关于边坡浅层滑动的影响因素及研究

2022-12-06刘亚龙

西部探矿工程 2022年2期

刘亚龙

（广东省地质局第六地质大队，广东江门529000）

1 概述

边坡浅层滑动是一种常见而复杂的地质灾害模式，我国沿海地区山地丘陵发育，降雨量大，诱发浅层滑动的边坡不计其数，每年都造成巨大的损失。为了研究浅层边坡滑动的影响因素，国内外已经开展大量的工作。分析降雨入渗、降雨强度、降雨量与边坡稳定性系数是边坡稳定性评价的核心，对边坡稳定性影响较大。从而得出浅层边坡滑动的一些基本发育规律，边坡浅层滑动厚度一般小于5m，边坡自然坡度较缓，边坡岩土体主要由粉质粘土、粘土等岩土体组成。其影响因素由主要到次要依次排序为岩土体的内摩擦角、粘聚力、边坡坡度、岩土体的重度。因此，对影响边坡稳定性的因素加以分析是非常有必要的，具有重大的意义。

2 浅层边坡的发育规律研究

2018 年广东沿海地区受台风影响较大，其中有2个台风“艾云尼”和“山竹”影响严重，受台风雨影响，广东沿海地区遭受强降雨，多地发生边坡浅层滑动现象。通过大量文献查阅、珠江三角洲边坡勘察报告、施工图设计及施工过程中的资料整理与分析，从边坡的形态及规模、岩土体物质构成、工程地质条件、水文地质条件、边坡形成机理和影响因素等，分析、整理几处典型的浅层边坡。同时统计部分基本物理参数、形态特点，系统地揭示出我国珠江三角洲浅层边坡发育的一般规律、基本形体特点。

3 浅层边坡稳定性影响因素

研究边坡稳定性始终是岩土工程建设的热点问题之一，目前应用最广泛的是坡率类比法、圆弧滑动方法及赤平投影法，坡率类比法主要用于工程场地存在放坡条件，而且在没有不良地质作用的情况下优先选择坡率法，其适用于土质边坡和岩质边坡；圆弧滑动法主要适用于土质边坡；赤平投影法主要用于边坡规模较小，结构面组合关系较复杂的块体滑动破坏，用于岩质边坡。以上边坡稳定性分析方法主要针对于规模较大、地质结构较复杂的边坡，对浅层边坡的稳定性难以评价。现主要提出以下几点因素。

3.1 边坡主要影响因素及形成机制

边坡产生位移变形主要受控于以下几点因素：

（1）地层岩性。本区域内边坡岩土体组成主要为风化岩，风化岩长期受雨水浸泡，很容易软化、开裂、崩解，提供丰富的边坡滑动物质基础。滑坡体主要物质组成为残积粉质粘土、下部为透水性较差的风化岩。其岩性组成有利于滑动面的形成。

（2）地形地貌。边坡滑动区域一般处于斜坡地貌或人工削坡地貌，从地形上看，呈现出利于地表入渗的梯砍状，边坡坡度约25o左右。因为场地施工开挖，出现了有效临空面，使得前缘拥有临空滑移变形的条件。

（3）地下水和大气降水作用。地下水和大气降水作用属于边坡浅层滑动的主要因素，主要包括以下几点：

①土体和土体结构面会被水软化。水的存在，从而让边坡土地出现长时间的浸泡，增加含水量，土质逐渐变软。站在微观角度，因为水分增多，不仅水基于较大颗粒表面会有对应的润滑作用形成，减小粒间摩擦阻力，还会使细小粘粒之间的结合水膜变得更加的厚实，导致土的粘聚力弱化，大大降低c、φ值，进而造成土体抗剪强度降低。由于土地结构本身的强度，最终就会导致边坡稳定性受到较大的控制作用。同时，因为水本身对于土地结构带来的影响并不大，但会使岩土体里面的软弱结构强度降低。一旦软弱结构与水相遇之后，就会实现软弱物质的软化填充处理，大大降低抗剪强度。针对填充结构面的物质，在降雨前后其含水量存在较大差异，实现软弱结构物质的快速填充，同时也能够满足抗剪强度的大幅度降低。

