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2、国内滑坡理论研究
关于滑坡研究,由来已久。
国内外学者从不同学科出发作过不少研究,特别是地质学家和土力学家提出过不少假说和见解。
一般地说,大都按静力学观点和理论,以滑坡的形成条件、营力因素、滑体结构、滑面尺寸为依据,对滑坡进行勘测和防治,实践证明是成功的,达到了保和提高地质环境及工程地质环境质量的目的。
1986年6月在宜昌召开的中国第一次“我国典型滑坡实例学术会议”和1987年4月由地矿部主持的“中国西南西北灾害山区斜坡稳定性研究”“六五”科研专报的评审会议认为,应将“滑坡动力学”的研究作为一项重大课题或方向提到滑坡研究的日程上。
1993年,胡广韬教授提出“滑坡动力学”观点,阐明了许多新观点,从而倡导并系统地论证了斜坡形成与演化过程中滑体的发育、滑移、解体、运行、停滞、消亡,以及斜坡等出现的一系列动力学规律,推进了我国滑坡动力学的研究。
同时,晏同珍分析了滑坡的平面受力状态,依据滑坡主要作用因素提出流变倾覆、应力释放平移、振动崩落及震动液化平推、潜蚀陷落、地化悬浮—下陷、高势能飞越、孔隙水压力浮动、切蚀—加载、巨型高速远程等九种滑动机理;
张倬元、王兰生等从坡体的地质结构和受力过程出发提出了五种滑坡破坏模式;
徐邦栋、王恭先分析了滑坡的受力状态和力学过程,从地质和力学的结合上提出了几种常见滑坡的机理;
卢肇钧研究了粘性滑带土的抗剪强度变化规律;
徐峻龄在研究高速滑坡时提出了“闸门效应”的概念;
曹炳兰等对没有明显的地震、暴雨触发因素的超大型洒勒山滑坡高速运动机制作了深入研究,发现锁固段在高速滑坡中的重要作用;
彭建兵等对黄河积石峡高速滑坡提出了3种成因机制,即“闸门效应”引起的启程剧动,高位能效应引起行程高速和空气动力效应与气垫效应引起的高速飞行;
易顺民等用信息维评价某滑坡认为,在一定范围内,大滑坡发生前,滑坡活动时空结构的信息维具有很好的降维特征;
河海大学曾开华用新信息法计算关联维,发现当斜坡进入加速变形阶段时,分维值趋于1,而临近失稳破坏时,分维值有下降趋势;
储同庆等(1994)将矿物包裹体研究方法引入工程地质,已较好地解决几个重要工程的稳定性评价问题;
中国科学院工程地质力学开放研究室和成都理工大学等在五强溪、李家峡、金川镍矿、三峡高边坡研究中,对山体岩体质量评价、三维结构数学模型及其数值分析和岩体断裂力学方面取得了进展;
中科院成都山地灾害与环境研究所和地矿部做出了全国小比例尺的滑坡分布图;
中科院孙广忠、杨志法、周瑞光、刘大安等发展了地质灾害监控系统和CT技术,在地质超前预报、监控反分析、反馈动态设计等方面已形成工程地质特色。
其次作为非线性科学业的支柱的耗散结构论,突变论和分形理论已开始被引入工程地质中,年轻学者表现更为活跃。
其中分形理论用的较多,在区域稳定性和滑坡研究中也取得了一些有意义的成果。
1992年以来,在边坡系统分析、可靠性评价和滑坡动力学和非线性动力学等研究中出版了多本专著和学术论文(胡广韬1995,罗国煜1992,1994,祝玉学1993,秦四清1994)。
值得注意的是,为了适应新的形势,建委系统牵头,多方响应,20世纪90年代出现了岩土工程体制。
从业务范围而言,岩土工程=水文地质+工程地质+环境地质+岩土力学地基处理。
数十年来,岩土工程理论与技术方法在指导滑坡防治工程中发挥了举足轻重的作用。
