流域治理中土质边坡失稳的原因分析

骆鹏 黄开年 杨红春 王汉宇 王松林

摘 要：针对流域治理中土质边坡失稳的问题，总结了致使土质边坡失稳的因素为：边坡的材料特性和斷面形式、河流的冲刷和干湿循环作用、降雨和地下水作用、冻融作用以及地震作用，并对每种因素的作用机理进行了阐述。根据综合分析，提出边坡失稳的合理防范措施。

关键词：流域治理；边坡失稳；失稳原因；防范措施

中图分类号：U416.14 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0135-02

Abstract： Aiming at the problem of soil slope instability in river basin treatment， the factors causing soil slope instability are summarized as follows： material characteristics and section form of slope， erosion and dry-wet cycle of river， rainfall and groundwater， freeze-thaw action and earthquake action. The action mechanism of each factor is elaborated. According to these combined analysis， some reasonable preventive measures for slope instability are put forward.

Keywords： river basin treatment； slope failure； causes； preventive measures

引言

流域治理是以水土保持为重点，对流域水资源进行开发、利用、配置、节约和保护，以加强流域内的抗旱除涝和安全泄洪的能力，改善流域环境。而在流域治理中，边坡是其中必不可少的一项，边坡的安全性直接关系到流域治理工程的成败和安全。而边坡的破坏形式主要分为边坡的整体失稳和坡面的破坏，在这两种边坡的破坏形式中，无疑边坡的整体失稳产生的危害性更大，影响更加深远。因此，在流域治理中必须提高对边坡稳定性的关注程度，对边坡的稳定性予以一定的保证。为此，就一定要明确造成护坡失稳的原因，只有在明确知道了护坡失稳的原因之后，才会在工程中有针对性地防范与整治。本文就流域治理中常见的几种致使边坡失稳的因素进行了总结，并阐述了每种因素的作用机理，同时根据这些因素和作用机理提出边坡失稳的防范措施。

1 边坡失稳的原因分析

1.1 边坡的材料特性和断面形式

流域治理中边坡大部分都是土质边坡，边坡的稳定性和边坡的材料特性——土体强度直接相关，同时边坡的断面形式对边坡的稳定性亦有影响。

土体的破坏主要是以剪切破坏为主，而土体的抗剪切强度可表示为：τ=c+σtanφ （1）

因此，边坡的稳定程度和土体的黏聚力c和内摩擦角φ密切相关，由上式可知，随着黏聚力c和内摩擦角φ的增加，土体的抗剪切强度也随之增大，边坡的稳定性也随增强。

边坡的断面形式一般只有两种，一种是一坡到顶，另一种就是阶梯式的复合断面。倪武杰[1]的综述表明，在同等坡度的条件下，阶梯式断面的台阶数越多，台阶断面宽度越大，边坡的稳定性越好。这主要就是因为阶梯式的复合断面减少了边坡上部的土体体积，降低了边坡坡脚的压力，提高了边坡的稳定性。同时阶梯式复合断面上的平台可以截留坡面剥落和少量上部坍塌土体。除了边坡的断面形式之外，边坡的坡度也对边坡的稳定性产生影响，坡度越大，边坡的稳定性越差。

1.2 河流的冲刷和干湿循环作用

在流域治理过程中，河流对边坡的影响作用不可忽视。一方面，当河流流速较大时，水流对边坡的冲刷作用使得边坡的稳定性降低。近岸河流对边坡的冲刷力，主要是由于近岸水流对边坡的切应力。水流对边坡的剪切力，使得边坡上的土壤颗粒脱离主体边坡而随水流流失，随着土壤颗粒流失的越来越多，边坡的坡度变大，使得边坡的稳定性降低而致使边坡发生坍塌，而坍塌后的土体在坡脚堆积，又将会被水流冲刷流失。这种情况发生时，若不及时进行治理，则将形成边坡局部区域“缺陷-扩展-坍塌”的恶性循环。从而使得，边坡不断被侵蚀，河道变宽，当雨季来临之时，严重威胁河道两岸正常的生产生活。

河流对边坡的冲刷作用（即水流对边坡的剪应力），在边坡的不同部位冲刷强度是不同的。经研究，对于粗糙边壁的直立边坡而言，河流对河底的最大冲刷作用出现在河底中心线附近，而对边坡的最大冲刷作用则出现在水面之下的一定深度处；而随着边坡坡度的变小，一方面河流对边坡的最大冲刷作用逐渐下移，向坡脚处移动；另一方面，河流对河底的最大冲刷作用也随之向两岸向坡脚靠近。因此河流对边坡的冲刷作用主要出现在边坡的中下部位以及坡脚处[2]。

另一方面，流域治理中的土体人工填筑的较多。因此在填筑完成时，边坡土体处于非饱和状态，当上游洪水来临时，边坡土体一部分在水面线以下而处于饱和状态；当枯水季来临，水面线下降，此时一部分边坡恢复到非饱和状态。因此，边坡中的一部分土体受到季节的作用，在饱和状态和非饱和状态之间反复。在这样的状态变化中，研究表明会使得土体的强度产生不可逆转的变化[3]。

1.3 降雨和地下水作用

土质边坡的稳定性和土体强度密切相关，而土体强度受到土壤含水率的影响较大。因此作为土壤中水分的来源之一 ——降水，其对边坡稳定性影响不言而喻。据数据表明，全国 95%边坡失稳都和降雨相关。

