滑坡研究現(xiàn)狀綜述

1、滑坡研究現(xiàn)狀綜述張建永摘要本文就滑坡的調(diào)查方法、穩(wěn)定性評價(jià)、失穩(wěn)模式、預(yù)報(bào)以及處理措施等簡述滑坡研究的現(xiàn)狀，對各種方法的適用性做出簡要的評述，并指出滑坡研究的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞滑坡；穩(wěn)定性；失穩(wěn)模式；預(yù)報(bào)；研究現(xiàn)狀中圖分類號：P642.2文獻(xiàn)類型：A隨著人類工程活動(dòng)日益頻繁，規(guī)模日益增大，遇到的邊坡穩(wěn)定問題也越來越突出。邊坡失穩(wěn)輕則增加投資，延長工期；重則摧毀建筑物，造成人員傷亡。統(tǒng)計(jì)資料顯示，19511991年的40年中，我國工程滑坡災(zāi)害至少造成1169人死亡；經(jīng)濟(jì)損失更是巨大，僅云南漫灣水電站滑坡造成的損失就超過10億元，延誤工期一年以上，本文擬就滑坡的調(diào)查、穩(wěn)定性評價(jià)、失穩(wěn)模式及其影響因素

2、、預(yù)報(bào)及處理措施等方面淺談研究的現(xiàn)狀。1滑坡的調(diào)查最直接也最常見的方法就是變形跡象調(diào)查。后緣張裂縫、陡壁等地貌特征是滑坡存在的明顯證據(jù)。如果坡腳有泉出露，泉水流量和清澈程度的變化往往是滑坡即將發(fā)生的征兆。在有些情況下，已經(jīng)張開的后緣裂縫又趨于逐漸閉合，恰恰是滑坡即將發(fā)生的征兆（據(jù)王蘭生）。近年來，除了鉆探、物探等常規(guī)方法以外，還出現(xiàn)了一些新的勘探方法，如鉆孔電視、地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔CT等技術(shù)。遙感技術(shù)正得到愈來愈廣泛的應(yīng)用，在大型工程的勘測階段，利用遙感圖像可以顯著提高效率，改善工作條件。在京九鐵路的選線和施工階段，遙感技術(shù)的成功應(yīng)用說明了這一點(diǎn)。再如，石家莊西郊石灰?guī)r山區(qū)的一大型滑坡就是首先在遙

3、感圖像上發(fā)現(xiàn)的，后來的實(shí)地考察證實(shí)了原判斷。應(yīng)當(dāng)指出，遙感技術(shù)畢竟不能深入到地質(zhì)體的內(nèi)部，它得到的只是表層的信息，因此，遙感技術(shù)無法完全取代現(xiàn)場的勘察工作，而只能作為一種有效的輔助手段。2滑坡的穩(wěn)定性評價(jià)滑坡的穩(wěn)定性關(guān)系到工程選址、設(shè)計(jì)方案等重大決策問題。穩(wěn)定性評價(jià)要求適宜的分析方法和合理的參數(shù)取值0為解決復(fù)雜的問題，須將其作適當(dāng)?shù)暮喕闯橄蟪鲞m宜的模型。模型太簡化了不能反映滑坡的真實(shí)狀態(tài)；太復(fù)雜了則須確定的參數(shù)又太多，受參數(shù)可靠程度的影響，分析結(jié)果的可靠性必然大打折扣。殷宗澤指出，如果片面追求模型的復(fù)雜性，雖然使用了很復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，考慮的影響因素很全面，但列出的方程式過于復(fù)雜，不是在數(shù)學(xué)

4、上難以求解，就是所要求的有些參數(shù)無法取得，從而使理論沒有實(shí)用價(jià)值。現(xiàn)今使用的數(shù)學(xué)模型大致可分為兩類。一類是基于極限平衡理論的條分法，另一類是數(shù)值分析方法。雖然條分法人為假定的條間作用力并不代表斜坡真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，但條分法計(jì)算簡單，發(fā)展歷史較長，就穩(wěn)定性而言，其結(jié)果已可滿足實(shí)際需要，尤其對土坡是如此。各種條分法的對比說明，在參數(shù)相同的情況下，采用不同的計(jì)算假設(shè)，相互之間結(jié)果差別不大，誤差主要來源于參數(shù)的取值。這也說明條分法的發(fā)展已相當(dāng)成熟。七、八十年代有些學(xué)者致力于求取最可能滑動(dòng)面。所用方法一般是將穩(wěn)定性系數(shù)Fs視為滑面上某些函數(shù)的泛函，用變分法求該泛函的極值，F(xiàn)s最小的滑面即最可能的滑面。但是

