平推式滑坡成因机制研究.docx

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平推式滑坡成因机制研究

译文

学院：

土建学院

专业：

土木工程

学号：

1145512226

姓名：

孙永顺

指导教师：

王玉英

江苏科技大学

2015年4月2日

平推式滑坡成因机制研究

摘要

中国滑坡是常见的，尤其是在泥岩互层砂岩序列的三峡库区和四川盆地。

本文讨论了遗传机制单级和多级平推式滑坡基于物理模型试验和数值分析的极限平衡准则。

它特别注重对产生静水压力和强降雨条件下的扬压力和相应的变形和破坏过程。

根据实际情况在17000000m3冯店垮梁子滑坡和25000000m3天台乡滑坡构造了一个模型。

结果表明，临界水头值与滑动面倾角之间的明确关系。

关键词平移滑坡静水压力扬压力极限平衡判据临界水头

简介

在三峡库区和四川盆地普遍存在一类十分特殊的滑坡，这种类型的滑坡多发育于近水平砂岩、泥岩互层的岩体中，岩层倾角一般仅3°～5°，最陡者也不超过10°，如三峡库区的万州和平广场滑坡群、重庆巴南麻柳嘴滑坡、四川省冯店垮梁子滑坡、宣汉县天台乡滑坡和在修建成都—南充、成都—绵阳。

平推式滑坡最早是由张倬元等于1985年正式提出的，其基于大量工程实例的研究结果表明，该类滑坡多发生在近水平层状体斜坡的滑移–压致拉裂或塑流–拉裂变形体中，具有间歇裂隙充水和承压型水动力特征，并提出了平推式滑坡的启动判据。

殷坤龙等通过对万州区近水平地层滑坡和堆积体成因机制的研究，提出静水压力是诱发平推式滑坡的主要因素。

孔纪名和陈自生对1989年9月暴雨诱发的川东地区的红层滑坡进行分析，发现在本次暴雨期间发生的几万处滑坡中，规模和危害性较大的滑坡均为平推式滑坡。

伍四明和李日国对万县滑坡群形成机制进行研究，从滑坡群现有的外貌和滑体结构特征，总结出该滑坡群具有平推式滑坡特点。

Q.Xu等系统研究了2004年四川省宣汉县天台乡滑坡的成因机制，并对其治理措施进行了简要介绍。

但上述研究多基于野外地质调查和宏观定性分析，并未对其变形破坏机制和启动判据进行深入分析和验证。

直到现在，国外学者对平推式滑坡的研究成果更是凤毛麟角，但大量对降雨诱发型滑坡的研究方法和研究成果，对本研究仍具有较高的参考价值。

Guzzetti等人（2004）系统研究了意大利Liguria西部多个由2000年11月23日暴雨诱发的滑坡。

Mikos等人（2004）详细描述了2个发生于斯洛文尼亚Stože斜坡的平推式滑坡，并指出持续降雨引起的高承压水是诱发滑坡的主要因素。

Corominas和Moya（1999）分离的降雨的影响滑坡发生的两种推导出一个190毫米左右降雨阈值在24h内将启动失败，而超过300毫米，24–48h需要引起广泛的浅层滑坡Llobregat的流域，东比利牛斯山脉，西班牙。