但是,随着在复杂地质体中进行重大工程建设的情况日益增多,遭遇到的滑坡体在规模上越来越大,而且滑坡结构更加复杂,对它的变形破坏过程的了解更加模糊,因此原有的以一般岩土体为研究对象的岩土工程理论与方法已不能满足要求,这样形成了一个新的发展——地质工程,它是工程地质继岩土工程后的一个新发展。
地质工程是由中科院地质所提出来的(孙广忠,1987,1989,1990)孙广忠明确提出“地质工程是工程地质的新发展”,“是一门新技术科学”,它的理论支柱是“地质构造控制论”和“地质体改造技术”。
用这一新概念以“解决地质、设计、施工相互脱节问题”1990年北京地质工程新进展国际会议后,地质工程这一概念引起了许多学者的注意。
我国工程地质专家孙广忠,胡海涛,罗国煜,梁炯均等对地质工程进行了系统深入的探讨和实践。
地质工程从学科上说,它使地质与工程深层次系统地结合。
由稳定性评价和变形预测,发展到按钱学森综合集成理论,把工程的、地质的和力学的不同来源的知识综合起来,储存成为描述工程地质力学作用于的模型,分析解决工程问题。
地质工程也是工程地质由预测评价,发展进入到参与决策和行动的新阶段。
总之,防灾减灾研究,促进了地质工程的发展,而地质工程本身内涵丰富,还有待于继续研究和发展。
3、滑坡稳定性研究现状及进展
3。
1滑坡稳定性评价研究进展
人类对滑坡的系统研究源于20世纪20年代的瑞典,在1928一1945年间,世界各国对滑坡的研究是零星和片段的,且大多由单独科研人员进行小规模的研究工作,只有瑞典、挪威、前苏联是由国立土工研究所进行滑坡研究,并发表了一系列研究论文与论著,其中,瑞典人取得的成就最大。
二战以后,对滑坡的研究工作逐渐系统而深人。
我国对滑坡的系统研究是建国以后才开始的。
随着三峡工程的兴建及大量的移民搬迁工作的需要,我国对库岸及滑坡研究的重视达到了前所未有的程度,并投人了上百亿的治理与研究资金,开展深入而系统的库岸及滑坡研究工作。
近几十年来,人类的工程活动越来越频繁,规模也越来越大,遇到的边坡稳定问题也越来越突出。
作为3大自然灾害(地震、洪水和崩塌滑坡泥石流)之一的滑坡灾害严重地危及到国家财产和人民生命的安全。
1933年8月25日四川茂坟县迭溪地震引发滑坡,死难者达8800人;
1981年雨季宝成铁路共发生滑坡289处,中断行车2个多月,抢建费用达256亿元。
1998年长江流域连续遭受了9次大暴雨和特大暴雨,仅重庆市范围内引发的大小滑坡达20多处,以及近年来三峡库区蓄水后黄腊石、新滩、天将坪、鸡扒子等滑坡有复活的迹象,同时也可能诱发一系列新的滑坡。
据统计,2002年全国由地质灾害造成的直接经济损失达2000元亿人民币。
滑坡是关系到国计民生的重大灾害问题,其危害对国民经济发展造成极端不利的影响,有人把它称之为“生命线工程”,因此对滑坡的稳定性进行系统而深人的研究,分析其形成机理,客观准确地评价其稳定现状,从而为滑坡灾害的治理提供依据具有十分重要的意义。
虽然人类对滑坡的研究经历了漫长的历史并取得了丰硕的成果,但对涉及滑坡稳定性的许多问题尚未取得一致的认识,尚有待进一步的研究。
滑坡稳定性评价一般涉及稳定性评价方法、坡体材料本构关系、滑坡稳定性影响因素、模型参数取值等多个方面。
滑坡稳定性将影响到工程选址、设计方案、道路交通、人民生命安全等重大决策问题。