②水的物理化学作用。水是土体的重要组成部分，属于土体赋存环境水，可以使土体受到显著的影响。水在土中会直接的形成楔形压力、渗透、潜蚀、沉积以及溶解等诸多作用，不应简单地将水作为机械地域固体颗粒之间相互混合的一种物质。水在土的结构中有机参与，使土体结构受到重大影响作用，进而引起土体性质改变，这属于复杂性较强的物理化学变化，一般要求的是通过水本身的绝对含量以及相应的赋存方式、形态等决定的。土体在一定条件下吸收或者失去水分，产生水化作用、脱水作用，这样的过程均可能导致土体体积膨胀、收缩，最终造成土体松散而破碎，化学成分发生变化，尤其是如果水里有其余的化学成分或者是气体的存在，就会导致化学溶解能力和潜蚀能力被进一步地提高。当面临物理作用的时候，就会导致土地出现碎裂的问题，而且因为水的蒸发也会让土体收缩，造成程度不同的破坏，如干裂等。另外，水的物理化学作用本身也会直接顺着土体的结构面、构造面延伸到更深的部位，加深对土体形状的影响，成为边坡稳定性的威胁。

③静水压力。静水压力指的是土体的孔隙含有地下水，通过静水或者自重应力传递的方式对土体产生作用的力，又被称作孔隙水压力。它的作用以减少边坡土体破坏面的潜在正应力为主，同时又产生出对应的侧向静压力，以此来满足岩土体有效重量的减少。对于边坡之中滞留的水，还会有对应的土地静水压力的存在，同时挤压土体，使下滑荷载增大。

④动水压力（渗透力）。动水压力属于地下水水头差从而形成的渗透力，也就是地下水向土体颗粒、孔隙壁渗流时受到阻碍而向土体施加的作用力。其表现的是土地之中渗透地下水的时候，对于总水头所损失的孔隙水压力，其本身就会直接转变成为水流方向上的有效压力，其属于体积力的一个方面，同时与渗流的方向之间是保持一致的，这样就会产生出较强的推力，一般来说，还会造成渗透破坏的问题出现。对于深层地下水，尤其是坡脚处和下部承压水都会使坡脚受到浮力作用。当受到了地下水浮力作用，相比地下水产生的上浮力，在坡脚位置以及含水层顶板的土的实际自重应力偏小的时候，这样就会导致流砂、冒地、涌水等对应问题的滋生，进而导致被动土的压力丧失，破坏坡体的稳定性。

3.2 降雨与边坡稳定性的关系

研究结果表明，降雨对边坡浅层滑动的变形破坏及影响机制。稳定性提出降雨影响因素的常规计算处理。

（1）与降雨时间的关系。从地质灾害发生的时间来看，珠三角地区的边坡滑坡主要发生在7～9月，该期间降雨量集中，降雨量大，从短时间的降雨量来看，主要发生在强降雨或暴雨的中后期，且发生在降雨量大于100mm 时，便会出现滑动，一般在强降雨或暴雨过后两三天才发生滑动，多为浅层土质小型滑动。

（2）与降雨历时的关系。边坡发生浅层滑动是随着降雨时间的增大而增多，连续高强度降雨极有可能形成坡面较大的径流，造成坡面岩土体流失，特别是土体流失的坡段，很容易引发滑坡现象。持续降雨会导致边坡有大量雨水的渗入，使坡面岩土体容重增大，在降雨后容易滑动。

如果降雨强度没有发生变化，一般边坡安全系数会伴随降雨时间的延长而持续减小。然而因为土体渗透力有极限边坡土体存在最大入渗深度，针对特定边坡的最大入渗量也有极限值，并非无止境，所以雨水渗入量就会明显大于土体最大入渗量，边坡只会受到降雨很小的影响。

一般情况下，降雨时间逐渐延长，土体入渗能力随之减弱，所以含水量伴随深度下降幅度慢慢减缓；当降雨时间很短时，上部土体含有大量水，仅仅在深度超过大约80cm后，含水量就与初始含水量趋近，即在80cm以下几乎不会有什么影响。降雨时间的延长降低边坡稳定性的安全系数的幅度差异较大。通常而言，边坡稳定性的安全系数在最初5～6h里下降幅度最大，接下来尽管在降低，但幅度变小。原因在于降雨初期的强度比土壤入渗能力小，雨水几乎全部入渗，伴随入渗量越来越大，土体含水量越来越大，入渗能力越来越小，减缓土体含水量增多的趋势。所以边坡稳定性的安全系数也在放缓降低。

（3）和降雨形式之间的关系。降雨形式（小雨，中雨，大雨，暴雨）（久雨型，暴雨型）会明显影响边坡浅层滑动的触发。面对相同地貌地质环境，这两种雨型触发滑动的日降雨量、累计降雨量存在显著差异，日降雨量高、暴雨型强度大，久雨型降雨的边坡触发累计降雨量比暴雨型降雨滑坡触发的累计降雨量小，日降雨量的改变幅度较大。