Chen等人（2006）讨论了参与发起的因素滑坡在重和地区大规模的泥石流台北县，台湾北部，导致2000年11月台风象神暴雨。

LourencoSergio（2006）研究的影响通过实验对边坡行为渗透性的变化意味着，特别是对孔隙的产生在不同渗透率的土壤附近的水压力，与相应的失效模式。

Wang和Sassa（2003）进行了一系列的模型试验触发使用一个小水槽降雨诱发滑坡。

也有大量的关于降雨诱发滑坡的阈值的启蒙文学，取得了重要的结果。

Jakob和Weatherly（2003）指出这引发的滑坡降雨是数以千计的原因全球每年死亡。

一个可能的限制这样的社会经济后果的方法事件是滑坡发生的气候阈值的发展，所以他们做一个详细的研究水文气候阈值在滑坡启动温哥华北海岸山脉，不列颠哥伦比亚省。

Floris和Bozzano（2008）根据历史降雨记录，建立了一个优化的降雨诱发滑坡启动判据模型，用以评价滑坡在暴雨诱发下复活的可能性。

近几年平推式滑坡在中国频频发生，已有勘查资料显示该类滑坡的滑带土内摩擦角往往大于滑面倾角。

在本文中，平推式滑坡是细分为单级（即不细分任何裂缝）和多级（即切成几块大裂缝）。

在后者的情况下，滑坡在发展阶段，从前面到后面，从中心向两侧。

本文介绍了特征滑坡的成因并试图提供一个他们的触发机制和鲁棒性理解验证了极限平衡判据。

案例研究

单级平推式滑坡：

冯店垮梁子

1949年冯店垮梁子17000000立方米的滑坡

该主体的滑坡是400-600米长，800-900米宽，平均厚度40米但延伸一个证明最大90米，倾角地层变化从3°到6°。

有一个明显的张力（宽大于50米）在滑坡体上（图1）中这水积聚，使得横向静压力和扬压力的创建过程中/后重降雨（图2）。

因此，滑坡仍积极推进间歇。

有一个小在主体的脚村，但由于该连续运动的居民已经被重新安置在过去的60年里，几次。

1981，由于降水量大的位移，滑坡约10米。

根据图2中的模型中，静水压力槽的底部σw=γHw。

复合力静水压力的1/2γHw2.行动点1/3Hw.静水压力和扬压力平等在A点。

当水头在裂纹或拉槽达到方程1中的hcr值（见下文），滑坡发生。

当滑块向前移动，压头下降，静压压力会消散，滑坡将停止移动。

假设滑动面

拉槽

图1：

冯店垮梁子滑坡典型的观点

图2：

一个单级平推式滑坡二维地质模型显示压力向量

多级平推式滑坡：

天台乡

2004年9月2日-6日，四川省达州市宣汉县天台乡义和村发生了特大型岩质滑坡。

经过三多天的降雨，在1500高的大型滑坡发生的大约25000000m3。

滑坡长950～1200m、宽1400～1600m、平均厚度23m。

图3：

中国四川省达州市宣汉县天台乡滑坡的工程地质图，该村大部分为滑坡区

该滑坡不仅摧毁了1.2km2滑坡区范围内所有的房屋、圈舍2983间，造成1255人无家可归。

同时，滑坡前部约2000000m3的滑体物质冲入前河，堵塞河道，形成宽1500m、高20余米的天然堆石坝和库容达60000000m3的堰塞湖。

回水淹没上游五宝镇及沿河两岸农户，紧急转移19360人，直接经济损失上亿元。

该滑坡的特征

滑坡体所处地质构造部位为五宝背斜东南翼，地层为侏罗系遂宁组的泥岩、砂岩互层。

原始坡体浅表层为一层3～5m厚的坡残积层和耕植土，其下为厚约20m的泥岩层，滑床为较为坚硬的厚层砂岩（图4）。

在泥岩和砂岩层中，发育有NE和NW向的两组裂隙，将地层切割成块状。

岩层总体产状110°～120°。

在图4中看到的一样，滑动面是平行的边坡。

而传统的极限平衡理论的含义的材料，在干燥状态下，不能移动如果滑动角小于摩擦角，在大多数情况下山体滑坡发生时的运动是在进步由于静水压力或扬压力。