关于滑坡稳定性研究的文献可以说浩如烟海,任何综述都难免挂一漏万,因此,本文仅对涉及滑坡稳定性评价的研究作一初步总结,并探讨其中存在的问题及需要进一步深入研究的若干方面,为我国滑坡稳定性评价及滑坡灾害的防治工作提供参考与依据,
2滑坡的稳定性评价现状
滑坡体稳定性实质是滑坡体滑动力与阻滑力对抗的结果,且受多种因素的影响,其决定因素是滑坡体的内在因素,主要是指滑坡体本身的固有特性(如坡度及影响其强度因素的岩性、结构构造、物质组成、微观结构连接特性、亲水性及分散度等)。
在外界因素中,以水对滑坡体稳定性影响尤为突出,因此有“治坡先治水”及“无水不滑坡”等之说。
水的存在会增大坡体容重、软弱的岩土体在水的浸泡下会使其力学性质劣化、孔隙水压力会使滑动面上的有效正应力降低、滑坡体后缘的孔隙水压力的水平分量会增加下滑力、水的溶蚀作用对坡体的稳定性也具有很强的破坏作用。
大气降水(主要是降雨),尤其是长历时强暴雨是导致滑坡的主要触发因素。
滑坡的发生除了与降雨量有关外,尚与降雨历时、滑坡体岩土材料的渗透特性与孔隙率、坡面径流排泄条件、初始地下水位及地下水位的补给条件等有关。
据资料分析和研究,大多数滑坡事件几乎都发生在雨势高峰期之后的4h之内,只有约10%的发生在16h以后。
而且对大量的滑坡事件的统计发现,约70mm/h的降雨强度是引起滑坡的临界值〔’〕。
低温在一定的条件下也可能诱发滑坡的发生,如意大利东北部Belluno省loldoAlto镇的RudelleRoeStream滑坡的启动,就是在冬季较低的气温(一15。
0一20。
0℃)下,冰冻效应将水封闭在坡体内积聚了很高的空隙水压力而诱发滑坡启动。
坡体一般是非饱和的,因吸力的存在,土体抗剪强度较高,对原本稳定的土坡,雨水一方面渗入土体,使土体饱和度增加,吸力锐减并引起抗剪强度大幅度下降,促使土体沿软弱夹层面等不良结构面产生滑动;
另一方面,大气降水下渗,使地下水位上升,增大了山坡土体含水量,动水压力增大,降低土体稳定性,是诱发滑坡的主要因素。
近几年来,关于降雨引起滑坡的研究非常活跃,取得了一些非常有价值的成果。
陈守义图等提出了一种考虑人渗和蒸发影响土坡稳定性分析方法,通过数值计算方法求出任意给定人渗和蒸发边界条件下边坡土体瞬态含水量分布,并假定非饱和土抗剪强度与饱和度之间存在一定的函数关系,据此将瞬态含水量分布换算为边坡土体瞬态抗剪强度参数分布,再用常规的土坡稳定分析方法计算土坡瞬态安全系数,从而求解这一复杂的藕合问题。
胡明鉴川等从决定滑坡稳定性的物质条件、结构条件和影响滑坡稳定性的环境条件及雨强、降雨量、降雨入渗、土体力学性质改变等多个方面阐述降雨对滑坡的作用过程,并通过大量试验,表明粘聚力和内摩擦角与含水率呈线性递减关系,降雨诱发滑坡是以降雨为主导因素的多种因素综合作用下发生的复杂过程。
Alonsol[]等采用考虑空气压力变化祸合的渗流分析方法计算了渗流场,并与极限平衡法结合,分析了降雨人渗对边坡稳定性的影响。
结果表明降雨引起滑坡有延迟现象,高降雨强度和低渗透性的参数组合可导致降雨后安全系数的降低。
Shimada「5〕等用Galerkin有限元法模拟了不同降雨强度和土类型的条件下二维非饱和渗流,并采用刚体弹簧模型进行了边坡稳定性数值分析。
结果表明较高降雨强度引起安全系数显著降低;
渗透性函数对边坡安全系数降低影响较小;
接近饱和时,基质吸力较小改变可引起边坡安全系数大幅度降低。
NGCWW闹等等针对香港情况研究了各种降雨情形和初始条件对暂态渗流和边坡稳定性的影响。
