安全距離；劉洪波等[9]采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)在坡頂進(jìn)行加載，研究邊坡剪切帶形成機(jī)制；朱元甲等[10]利用降雨模擬試驗(yàn)得到間歇性降雨工況下滑坡分級破壞的破壞機(jī)制；亓星等[11]通過監(jiān)測坡體破壞的孔隙水壓力，得出在變形過程中孔隙水壓力的變化機(jī)理。在坡面形態(tài)對滑坡穩(wěn)定性影響研究方面，王家臣等[12]得出了水平凸型坡的破壞機(jī)制，并根據(jù)破壞機(jī)制，得出了新的三維極限平衡方法；趙衡等[13]對圓形凸型坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，認(rèn)為坡度較小時圓形凸型坡較穩(wěn)定，坡度較大時直線型坡更穩(wěn)定；邱敏等[14]模擬了地震波作用下各種坡面形態(tài)滑坡的動力響應(yīng)機(jī)制；孫冠華等[15-16]采用強(qiáng)度折減技術(shù)得到三維凸坡的臨界滑動面；盧坤林等[17]運(yùn)用理論計算證明橫向不同坡面形態(tài)中凹型坡比凸型坡更為穩(wěn)定；何劉等[18-19]采用單向震動試驗(yàn)臺，研究了凹凸坡的破壞機(jī)制；?？∪A[20]通過Arcgis對延安地區(qū)所有滑坡的斜坡剖面曲率進(jìn)行區(qū)分，得出凹型坡、直線型坡、凸型坡、階梯型坡分別占總數(shù)的10%、20%、30%、40%；李杰[21]運(yùn)用FLAC3D軟件對不同橫縱曲率下的邊坡進(jìn)行模擬，分析了不同邊坡安全系數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變變化；方興杰等[22]采用頂部壓載的物理模擬試驗(yàn)，研究了不同含水率下三維凹凸邊坡的失穩(wěn)過程；潘池等[23]采用有限元法探討了不同凹凸坡結(jié)構(gòu)下雙面邊坡的安全系數(shù)和破壞特征；宋培源[24]采用正交方法得出不同因素對邊坡穩(wěn)定性的影響大小排序：坡角>坡高>縱曲率>橫曲率。

圖1 直線型坡、凹型坡、凸型坡和階梯型坡Fig.1 Straight slope，concave slope，convex slope and stepped slope

綜上所述，大量學(xué)者對不同坡面形態(tài)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，但大多集中在橫向凹凸坡，對縱向凹凸坡的研究主要采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬。通過在模型槽中制作縱向不同坡面形態(tài)的滑坡模型，采用傾斜模型試驗(yàn)槽方法觀察坡體破壞過程，得到不同坡面形態(tài)滑坡臨界破壞角度，比較三者穩(wěn)定性差異并計算穩(wěn)定性，可為滑坡預(yù)測治理工作提供幫助。

1 物理模擬試驗(yàn)

本次試驗(yàn)是探究滑坡的坡面形態(tài)對于滑坡穩(wěn)定性的影響，并依據(jù)整體數(shù)據(jù)總結(jié)出相應(yīng)規(guī)律。試驗(yàn)通過抬升玻璃槽頂端起到調(diào)節(jié)滑坡體角度的作用，抬升玻璃槽改變滑坡的坡角直至滑坡發(fā)生破壞，得到滑坡破壞時的臨界角度，通過破壞時抬升角度的大小確定其穩(wěn)定性。

1.1 試驗(yàn)裝置

整個試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒酆碗p柱舉升機(jī)2部分組成(圖2)。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒塾捎袡C(jī)玻璃和鋼架構(gòu)成，總內(nèi)長3 m、內(nèi)寬0.49 m、內(nèi)高0.55 m，承載試樣的堆砌和運(yùn)動過程，有機(jī)玻璃外側(cè)繪制有間隔5 cm的正方形網(wǎng)格，方便觀察和記錄坡體破壞過程；雙柱液壓舉升機(jī)承載量為3 500 kg，舉升高度為1 928 mm。在試驗(yàn)過程中，將有機(jī)玻璃槽的尾部固定在舉升機(jī)舉升柱上，將另一頭帶滑輪的部分放置在地面，減少抬升過程中地面對玻璃槽的摩擦力。通過抬升有機(jī)玻璃槽的首端高度來改變模型槽的角度。

1.2 模型試驗(yàn)材料

為減少試樣對試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用灌砂法專用標(biāo)準(zhǔn)砂，該砂子清潔干燥，均一性好，清潔度高，粒徑0.30～0.60 mm，具有一定的磨圓性。考慮到需要將砂子砌成目標(biāo)形狀，進(jìn)行了多組預(yù)試驗(yàn)，測得含水率為3%時砂樣可塑且沖擊效果最好。試驗(yàn)砂料的物理力學(xué)參數(shù)見表1，實(shí)物如圖3所示。