在目前的情况下，暴雨是诱发该滑坡的主要外部因素，给上升到高达140米的运动（图5，6，7）。

图4：

天台村滑坡破面的工程地质

向前滑动140米

图5：

在激烈的变形区140米的位移

图6：

大型岩柱顶上的一块混凝土板由后向前滑动约140米

大约20米宽

图7：

槽和脊地形滑坡

据气象资料显示，从2004年9月3日20：

00～9月6日20：

00，滑坡所在地区的降雨量达403.3mm，其中9月4日20：

00～9月5日20：

00降雨量达257.0mm。

尽管如此，当地人说，在激烈的降雨，河水流过整个表面的滑动体。

多级平推式滑坡变形破坏过程地质模型

滑坡变形破坏地质模型是在对滑坡地质条件、诱发因素和变形破坏特征等进行深入调查、分析与宏观地质判断的基础上，综合分析后给出滑坡变形破坏的地质力学模式。

宣汉县天台乡滑坡的变形破坏地质模型可以概化为图8，并分为如下几个阶段：

图8（a）为天台乡滑坡典型剖面概化模型，其中①～③代表由裂隙I，II和III切割的次级滑块。

在强降雨条件下，地表水通过坡表的坡残积层渗入泥岩层内的构造裂隙中，并在裂隙中产生静水压力和沿滑移面分布的扬压力。

裂隙充水后不仅会对前一滑块（如裂隙I中水对滑块①）产生静水压力，同时其对后一滑块（如裂隙I中水对滑块②）也会产生与之大小相等、方向相反的静水压力。

由于滑体厚度基本相同，且滑面近于水平，滑块②，③边界所受的静水压力基本可相互抵消，最后只有滑块①真正受到静水压力的作用，受力图可简化为图8（b）。

由于滑坡前部临空条件较好，加之水的作用使滑带土抗剪强度降低，抗滑力降低。

因此，当裂隙I中的水头高度达到一定值时，滑块①首先在静水压力和沿滑移面扬压力的联合作用下，启动并快速滑出。

其前缘大部分冲入前河，其余部分，随着裂隙I的发展和其内静水压力的消散，在滑动一段距离后便自行制动（图8（c））。

滑块①的滑动不仅为其后部滑块②的滑动提供了良好的临空条件，而且改变了滑块②的受力状态，使滑块②后部的静水压力不能完全被抵消。

因此，滑块②在裂隙II中静水压力和沿滑移面扬压力的作用下，产生平推式滑动。

依此类推，便产生了从前至后、从中间向两侧逐渐扩展、后退式的多级平推式滑坡变形破坏模式（图8（d））。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

图8：

多级平推式滑坡地质变形和破坏模型（天台村），a：

滑块受力图；b：

前部滑块首先平推滑动；c：

前部滑块滑动后形成拉线槽，使其后部滑块受力条件改变并产生平推式滑动；d：

上述滑动过程依次向后传递；e：

最后在滑坡区后缘形成长大拉线槽

天台乡平推式滑坡成因机制物理模拟

物理模拟是一种发展较早、应用广泛、形象直观的岩体介质物理力学研究方法。

长期以来，不少国内外学者采用模型试验手段，成功地分析了不同边坡、滑坡和泥石流等的成因机制。

胡修文等采用3个小比例尺二维物理模型试验，对三峡库区赵树岭滑坡在库区蓄水、水位波动、地面荷载和可能的地震荷载作用下的整体稳定性及其可能的变形破坏机制进行了研究。

左保成等进行了反倾岩层、边坡失稳破坏机制的相似模型研究。

黄涛等采用模型试验方法对地表水入渗环境下边坡的稳定性进行了研究。

石豫川等采用物理模拟手段，对国道108线某段缓倾角顺层边坡的变形破坏机制进行了研究。

平移极限平推式滑坡

平推式滑坡的极限平衡条件被一些作者提出了一个考虑；张某等人在本文中提出的。

即：

hcr=[L2tg2ψ+8Wcosαtgψ/γwsinα]1/2/2cosα

（1）

hcr为滑坡启动临界高度；W为滑块单宽重量（t/m）；α为滑移面顺滑动方向倾角（倾向坡外为正值，反之为负），试验时α=0°～10°；L为滑块底面沿滑动方向长；ϕ为滑面摩擦角；γw为水的容重