结果表明,安全系数不仅受到降雨强度、初始地下水位和各向异性渗透比的控制,而且还取决于先前降雨持时。
地震是诱发滑坡的重要因素,地震时砂土液化是导致某些堆积体滑坡的主要原因。
在人类工程活动中,不合理的工程开挖和填筑是导致滑坡的两大主要诱因。
开挖后的人工边坡形状发生较大的变化,边坡变形加大,一方面造成坡体上部因牵引而加载,增加滑动力;
另一方面于坡体内部位移过大,造成剪应变过大而降低材料强度,减少了阻滑力,使滑坡体处于稳定性敏感的范围内,最终可能导致滑坡启动。
植被具有减缓降雨对坡面的冲蚀、调蓄径流、减少坡面水的入渗、加快坡体中水分蒸发、植被根系对坡体有加固作用等有利于滑坡稳定性的作用;
但在特定的条件下,植被也有对滑坡稳定性不利的作用,如由于植被的存在增加了坡体荷载,特别是植被较高时,在大风作用下,会增加坡体荷载,在一定坡度下,就会发生坡体塌滑。
总的说来,植被对滑坡体的稳定性是利大于弊。
256三峡大学学报(自然科学版)2004年6月坡体的组成成分、粒径的大小以及土壤中的含水量、孔隙气压力、孔隙水压力、以及地下水等是一个不断变化的量,受土壤的性质、天气、气候、当地的植被、生物等影响,而在这些因素的共同作用下,坡体材料的结构组成及其参数取值具有一定的随机性,从而滑坡体稳定性也存在一定程度的随机性,处理随机现象的概率理论及非线性理论应用到滑坡稳定性评价方面具有广阔的前景。
滑坡体的稳定性受多种因素的影响,降雨、地下水、地震及人类的工程活动是主要的外部因素,由降雨形成的暂态饱和区虽然在雨后消散很快,同时地下水位略有上升,但对滑坡体稳定来说,降雨常常成为控制因素。
目前对于降雨的研究取得了非常多有价值的成果,但是也有许多地方值得进一步深人研究。
4、滑坡防治的研究现状及进展
滑坡灾害与其他地质灾害治理一样,滑坡防治工程实质上是对灾害地质体的工程地质过程进行控制和改造,使之朝着有利的方向发展。
随着新奥法2地质灾害与环境保护2003年 (NATM)和挪威法(NTM)的引入,滑坡防治已从单纯采用被动支护进入到采用主动支护(如桩、墙等)以及主动与被动支护(如锚索、锚拉桩等)相结合的阶段。
抗滑桩和挡土墙仍然是滑坡防治工程的主要方法,但是在重大滑坡的防治中,预应力技术占的比重越来越大,预应力锚索、锚索桩、锚杆挡墙、喷锚网等技术的采用因势利导地发挥了灾害体的自承能力。
同时,以提高滑带阻滑能力,改善滑体自身结构的滑带改良工程正在受到重视。
以灾害作为建筑材料的一个组成部分来治理灾害体,利用灾害体的不良地质过程来控制与改造它的不良地质过程,这些现代化载程技术的采用逐渐充实了现代滑坡防治工程的基本理论。
建立于摩尔-库仑经典理论上的滑坡防治工程,进行的绝大多数滑坡防治工程是成功的,现今引入的数不胜数的理论只不过是对它的佐证和补充。
但是,这种理论难以刻画滑体变形破坏过程、滑带流变性和滑体的非刚性特征,由于认识上的局限性,只能通过增加工程投入来保证安全度和可靠度。
滑坡防治工程要求地质勘察、设计与施工有机结合,并以“地质”为主线贯穿始终,以“设计”为桥梁沟通“地质”和“施工”。
在设计阶段,首先要进行场地详勘,查明滑坡的几何边界条件。
通过实验室测试和反算求得滑面的物理力学参数。
通过计算评价滑坡的稳定现状,通过模型模拟或数值模拟评价各种治理方案的有效性并选定最优方案,最后进行施工图设计和监测系统的设计。