表1 試驗(yàn)砂礫的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical property indexes of test gravel

圖3 試驗(yàn)用砂Fig.3 Test sand

2 試驗(yàn)設(shè)計及試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計

結(jié)合試驗(yàn)場地的具體情況和試驗(yàn)要求，共設(shè)計18組試驗(yàn)，設(shè)計2種坡高、3種坡度、3種坡面形態(tài)，試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案匯總Tab.2 Physical and mechanical property indexes of test gravel

2.2 試驗(yàn)步驟

首先將試驗(yàn)槽放置并固定在雙柱舉升機(jī)上(圖4(a))；其次將標(biāo)準(zhǔn)砂配至目標(biāo)含水率(圖4(b))；將木板垂直放置入玻璃槽并固定，在木板前加入標(biāo)準(zhǔn)砂，塑造目標(biāo)形態(tài)滑坡(圖4(c))；最后打開攝像機(jī)同時緩慢抬升試驗(yàn)槽，當(dāng)滑坡發(fā)生破壞時立即停止抬升(圖4(d))，記錄此時試驗(yàn)槽抬升角度，該角度即為臨界破壞角。30 cm坡高、30°凹坡正視圖和側(cè)視圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)步驟Fig.4 Test steps

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對不同坡度、不同坡高和不同坡面形態(tài)下滑坡的臨界破壞角度、啟動方式和沖擊距離進(jìn)行統(tǒng)計，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.3 Summary of test results

破壞前后對比照片如圖5所示。

圖5 模型破壞側(cè)視Fig.5 Side view of model damage

3.1 模型破壞過程分析

模型破壞過程如圖6所示。

圖6 模型破壞過程Fig.6 Model failure process

滑坡的破壞過程首先會在不同位置出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫貫通，滑體發(fā)生滑動。大致可分為滑坡啟動—加速下滑—堆積停滯3個階段。在對試驗(yàn)的整理記錄中發(fā)現(xiàn)，滑坡破壞的啟動方式主要分為2種情況，分別為分級啟動和整體啟動(圖7)。在坡高35 cm坡度30°和45°時，凸型坡的啟動方式區(qū)別于凹型坡和直線型坡為分級啟動，此時其坡面與水平面的夾角和其他2種坡型相差較小，并不為主要影響因素。其主要原因?yàn)橥剐推缕陆瞧旅媾c水平面的夾角大于坡頂坡面與水平面的夾角，所以坡角處先發(fā)生滑動，此時坡頂處產(chǎn)生臨空面，進(jìn)而失穩(wěn)破壞，這就導(dǎo)致了凸型坡的二次破壞。同理，凹型坡坡角坡面與水平面的夾角小于坡頂坡面與水平面的夾角，所以坡頂處更易發(fā)生滑動，滑動的土體堆積在坡角前，滑坡整體坡角降低，形成新的穩(wěn)定滑坡，所以在坡高30 cm、坡度30°時僅有凹型坡為整體破壞。

圖7 滑坡啟動方式Fig.7 Landslide starting mode

對沖擊距離進(jìn)行分析可得，分級啟動的沖擊距離大于整體啟動的沖擊距離。這是由于顆粒碰撞消耗的能量遠(yuǎn)大于傳遞的動能，分級啟動過程中相當(dāng)于滑坡產(chǎn)生了多次破壞，每次破壞都會傳遞給上次滑動土體動能，而整體啟動發(fā)生后，顆粒碰撞，動能消耗，坡體迅速穩(wěn)定。

3.2 模型臨界破壞角度分析

不同坡面形態(tài)下臨界破壞角度如圖8所示。

圖8 不同坡面形態(tài)下臨界破壞角度Fig.8 Critical failure angle under different slope forms

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，將30°、45°和60°相比時，在相同坡面形態(tài)和相同坡高的情況下，60°滑坡的臨界破壞角度最小，45°次之，30°最大；30 cm與35 cm相比時，在相同坡面形態(tài)和相同坡度的情況下，30 cm滑坡破壞時的臨界破壞角度總是大于35 cm滑坡破壞時的臨界破壞角度。

由此可以得出，坡度越大，坡高越高，滑坡穩(wěn)定性越差，與常理相同；在相同坡高和坡度的情況下直線型滑坡破壞時的臨界破壞角度總是小于凹型滑坡破壞時的臨界破壞角度，而凸型滑坡破壞時的臨界破壞角度總是小于凹型滑坡和直線型破壞時的臨界破壞角度。

如圖8所示，可以初步推測出在相同坡高、相同坡度的情況下，凹型坡穩(wěn)定性最高，凸型坡最差，直線型坡居中。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果理論分析