主要原则

物理模型试验是根据相似性原理，通过该模型的行为以类似的方式对原滑坡。

相似性原理研究在许多物理模型试验（Zuo等人2004；Shi等人2003；Chen、Tang2002；Chen、Luo2004）。

应满足以下条件：

Cδ=Cσ=CγCL

（2）

Cf=1（3）

Cδ=δp/δm，Cσ*=σp/σm，Cγ*=γp/γm，CL=Lp/Lm，Cf*=fp/fm（4）

其中C=尺度因素；δ=位移；σ=压力；γ=材料的密度；L=模型大小；f=摩擦系数。

下标“p”和“m”代表原始条件和物理模型试验。

根据试验条件，确定几何相似系数为70,并保证容重相似系数为1（即模型试验与地质原型的材料重度相同）。

Cσ=Cδ*=CL=CγCL=70（5）

Cψ=Cf=1（6）

其中Cσ=压力量表因子；Cδ=位移尺度因子；CL=尺度因子大小；Cψ=摩擦角尺度因子；Cf=摩擦尺度系数因子。

模型中的水头之间的关系试验和实际情况通过方程式2-6可以减少，用方程式7表达。

CL=Hp/Hm=70（7）

其中H=水头

从公式7和水力计算公式（公式8），可以得到其静水应力比例因子（公式9）。

σw=γHCγ=1（8）

CL=Cσw=σwp/σwm=Hp/Hm（9）

物理模拟试验设备和试验模型

物理模型试验进行控制在一个水槽装置实验室条件。

水槽试验尺寸从几厘米到几米的范围内，旨在通过不同的模拟自然边坡失稳触发器。

他们可能是模拟的最佳方法自然边坡的失败，尽管土壤自然变异（晶粒尺寸，结构，根，等）和初始应力条件下不能被精确建模。

它会很难模型的一个实际的侧向约束滑坡，因此它是假设之间的联系滑体和水槽玻璃双方将发挥一个类似的约束。

采用水头测量和摄影监测水头之间的关系失败的开始。

长4米，高1米，宽0.8米水槽装置（图9）是由国家重点设计地质灾害防治和地质环境实验室保护和有玻璃边缘，滑坡破坏过程中可以观察到。

只使用部分的水槽；该模型是在高度为0.5米，长度1米或1.5米的典型。

检测机构由三部分组成，槽首、槽身和槽尾（图9）。

槽首与槽身间采用多孔的有机玻璃板隔开，玻璃板一侧贴有过滤膜。

槽身主要用以建立试验模型。

试验时将槽首假设为滑坡后部的拉陷槽，在其内注水，模拟降雨时的裂隙充水过程。

槽首内的水可通过多孔隔板的小孔，流入槽身，产生静水压力作用于模型后部（即滑体后部）。

试验过程中多余的水可流入槽尾的水箱，通过水泵实现循环利用。

试验设备主要包含：

动力装置（用以调节仪器的倾角0°～20°）、降雨装置（用以模拟降雨）、测量装置（为仪器后侧的多个测压管，用以测量沿滑面不同位置处扬压力的大小）、水位调节装置（用以调节槽首注水的水头高度）和水箱装置（用以实现水的循环利用）。