在当今滑坡防治工程设计中,并行性设计是现代设计的重要内容,在综合集成制造系统(CMIS)领域中已广泛应用。
由于滑坡体条件非常复杂,并行设计必须建立在非常充分的可行性研究基础上。
其次,在监测基础上对设计进行反馈,根据现场的实际监测情况,进行动态设计或信息化施工,并在滑坡防治工程中,建立智能专家系统,这在20世纪60年代以来,已取得了显著的经济效益。
在越来越重视环保的今天,绿色设计已成为现代滑坡防治工程设计的重要组成部分。
如在宜宾市翠屏山滑坡防治工程设计和著名风景名胜区陕西骊山明圣宫滑坡防治工程设计中,结合公园的“风水”,在治理滑坡的同时更加美化环境。
绿色设计的另一方面的重要内容是地质灾害的开发性治理,万县市望江路滑坡治理在利用抗滑桩阻滑的同时,也考虑其承重性,利用抗滑桩来作为建筑物的基础。
湖北巴东二道沟滑坡防治工程设计的抗滑桩不仅具有阻滑功能,还具有立交桥基和加固城建局大楼基础的作用。
在滑坡治理工程的实施程序方面,张倬元教授认为在施工阶段,施工前先建立监测系统获取治理前的初始监测数据,并在施工过程中进行监测以了解施工干扰对稳定性的影响和保证施工安全。
滑坡防治工程方面,常常可采用的措施主要有,绕避、地下水排水工程、减重和反压工程、支挡工程、
滑带土改良工程等几个方面。
(1)地下水排水:
主要采用的平孔、支撑盲沟,渗水盲洞等工程,这已广泛的应用于滑坡的治理当中。
关于虹吸排水,20世纪80年代以来在法国已用虹吸排水方法稳定了约100个滑坡。
其最大优点是可以自流排水,降低滑坡地下水位。
目前,中铁西北科学研究院已引进这一技术。
(2)减重和反压工程:
减重和反压工程是经济有效的防治滑坡的措施,得到了广泛的应用。
特别对厚度大的、主滑段和牵引段滑面较陡的滑坡效果更为明显。
但其合理应用则需先行准确判定主滑、牵引和抗滑段落。
英国人Hutchinson提出的“中性线”方法为减重和反压计算提供了理论论据。
该方法是在滑坡断面上用稳定性计算将滑坡上部土体移多少压于滑坡下部即可达到要求的稳定系数。
(3)支挡工程:
支挡工程的主要发展表现在一大、二锚、三小,即大直径抗滑桩、锚索和微型桩的研究和应用。
在桩方面,除了广泛应用的单排桩外,成都铁路局还采用过排架桩,铁道第四设计院设计过刚架式椅式桩墙,但由于施工上的一些困难,后来应用不多。
很多单位通过室内和现场试验研究了抗滑桩的受力模式和计算方法。
我国在这一方面居于世界前列。
在2世纪80年代研究提出的锚索抗滑桩,使抗滑桩形成上、下两个支点,这样桩的弯矩大大减少,因而其截面尺寸和埋深也随之减小。
先后在四川省金鸡岩煤矿滑坡、四川省江油松花岭滑坡、成昆线莫洛滑坡、川藏公路二郎山龙胆溪滑坡等40个余个滑坡上应用,比单桩节省约30%投资。
微型桩群:
20世纪80年代以来,微型桩群发展迅速,使早期用于房屋地基加固的微型桩也用于斜坡和滑坡加固。
其设计方法分两类:
一是极限平衡分析;
二是位移分析。
但目前设计方法和参数还研究不足,是今后的一个课题。
锚索:
近20年来,随着高强度锚索的生产和防腐技术的解决,预应力锚索在边坡加固和滑坡治理中已广泛应用。
或与抗滑桩联合使用,或单独使用。
在国内李家峡水电站、漫湾水电站滑坡治理,敦煌、榆林窟和山东蓬莱阁丹崖加固等几十处广泛应用。
(4)滑带土改良:
滑带土改良目的在于提高滑带土的强度,增加滑坡自抗滑力。
过去曾研究过灌浆、爆破、焙烧等方法,但至今进展甚小,没有广泛应用,主要是处理效果难以检验。