5、普遍存在的一個(gè)缺陷是數(shù)學(xué)上不夠嚴(yán)密，即給出的只是極值的必要條件，而未能給出充分條件。換言之，滿足同一Fs值的滑面可能不止一個(gè)。從實(shí)用的角度來看，現(xiàn)今計(jì)算機(jī)的速度已相當(dāng)快，并且性能仍在不斷提高，因此可以取一相當(dāng)寬的搜索區(qū)域反復(fù)試算，直至得出的穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最?。粵r且，影響計(jì)算結(jié)果的主要因素是參數(shù)取值，既然如此，將研究的重點(diǎn)集中到計(jì)算參數(shù)的合理優(yōu)化上，似乎更為有利。從這個(gè)意義上來講，最可能滑面的求解只具有理論上的價(jià)值。止匕外，最可能滑面理論僅適用于土質(zhì)邊坡，對巖質(zhì)邊坡而言，情況與土質(zhì)邊坡有很大不同。由于巖質(zhì)邊坡在長期的地質(zhì)歷史環(huán)境中接受改造，形成很多結(jié)構(gòu)面（如層面、裂隙面、節(jié)理面），這些預(yù)制”的結(jié)

6、構(gòu)面控制著邊坡的變形發(fā)展，而完整巖石的力學(xué)性質(zhì)尚居其次，所以，巖質(zhì)邊坡的破壞遵循的規(guī)律與土質(zhì)邊坡的有較大的不同。邊坡穩(wěn)定性分析的另一類數(shù)學(xué)模型是數(shù)值分析方法（有限單元法FEM、邊界單元法BEM、離散單元法DEM、有限差分法FDM等）。由于計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，數(shù)值分析方法得到了充分發(fā)展，并進(jìn)入成熟階段。當(dāng)前，最大的矛盾是對本構(gòu)關(guān)系的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，成為制約計(jì)算成果可靠程度的瓶頸。有限元要繼續(xù)發(fā)展完善，應(yīng)該考慮本構(gòu)關(guān)系上的非線性和幾何上的非線性。本構(gòu)關(guān)系上的非線性已經(jīng)考慮到（如粘一彈一塑性模型），但巖土體的本構(gòu)關(guān)系實(shí)在太復(fù)雜，模型與實(shí)際情況之間總有一定差別；幾何上的非線性在小變形時(shí)

7、還不明顯，因此不為人所注意，變形較大時(shí)就不可忽略了，如隧道軟巖的變形破壞就無法用基于小變形假設(shè)的計(jì)算結(jié)果來解釋。小變形已越來越不適應(yīng)理論發(fā)展的需要，基于大變形前提的計(jì)算理論是今后發(fā)展的方向。如前所述，參數(shù)取值對計(jì)算結(jié)果的影響是首要因素，而巖土體又固有一定的不均質(zhì)性，受參數(shù)取值的變動(dòng)，計(jì)算結(jié)果必然有一定的離散性。因此，每次單獨(dú)變動(dòng)某一參數(shù)的取值，得到新的穩(wěn)定性系數(shù)，如此重復(fù)，找出對穩(wěn)定性系數(shù)影響最大的因素，即所謂敏感度分析。例如，巖土體的內(nèi)聚力c與內(nèi)摩擦角小相比，后者對穩(wěn)定性系數(shù)的影響更為顯著，因此增大內(nèi)摩擦角能更有效地提高邊坡的穩(wěn)定性。麻面爆破法即利用了這一原理，其大致作法為，適量裝藥將邊坡內(nèi)