图9：

模型和测试安排

模型的测试顺序

物理模拟共设计6组试验模型，前3组模型长100cm，后3组模型长150cm，滑坡体后缘高均为50cm，模型宽均为80cm。

以宣汉县天台乡滑坡岩土体物理力学参数为依据，滑体主要由黏土、砂和碎石按照65∶20∶15配和而成，重度为20.8kN/m3。

这是放置在一个30毫米厚的抛光粘土层（模拟剪切面）以上的渗透砖和粗砂基。

为了在拉槽保持水头在冠，滑体的四周是聚乙烯膜。

平均摩擦系数聚乙烯膜在土壤之间滑动区0.227（摩擦角等于12.8）。

平均摩擦系数f的计算从方程f=F/g，F是所需的力为了使试验样品的移动，G是试验样品的重量。

物理模拟的关键是如何产生地质原型中拉陷槽或裂隙内的静水压力和沿滑移面的扬压力。

有两种方法来填补槽与水的水槽的头：

采用沉淀进行人工降雨或直接填充装置的第一种方法涉及高强度、长时间的引起滑体严重侵蚀的降雨，因此，使用第二种方法。

如上所述，滑体的底部和两侧被包裹在塑料因此而静水压力可以通过水槽应用，水在基本不可能渗透到滑体因此在聚乙烯扬压力能建立了。

将滑面倾角依次固定在0°，3°，5°，6°，7°，8°，9°，10°。

记录的水头值与滑体的位移就开始拉槽满是水和结束时的变形停止。

结合摄影和视频被用来研究变形与失效过程。

表3中记录的各种静水压力和扬压力在模型的角度3°，5°，9°

表1：

模型试验的一系列参数和数据

表1：

对模型试验的一系列参数和数据

表2：

模型试验的第四系列的参数和数据

结果的描述和分析

在这项研究中，失败是由视觉观察来定义对滑体的变形，在这期间有许多裂缝和膨胀。

当水头在张力槽达到某一临界值时，材料开始前进的一个身体，这样拉槽变宽，水头降低。

随着在静水压力降低，扬压力也这样，运动减少，最后下降停止。

变形和破坏过程进行了说明图10a-f。

从模型试验，定量关系临界水头的水平和倾斜角度滑动面可以确定（图11和12）。

的六系列试验得到相同的结果；只有第一（1米长的滑动相关）和第四（相关1.5米长的幻灯片）如下。

最相关的参数和试验结果给出表1和表2。

表3：

在槽的静水压力的比较及以下的滑坡冠扬压力（参见图9）

为了评估结果的可靠性，一个静水压力之间的比较在槽下冠的扬压力滑坡。

表3显示，扬压力通过测压管实测几乎等于1在A点小的原因不同静水压力，测压管1号是8厘米从A点（图9）。

裂缝最宽处达5cm

操作台

图10：

平动性滑坡的变形破坏过程在物理模型试验，a为滑坡模型试验前滑倾角3°；b为滑坡模型试验后滑动3°；c为滑坡模型试验前滑5°；d为后滑坡模型试验滑动倾角5°；e为裂缝滑坡体的形成；f为的膨胀和分裂形成滑坡体

模型试验的结论

分析了模型试验的结果，可以得出如下结论：

（1）重建的模型试验变形在某种程度上的平移滑坡破坏过程强与现实证明平移式滑坡的主导驱动力在张力裂缝/静水压力槽沿滑面扬压力的断裂/拉槽水头起触发该类型滑坡的关键作用。

（2）相同的物理力学参数下在实际岩土滑坡的存在，更大的该滑动面倾角越小，临界水头会反之亦然。

（3）相同的物理力学参数下在实际的滑坡岩土的存在，临界水头的关系倾向滑动平面的角度几乎是相同的的值的阈值准则计算了Zhang等人（图。

11和12）。

结果支持极限平衡方程1中给出的标准表明它可以用来计算临界水在其他类似的平动性滑坡的头地面条件。

图11：

临界水头和倾角的关系在一系列的测试角度（长1米）

图12：

临界水头和倾角的关系对于第四系列测试角（长1.5米）

平推式滑坡的数值分析

在模型试验证明了遗传对单个平移滑坡机理和极限平衡判据，对变形过程多平移滑坡不重建因此的单和多平移的数值分析采用UDEC离散元数值模拟软件进行了滑坡ITASCA。

滑动平面建模为弱面。

的数值分析是基于莫尔-库仑准则和假定的滑块是一个刚体。

静水压力由一个给定的建模在裂纹/槽水头。

的参数数值分析是基于物理天台乡滑坡的力学性能：

密度为2000kg/m3，体积弹性模量为1.7GPa，剪切弹性模量为0.8GPa，摩擦角沿滑动面为12，粘结强度9kPa，正常的刚度是10GPa/m，剪切刚度是1.3GPa/m和渗透系数2*10-7米/秒。