边坡在降雨条件下随着雨水的下渗，边坡土体的含水率随之增大，边坡土体的容重亦随之增大，致使边坡下滑力增大，从而破坏了边坡原本的平衡状态，使得边坡失稳；其二，当边坡存在缝隙时，雨水入渗到缝隙中，产生静水压力，使得边坡的下滑力增大，致使边坡失稳；其三，边坡土体的含水率增加，一方面增加土体孔隙水压力，从而降低了土体的有效应力，另一方面含水率的增加，减小了土颗粒之间的摩擦力，因而致使土体的强度降低，同样将致使边坡失稳。

地下水对边坡的作用和降雨类似，同样通过增大土体的容重而增加边坡的下滑力以及降低土體的强度这两个方面致使边坡的稳定性遭到破坏。

1.4 冻融作用

在流域治理中，不同的流域所处的地理位置不同，其所处的气候环境亦相差甚远，对于高纬度地区而言，低温寒冷的区域对边坡而言也有其不利的一面。因在低温高寒地区，冻土将作为一种特殊的土体形式而存在。在冻土之中，处于0℃以下的土体外部的温度场、渗流场以及应力场耦合在一起共同作用在土体之上，从而致使土体应力应变状态发生较大的变化。而当地区温度上升之后，冻土外的温度场发生新的变化，其引起的渗流场和应力场的变化对土体的应力应变场又将带来新的变化。

因此，在高纬度的低温高寒地区，由冻土构成的边坡，其稳定性也受到这种冻融的影响。当气温上升之后，土体中原本在寒季冻结的水分开始融化，一方面，随着土壤中的水分逐渐增多，土壤中的孔隙水压力随之增大，则土体的有效应力随之减小，土体的抗剪切强度随之降低，因此边坡的稳定性也随之降低；另一方面，受到温度影响的土体仅是边坡外层的土体，边坡内部仍是冻结土层，由于冻结土层的渗透性极小，边坡一定深度的表层土体中融化的水积蓄而无法渗透进冻结层，从而只能沿着边坡的冻结层和融化层的过渡界面流出。随着这种融化水渗流的持续，过渡界面上土颗粒逐渐流失。从而在过渡界面上形成渗流通道，致使边坡的稳定性遭到破坏。

低温高寒地区的冻融作用，不仅会在冻结土层和融化土层之间的过渡界面上形成渗流通道。在多次冻融循环作用下，土体本身的变形模量、粘聚力、剪切强度都会发生不同程度的降低，土体的这种物理力学性质的变化将使得边坡逐渐由稳定向不稳定转变[4]。

1.5 地震作用

地震，是人类面对的最严重的天然灾害之一。地震不仅会带来房屋倒塌等灾害，更是边坡失稳的诱因。地震对边坡稳定性的影响主要表现为两个方面：其一，地震惯性力的作用，其二，地震降低了土体的有效应力。

地震惯性力分水平地震力和竖向地震力，在之前的诸多研究中，一直认为地震惯性力对边坡的影响主要是水平地震力，边坡在水平地震力的作用下，受到向临空面的拉力，在这种拉力作用下，边坡的稳定性遭到破坏。但在2008年汶川地震之后，震区边坡失稳的数据表明，触发边坡失稳中，地震竖向力的作用非常明显。因此，地震力对边坡的影响不仅是水平地震力，竖向地震力也对边坡的稳定产生不利影响。

地震对边坡的影响，还体现在其降低了土体强度。当地震发生时，一方面将使得土体的孔隙压力急剧增加，如此土体的有效应力在急剧降低，使得土体的强度随之减弱，边坡的稳定平衡状态遭到了破坏而致使边坡失稳；另一方面，土颗粒之间的作用力主要是分子力和静电力，在地震力的作用下，土颗粒将克服分子力和静电力而产生位移，从而使土颗粒骨架遭到脆性破坏，直接降低土体的有效应力，使得土体的强度降低，从而使得边坡失稳。

2 边坡失稳的防护措施

根据上文对流域治理中边坡失稳的原因分析可知，致使边坡失稳的原因有很多。对于不同原因致使的边坡失稳，需采用不同的工程措施。

2.1 降低坡度和改变断面形式

边坡的坡度越低，边坡的稳定性越高；同时，阶梯型的复式断面稳定性比一坡到顶的断面形式的稳定性要高。在工程条件允许的情况下，边坡应尽量降低边坡的坡度，并采用复式断面的边坡。

2.2 边坡护脚和坡面防护

河流对边坡的冲刷作用主要在坡脚处，因此边坡的坡脚应予以处理，常见的工程处理措施是采用石笼护脚；而为了防止边坡受到河流干枯季的影响而产生干湿循环不利影响，有必要在边坡的水面线变化范围内进行坡面的防水处理。

2.3 提高土体强度

在各种因素中，降水、地下水以及地震因素，最终的结果都是通过增大边坡土体的孔隙水压力，从而降低土体的有效应力，致使边坡土体的强度降低，边坡因此失稳。所以，防止边坡失稳的一项重要工程措施就是通过设置排水措施降低土体中的含水率。

3 结束语

边坡治理是流域治理工程中一项重要内容，边坡的安全与否直接关系到整个流域治理工程的质量和人民的生命财产安全。因此，确保边坡的稳定性对流域治理工程而言至关重要。而只有了解致使边坡失稳的各种因素及其作用机理，才能采取有效的工程措施降低边坡失稳的几率。

参考文献：

[1]倪武杰.土质边坡破坏机理及稳定性研究[D].长安大学，2010.

[2]张芳枝.河流冲刷作用下堤岸稳定性研究[D].暨南大学，2010.

[3]杨和平，肖夺，等.干湿循环效应对膨胀土抗剪强度的影响[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2005，2（2）：1-5.

[4]王大雁，马巍，常小晓，等.冻融循环作用对青藏粘土物理力学性质的影响[J].岩石力学与工程学报，2005，24（23）：4313.