此外,在滑坡治理工程竣工后还需要通过监测以检验治理效果。
如发现治理效果未达到预期目标就需要修改设计或进行第二期治理工程论证。
如治理工程达到预期目的仍需进行定期监测,以便判定是否某些工程失效而需加维护。
5、滑坡预报的研究现状及进展
在各种减灾方法中,事先做出预报并采取有效的防范措施是一种最明智的选择,其中躲而避之是最易采取,有时甚至是唯一的可能。
其中预报成功的范例如中铁西北科学研究院成功预报了甘肃省永靖县盐锅峡镇的黄茨大滑坡,预报时间和实际下滑时间基本上完全吻合。
由于对滑坡采取了监测和预报,县、乡政府采取了防范措施,这个体积为600×
104m3的大型滑坡中,无一人伤亡,使我国的滑坡预报水平进入了世界先进行列。
在1996年,该院又成功的预报了焦家村滑坡,时间误差仅为8分钟,而且实现了遥控监测和实时跟踪预报。
随后又成功的预报了青藏线上的关角隧道滑坡。
关于滑坡预报,王恭先研究员认为,应着重滑坡预报因子的研究,这些因子有:
滑坡的位移、速度、加速度、地下水位、水量和水质的变化。
徐峻龄研究员认为:
滑坡预测预报的含义有广义和狭义之别。
广义而言,滑坡预报包含三项内容,分别为空间预测,时间预报,灾害范围预测。
其中时间预报阶段划分为长期预报、短期预报、临滑预报。
在这三个阶段中,可选用的预报参数是不尽相同的。
目前,用于进行短期和临滑预报的理论和方法主要有①日本学者斋藤氏在20世纪60年代提出的藤迪孝方法;
②我国学者邓聚龙提出的灰色预报;
③回归分析法;
④坡体变形功理论和方法。
上述方法只能一个点一个点的分析,但对于大型滑坡,只能把多数点比较集中的时段作为预报结果。
由此青年学者廖小平提出了符合滑坡运动的实际情况的,根据多个监测点的位移资料报出一个统一的剧滑时刻的理论。
他把塑性力学理论引入滑坡预报,提出滑体变形功率预报理论,这在黄茨等滑坡的预报均取得了良好效果。
这种方法,无疑是滑坡预报工作的一个突破性进展。
6、我国现阶段滑坡研究的困难
在我国,滑坡灾害区域性规律研究的深度和广度不足,至今缺少较大比例尺的全国滑坡分布图和预测图。
对大型复杂滑坡的形成机理研究不足,如滑坡地下水的分布和运动规律研究不深入,滑带土的强度参数的试验和选择还带有很大的经验性,这就使有些滑坡难以根治。
滑坡灾害防治至今没有规范可循,许多单位和个人凭经验进行勘察和工程设计,不规范,不统一。
近年来,国家各部门和企业投入不少经费用于防灾,投入滑坡勘察和治理和部门很多,但滑坡没有一个统一的技术规范,勘察深度不一,治理效果各异,有的滑坡治理2~3次仍未治住,浪费了国家资材。
滑坡勘察有其特殊性,它不同于一般的铁路、公路、水利和矿山勘察,也不同于地基勘察,必须制订统一的规范和要求,否则作了不少工作,但仍没有抓住要害。
此外由于对坡防治知识普及不够,人为灾害日益增多。
因而随着人类经济活动和建设规模的扩大,人为致灾的现象日益增多,造成了不应有的损失。
还有滑坡灾害的预测预报研究还不深入,认识不统一,常常延误防灾时机。
由于滑坡灾害的复杂性,其预测预报的难度大,致使一些发生初期可以预防的灾害因认识不统一,有的认为是滑坡,有的认为不是滑坡,下不了采取预防措施的决心,延误了时机,致使小病变成大患,小灾变成大灾,造成了大的损失。
这些都是今后迫切需要研究的课题。
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