单级平推式滑坡数值分析

四模型的倾角分析滑动面在-3，0，5和7。

矢量图不同周期的步骤在图13给出。

一个滑动面倾角3，分析结果表明一定的触发因素（如降雨）适用的地质条件，翻译滑坡在反倾边坡发生。

从数值临界水头值分析计算的值几乎相同极限平衡准则（公式1）；见表4。

的图14中的曲线表明，两个较小的倾角滑动面，必要的临界水头较大将。

此外，当滑动面倾角增加了1，临界水头将会减少约1米。

表5和图15显示之间的关系临界水头和摩擦角时的倾角滑动平面的夹角为3，摩擦角变化从7到16。

多级平推式滑坡数值分析

多级平推式滑坡大小和数值模型的配置是在图16所示。

倾角滑动平面的夹角等于6。

在该模型中，①②和③代表滑块，通过裂缝分离/我在低谷，自然II和III，地表水渗透在裂纹/槽和创建一个水头下强降雨条件，因此在数值分析裂缝被认为是完整的，如静水在裂纹沿压力和扬压力滑动面了。

图13：

单级平推式滑坡不同周期的步骤的矢量图，a为单级平推式滑坡的矢量图，循环步骤2500；b为单级平推式滑坡的矢量图，循环步骤8500

表4：

该滑动面临界水头和倾角的关系和数值分析计算角极限平衡判据

该滑动面倾角

图14：

临界水头和倾角的关系滑动面计算的数值分析和极限平衡判据

该滑动面摩擦角

图15：

临界水头与摩擦力的关系该滑动面计算的数值分析和角度对于一个3倾角滑面的极限平衡判据

图16：

数值分析中模型的尺寸和配置

图17：

多级平推式滑坡不同周期矢量图的步骤，a为多级平推式滑坡速度矢量图；循环步骤1000；b为多级平推式滑坡速度矢量图；循环步骤1900；c为多级平推式滑坡速度矢量图；循环步骤3300

如图17可见，使用参数的天台村滑坡，数值分析证实了降在裂缝的水头起着控制作用过程中的变形和破坏。

结论

本文将平推式滑坡分为单级和多级平推式滑坡，以中国冯店垮梁子滑坡和天台乡滑坡作为滑坡重要的例子。

平推式滑坡近水平岩是由侏罗系和三叠系砂岩和泥岩通常发生。

该滑动面倾角通常较少超过10。

滑坡的规模是非常大的，超过10000000立方米。

一个领域的研究，模型试验数值分析被用来建立遗传这类滑坡机理。

一个单级平推式滑坡是一个整个块而不是由槽或骨折打断结构。

研究表明，驱动力移动块在槽的水位在该滑坡体的顶部，它提供了一个半平面静水压力和扬压力分析支持了极限平衡判据Zhang等人（1994）。

多级平推式滑坡是切成数零件的构造，救济和风化的结构。

下强降雨条件下，水会进入一个的裂缝，压力在不同的位置引起的在滑坡体。

最低为块只有大气压力的约束，这一举动第一和第退化失效的发生。

这种类型的运动结果往往是在新的创造和拉槽脊。

模型试验证实，这种地质环境之间有直接关系的角度的剪切面和地下水条件的要求创造运动；较大的滑动倾角平面，较小的临界水头单多平动性滑坡。

再次，结果是一致的提出了采用极限平衡判据Zhang等人。

研究集锦静水的重要性压力对于平动性滑坡的主要触发并论证了对变形的影响过程。

致谢

确认工作由国家重点支持地质灾害防治和地质环境保护实验室。

作者想感谢Niek·Rengers教授修订文章和他的许多有益的建议，从而提高了本文清晰；ZhangZhuoyuan教授提出他的批评意见；YuXiujing在物理模型的技术援助测试。

参考书籍

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