（4）与降雨入渗之间的关系。土体入渗率的大小会受到降雨方式、强度、土体入渗能力这三大因素的决定性影响。如果土体自身拥有较强的入渗能力，比外界降雨强度更大，其入渗强度就会面临外界降雨的实际影响，土体的表面含水量在实际的渗透过程之中，也会因为入渗慢慢增加，直到处于某个稳定值。如果降雨强度要明显大于土体入渗能力，入渗强度就是土体入渗能力的决定性影响因素，会形成地表积水或者径流。基于不同入渗阶段，其出现的情况主要包含了两个方面，例如当降雨条件稳定时，初期降雨强度比土体入渗能力小，入渗率等同于降雨强度，然而在一段时间之后，土体入渗能力减小之后，其实际的土体入渗能力就要明显小于降雨强度，于是产生积水，刚开始时快速入渗，然后速率越来越小。随着时间的推移，土体入渗能力发生改变，其直接关联到初始含水率和基质吸力，其本身也关联到土质条件和剖面的实际结构。一般在入渗的初期阶段，土体本身的入渗能力较强，之后，其速率就会逐渐变小，并且最终会趋近于一个常数，从而进入到稳定的阶段。如果气候条件变得干旱，那么其水势的梯度救护逐渐变陡，进而出现较大的入渗率。不过，在持续入渗湿润层下移，减小基质梯度。如果入渗强度等于土体饱和导水率，那么其本身就会达到稳定。当降雨强度比饱和导水率小时，稳定入渗阶段相对应的入渗强度在这一条件之下的非饱和导水率就是相等的。

土体剖面水分直接分布在入渗过程中和土体表面入渗的条件存在关联性。如果均质土体存在地表积水，饱和区、含水率存在降落非常明显的过渡区、并且其含水率也会逐渐地变小，从而转化到初始值的湿润区、含水率变化不明显的传导区，而且每一个区都有独特性，湿润区前缘往往被称作湿润锋。在持续的入渗阶段，其本身就会逐渐朝着深层发展，并且对应的湿润层、湿润锋都随之往下移动，含水率分布曲线就会越来越变得平缓。

经过研究，边坡降雨入渗属于一个相对严峻的问题，因为土体本就具备复杂多变的特征，现阶段尚且不能得到非常可靠的、精确的描述，局限于总结他人经验，同时提出简单的看法、观点。在开始降雨之后，非饱和土边坡中的非饱和区在饱和区逸出点以上周围最先有暂态饱和区的出现。在降雨时间的延长中，暂态饱和区的范畴会沿着坡面四周区域持续延伸、拓展，这样就会在坡面的周围直接形成暂态饱和区，其包含了“饱和壳”结构，同时，在持续的入渗的状态下，开始有正的水压力的产生，这就是一般而言的暂态水压力。在坡面周围，实际的暂态水压力数值偏小，其下缘接触非饱和区的部分为零，中上部出现最大值。伴随降雨继续入渗，暂态水压力在降雨的阶段，会不断地增大，同时，在非饱和区域之中，其含水量也会进一步的扩大，这样就会导致基质吸力逐渐地降低，进而对于土体强度的稳定性产生影响。一般情况下，降雨入渗环节，一旦入渗达到了极限，那么就无法再扩展，潜水面只有很小的升高变化，饱和区渗流场也不会有很大的变化，这和过去通过饱和渗流模型进而分析降雨入渗不给潜水的完全不一致的土体渗透性的影响，雨水的入渗速度本身和土体渗透性有着较大的关联，因而一旦降雨对于边坡的稳定性产生影响的时候，渗透性的作用机理就能够发挥相应的作用。对于渗透性的分析，还需要与降雨强度相互结合起来，通常情况下，如果降雨强度、降雨时间都一致，伴随着渗透性的不断增大，边坡稳定性安全系数会大幅度地降低，并且在长时间的降雨过程中，其实际的强度偏低，渗透土体的能力也较弱，此时渗透系数与降雨强度本身的影响也会产生一定的差异，其渗透系数也会逐渐地降低，导致边坡的安全系数也呈现出大幅度地降低。由于饱和渗透系数要明显比降雨强度大，雨水非常快速地往下渗透，边坡浅部土体难以达到饱和状态，所以总会有一定吸力的保留，一旦渗透系数的比例相对接近的时候，就会减缓雨水垂直下渗率，这个时候边坡土地浅部是比较容易达到饱和状态的，基质吸力也随之丧失，造成安全系数不断变小，进而影响边坡的稳定性。

此外，各向异性渗透性系数比在影响边坡安全系数方面也是十分显著的。一般来说，当各向异性渗透性系数比较大时，孔隙水压力的分布越不利于边坡稳定性。换言之，如果边坡土体的水平渗透系数要明显大于垂直渗透系数，这样的边坡稳定性的影响就会各向同性土坡大。