8、部軟弱結(jié)構(gòu)面爆破為破碎狀態(tài)，當(dāng)滑坡沿該軟弱面滑動(dòng)時(shí)，必須克服塊體的傾倒角，從而提高滑坡的穩(wěn)定性。作用在滑坡體上的營力有一定的隨機(jī)性，因此邊坡的穩(wěn)定性也具有一定的隨機(jī)性。概率理論已應(yīng)用于評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。非線性理論也已用于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)。以上介紹的是數(shù)學(xué)模型。計(jì)算技術(shù)雖發(fā)展迅速，但由于對物理機(jī)制的認(rèn)識尚不充分，加之很難精確確定各個(gè)因素的影響，因此數(shù)值計(jì)算至今還不能完全取代比較成熟的物理模型試驗(yàn)。在今后相當(dāng)長的時(shí)間里，模型試驗(yàn)將與數(shù)值模擬并存，兩者還可以相互驗(yàn)證。模型試驗(yàn)還會繼續(xù)得到發(fā)展。日本的模型試驗(yàn)水平是比較高的。他們的模型試驗(yàn)規(guī)模大，仿真性強(qiáng)，自然更接近于真實(shí)情況。如在日本科技廳防災(zāi)技術(shù)中心

9、設(shè)置的降雨裝置高23.0m,降雨場地面積75X50m2,其最大降雨強(qiáng)度可達(dá)200mm/h（日本降雨量最大的一個(gè)地區(qū)最大降雨強(qiáng)度185mm/h）;模型比例尺大到1:50。佐佐恭二建立了滑坡體（或泥石流土石水混合體）運(yùn)動(dòng)微分方程；中村浩之將佐佐恭二的工作向前推進(jìn)了一步，將滑動(dòng)土體視為不可壓縮的牛頓粘滯流體”，利用Navier-Stokes方程對滑坡士體作了三維動(dòng)態(tài)仿真模擬分析。這些成就表明，日本對滑坡的研究，無論是在數(shù)學(xué)模型還是在物理模型上，水平都是比較高的。3滑坡的失穩(wěn)模式及其影響因素張倬元等將斜坡變形機(jī)制分為6種模式：蠕滑一拉裂、滑移一壓致拉裂、滑移、滑移一彎曲、彎曲一拉裂、塑流一拉裂。這6種

10、模式相互復(fù)合可以解釋更為復(fù)雜的斜坡變形機(jī)制。DouglasSteadandEberhard在總結(jié)露天高邊坡的破壞機(jī)制時(shí)，將其分為6類：雙結(jié)構(gòu)面破壞(Bilinearslabfailure);(2)犁起破壞(Ploughing);(3)彎折破壞(Buckling);(4)逐步破壞(Step-path);(5)平面型失穩(wěn)(Planarfailure);(6)舊有構(gòu)筑失效(Oldworkingcollapse).這個(gè)分類方法直觀易懂，值得借鑒。影響邊坡穩(wěn)定性的因素有：地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、巖性、結(jié)構(gòu)面、邊坡坡角、天體引潮力、地震、植被、水文地質(zhì)條件以及人類工程活動(dòng)等。其中以水對邊坡的影響最為突出，故有治

11、坡先治水”、無水不滑坡”之說。水的存在會增大巖土體的容重，軟弱巖在水的長期浸泡下力學(xué)性質(zhì)劣化，孔隙水壓力使滑動(dòng)面上的有效正應(yīng)力降低，滑坡后緣的孔隙水壓力產(chǎn)生水平分量，這些都不利于滑坡體的穩(wěn)定。當(dāng)巖土體中含有可溶鹽類(如石膏)時(shí)，水的溶蝕作用具有很強(qiáng)的破壞性。大氣降水(主要是降雨)觸發(fā)滑坡已屢見報(bào)導(dǎo)，滑坡除與降水量有關(guān)外，還與降水持續(xù)時(shí)間、地表徑流排泄條件、初始地下水位、滑坡體巖土體的滲透特性等因素密切相關(guān)。另外，低溫在有些情況下也可以觸發(fā)滑坡。M.Gorietal報(bào)導(dǎo)了意大利東北部Belluno省IoldoAlto鎮(zhèn)RudelleRoeStream?骨坡。該地區(qū)秋季為雨季；冬季寒冷干燥，平均氣

12、溫-15-20C,降水很少。然而滑坡是在冬季發(fā)生的。究其原因，乃是寒冷的天氣將水封閉在坡體內(nèi)而聚集起很高的孔隙水壓力，從而觸發(fā)了該滑坡。現(xiàn)場的勘察證實(shí)了這一推斷。一般認(rèn)為，植被可以緩沖降水對坡面沖蝕，加快土壤水分的蒸發(fā)，其根系對坡體有加固作用，這些都有利于滑坡的穩(wěn)定。但是考慮到植被也同時(shí)增加了邊坡的荷載，在一定條件下，植被對滑坡也可以產(chǎn)生不利的作用。例如，發(fā)現(xiàn)在有植被覆蓋的有些地區(qū)，邊坡發(fā)生了滑塌，沒有植被覆蓋的邊坡反而是穩(wěn)定的。經(jīng)研究，這些發(fā)生滑塌的邊坡坡角一般為40。左右，恰為臨界坡角，上覆植被系新栽種的，其根系尚未貫穿滑面扎入穩(wěn)定地層中。當(dāng)有大風(fēng)作用于植被時(shí)，增大了滑坡體上的水平分量，因