凹型坡與直線型坡相比，主要有2點(diǎn)不同。

(1)滑坡表面的角度不同。凹型坡下半部分的坡度小于直線型坡，故下半部分凹型坡穩(wěn)定性高于直線型坡，而上半部分直線型坡坡度小于凹型坡，故上半部分直線型坡較凹型坡更為穩(wěn)定。但下半部分所受到的推力和壓力都要高于上半部分，所以綜合可得，凹型坡的穩(wěn)定性比直線型坡穩(wěn)定性更好。

(2)滑體的重量不同。從圖4中可以清楚地看到，直線型坡的縱剖面面積明顯大于凹型坡縱剖面面積，故直線型坡體積要大于凹型坡體積，重量也大于凹型坡。滑坡質(zhì)量越大，其向下的沖擊力與壓力也越大，導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低。所以，直線型坡的穩(wěn)定性要比凹型坡穩(wěn)定性更差。同理可得，凸型坡較直線型坡更不穩(wěn)定，所以3種坡型中凹型坡最為穩(wěn)定，凸型坡最不穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性計算

已經(jīng)對坡面形態(tài)進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)以及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步解釋，得出凸型坡穩(wěn)定性最差，凹型坡穩(wěn)定性最好，直線型坡居于中間。但僅運(yùn)用理論知識對其進(jìn)行了解釋，需要通過穩(wěn)定性計算來驗(yàn)證該現(xiàn)象。

本次計算方法采用按《GB 50021—2001》等規(guī)范規(guī)定選擇式(1)計算本滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。

(1)

式中，F(xiàn)s為穩(wěn)定系數(shù)；ψi為第i塊段滑體所受的重力；Ri為作用于第i塊段的抗滑力；Ti為作用于第i塊段的滑動分力；ci為第i塊段土的黏聚力；φi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角；Li為第i塊段滑動面長度。

4.1 對試驗(yàn)中的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算

在進(jìn)行穩(wěn)定性計算時，首先通過對已破壞坡體的側(cè)視圖和正視圖進(jìn)行幾何參數(shù)統(tǒng)計，由此可以確定滑坡滑動面的位置，依此繪制出滑坡的剖面圖，再將滑體按坡度進(jìn)行條塊劃分，最后采用式(1)對該滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算。

例如對坡高30 cm、坡度30°凹型坡(圖9)進(jìn)行幾何參數(shù)統(tǒng)計，繪制出其剖面圖與條塊劃分圖(圖10)。通過穩(wěn)定性計算，得出穩(wěn)定系數(shù)Fs為0.426，小于1，所以該滑坡不穩(wěn)定，與試驗(yàn)結(jié)果相同。

圖9 滑坡破壞后的主視與側(cè)視Fig.9 Front view and side view after landslide failure

圖10 滑坡剖面與條塊劃分Fig.10 Landslide profile and slice division

采用同樣的方法對其他各滑坡均做穩(wěn)定性計算，其穩(wěn)定性系數(shù)也均小于1。

4.2 對假設(shè)直線型、凹型、凸型坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算

現(xiàn)在假設(shè)滑坡的滑體為單一的一種理想狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)彈性介質(zhì)，對不同容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角，以及不同坡度、坡面形態(tài)的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算。

與計算試驗(yàn)滑坡穩(wěn)定性方法相同，滑動面采用相同條件下物理模擬試驗(yàn)坡體的滑動面。

為了描述坡體表面的凹凸程度，選用縱曲率[21]表達(dá)，縱曲率為弧面半徑與弧面起點(diǎn)終點(diǎn)直線距離的比值，縱曲率為負(fù)則表示弧面內(nèi)凹，為凹型坡，縱曲率為正則為凸型坡，得出結(jié)果見表4。

表4 計算結(jié)果匯總Tab.4 Summary of calculation results

通過計算結(jié)果統(tǒng)計(圖11)可得出，在相同條件下，凸型坡的穩(wěn)定性系數(shù)最低，凹型坡的穩(wěn)定性系數(shù)最高，與之前試驗(yàn)結(jié)果相同。

圖11 不同坡面形態(tài)下滑坡穩(wěn)定性Fig.11 Landslide stability under different slope forms

5 結(jié)論

針對野外調(diào)查結(jié)果，采用物理模擬試驗(yàn)、理論分析和穩(wěn)定性計算，得到以下結(jié)論：分級啟動較整體啟動有更遠(yuǎn)的沖擊距離，而凸型坡更易發(fā)生分級啟動?；缕露仍酱蟆⑵赂咴礁?，穩(wěn)定性越差。在其他條件均相同時，凸型坡的穩(wěn)定性最差，直線型坡次之，凹型坡最大。