13、而觸發(fā)了滑坡。這也從反面提示人們，邊坡植被一旦遭到破壞，其后果是很嚴(yán)重的，并且難以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。再如，南加州海岸地區(qū)的一種土滑發(fā)生在覆蓋著冰植物的陡切斜坡上，在潮濕的冬季，扎根淺的冰植物攔蓄水分，使陡坡增大了相當(dāng)大的重量，因而增大了驅(qū)動(dòng)力。有些粘土邊坡經(jīng)受反復(fù)的浸水和曝曬，坡面上形成很多龜裂面，甚至可以貫穿至坡體的深部，對坡體穩(wěn)定十分不利。在這樣的邊坡上種植草木可以調(diào)蓄徑流，減少地表水入滲和對坡面的沖刷，維護(hù)邊坡的穩(wěn)定性?？偟恼f來，植被對邊坡的穩(wěn)定起的作用是利大于弊，保護(hù)好現(xiàn)有的植被，禁止亂砍亂伐是必須長期貫徹的政策4滑坡預(yù)報(bào)問題在滑坡研究中，時(shí)空預(yù)報(bào)問題不確定性最大，難度也最大。約旦在修建

14、高速公路時(shí)，對滑坡進(jìn)行地質(zhì)填圖，按照滑坡可能性進(jìn)行分區(qū)，對工程決策起了很大作用。這可以看作是滑坡空間上的預(yù)報(bào)。而時(shí)間上的預(yù)報(bào)則困難得多。根據(jù)長期觀測資料，將位移一時(shí)間關(guān)系曲線外延可以推測滑落的時(shí)間，但誤差一般較大。況且，當(dāng)位移速度足夠大時(shí)，推測的精度固然提高了，而這已失去預(yù)報(bào)的意義。人們總試圖找到一個(gè)穩(wěn)定判據(jù)以衡量滑坡的穩(wěn)定程度，并且作了大量的嘗試。一般的出發(fā)點(diǎn)都是找到一個(gè)物理量來表征滑坡體這一力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)這個(gè)量達(dá)到某一臨界值時(shí)，滑坡即發(fā)生，人們很自然地想到，滑坡是沿做功最少即最省力”的路徑下滑的。事實(shí)說明問題沒有那么簡單。舉例來說，宏觀的張裂縫不總是有效的判據(jù)，有的滑坡后緣張裂縫持續(xù)發(fā)

15、展到相當(dāng)程度，許多人斷言必滑無疑，卻又穩(wěn)定下來；還有，人們通常認(rèn)為，機(jī)車振動(dòng)、工程活動(dòng)、暴雨等是滑坡的觸發(fā)因素，而有的滑坡是在這些觸發(fā)因素并不存在的情況下滑落的，找不到明顯的觸發(fā)因素。這些尚未得到完善解釋的實(shí)例說明，滑坡孕育、發(fā)生的規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。徐嘉謨指出，目前提出的幾乎所有的判據(jù)都是不完善的。有的作者試圖以重力勢能作為判據(jù)，理由是勢能越小越穩(wěn)定。但他們忽略了滑坡體的總勢能還應(yīng)包括彈性勢能，僅僅考慮重力勢能是不嚴(yán)密的。就目前來說，還未能找到既合理又有明確物理意義的判據(jù)。文獻(xiàn)從塑性理論中的下限定理出發(fā)，結(jié)合宏觀跡象給出滑坡滑動(dòng)的判別方法，實(shí)際上是向最可能滑面方法的逼近，因此并無實(shí)質(zhì)性的改善。

16、應(yīng)當(dāng)指出，用穩(wěn)定性系數(shù)來表征滑坡的穩(wěn)定性，只是從靜態(tài)的觀點(diǎn)去看待滑坡問題，是不夠全面的。實(shí)際上，滑坡從孕育、發(fā)展直至滑落，是一個(gè)漫長的過程。它不僅僅是一個(gè)靜力學(xué)問題，其中往往還有蠕變。就一個(gè)邊坡來說，盡管它的初始力學(xué)狀態(tài)滿足平衡條件，經(jīng)過長期的蠕變，則可能朝著不穩(wěn)定的方向發(fā)展。在重力作用下，在適當(dāng)?shù)膸r性和構(gòu)造條件下，會形成蠕變帶25,若蠕變不能趨于穩(wěn)定，則會孕育成為規(guī)模龐大的滑坡。蠕變的客觀存在，也使滑坡預(yù)報(bào)的難度增加了。5巖溶地區(qū)的滑坡碳酸鹽巖邊坡屬于層狀巖質(zhì)邊坡，具有一般層狀巖質(zhì)邊坡的共性，因此，碳酸鹽巖與其它巖質(zhì)的滑坡并無本質(zhì)差別。但是由于巖溶和巖溶地下水的作用，碳酸鹽巖邊坡的滑動(dòng)破壞具

17、有一些特殊性。除了含泥量較高的泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖外，大部分碳酸鹽巖屬于堅(jiān)硬巖石，因而可以形成高陡的邊坡，此為有利的一面；碳酸鹽巖易被地表水、地下水溶蝕，發(fā)育溶縫、溶洞，破壞巖體的完整性，這是不利的一面。巖溶水的作用也是一分為二的。在碳酸鹽巖邊坡表面，降雨形成的面流對巖體產(chǎn)生面狀溶蝕，不利于邊坡穩(wěn)定；在一定條件下，也會產(chǎn)生碳酸鹽的再沉淀與結(jié)晶作用，一些溶蝕裂隙被CaCO3充填膠結(jié)，對邊坡的表層起到保護(hù)和加固作用。而巖溶水的動(dòng)力作用對邊坡的穩(wěn)定十分不利。巖溶水對巖體產(chǎn)生溶蝕、沖蝕和劈裂作用，由于溶蝕作用為水在巖體內(nèi)部造成了良好的通道，在大雨時(shí)溶蝕張裂縫中動(dòng)水壓力驟然增加，水平推力加大，同時(shí)滑面上出

18、現(xiàn)揚(yáng)壓力，滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度降低，容易誘發(fā)滑坡。在高寒地區(qū)，地下水在溶縫中的凍脹作用可以加速巖體的破壞。6滑坡的工程治理滑坡治理投資甚巨，但若任其發(fā)展勢必造成更大的損失。據(jù)孫廣忠估計(jì)，長江上鏈子崖治理費(fèi)用與效益之比為1:20。當(dāng)然，最好是防患于未然，盡量減少對地質(zhì)環(huán)境的破壞。不少滑坡(如鐵西滑坡)是采石、切坡等人為因素造成的。孫廣忠提倡的地質(zhì)工程”理論的重要一點(diǎn)就是，地質(zhì)體有自穩(wěn)的能力，地質(zhì)工程應(yīng)該充分利用這種自穩(wěn)能力。如果盲目破壞地質(zhì)體，濫挖濫采，必將付出十倍百倍的代價(jià)。治坡先治水。在坡面上修建排水措施，盡量減少地下水的下滲，是一項(xiàng)非常有效的措施。為了降低地下水位，可以修建地下排水工程，如平孔

19、排水、虹吸排水等。對于厚度大、主滑段和牽引段較陡的滑坡，減重和反壓是防治滑坡的有效措施。其計(jì)算的理論依據(jù)是英國人Hutchinson提出的中線法”。支擋工程是主動(dòng)防護(hù)的有效方法，主要有：大截面抗滑樁、錨索抗滑樁、錨索、小型剛架加錨索、微型樁群等。樁和錨的結(jié)合是今后發(fā)展的趨勢。另外，還用改良滑帶土的方法，增加滑坡自身的抗滑力。灌漿、旋噴混凝土、石灰樁31盡管作用的微觀機(jī)理不盡相同，但目的都是提高滑帶土的強(qiáng)度。文獻(xiàn)31指出，石灰樁對邊坡的加固作用可以概括為5個(gè)方面：(1)生石灰消化反應(yīng)吸收樁體周圍粘土中的水分，減低了孔隙水壓力，從而使有效應(yīng)力增加；(2)粘土因生石灰消化反應(yīng)而脫水，從而增加強(qiáng)度；(3)由