不同坡面形态滑坡的稳定性分析

2023-01-11张一豪郑思苗刘增源

能源与环保 2022年12期

张一豪，许珂，郑思苗，刘增源，朱婷

(1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054； 2.甘肃煤田地质局一四六队，甘肃平凉 744000； 3.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西咸阳 712000)

滑坡是一种经常发生在山区的地质灾害，具有十分严重的危害。在野外调查中发现，滑坡按其坡面形态可区分为直线型坡、凹型坡、凸型坡和阶梯型坡(图1)。其中，阶梯型坡一般不是自然形成，而是人为削坡治理所致，故研究其他3种自然形成的坡型对滑坡稳定性的影响对滑坡治理有重要意义。滑坡物理模拟试验是研究滑坡破坏机制的重要手段，在滑坡物理模拟试验研究方面，试验方法主要有倾斜模型试验槽、离心模型试验、振动台试验、坡顶加载试验和模拟降雨试验等。冷晓玉等[1-3]通过倾斜模型槽试验，研究了不同坡角、不同颗粒级配下滑坡运动特征变化规律；雷先顺等[4]分析了滑坡在不同滑道坡度和宽度下的运动、堆积特征；张彬[5]对黄土边坡和黄土地基采用动力离心模型试验得到其动力响应规律和破坏机制；冯海明[6]研究表明，岩质边坡破坏时，岩桥附近的应变远大于坡体表面；陈志雄等[7]采用振动台试验研究了不同振动频率和不同振动方向下滑坡堆积情况；李旭东等[8]以振动台试验为基础，结合有限元模拟得到坡顶建筑物的临坡安全距离；刘洪波等[9]采用万能材料试验机在坡顶进行加载，研究边坡剪切带形成机制；朱元甲等[10]利用降雨模拟试验得到间歇性降雨工况下滑坡分级破坏的破坏机制；亓星等[11]通过监测坡体破坏的孔隙水压力，得出在变形过程中孔隙水压力的变化机理。在坡面形态对滑坡稳定性影响研究方面，王家臣等[12]得出了水平凸型坡的破坏机制，并根据破坏机制，得出了新的三维极限平衡方法；赵衡等[13]对圆形凸型坡的稳定性进行了分析，认为坡度较小时圆形凸型坡较稳定，坡度较大时直线型坡更稳定；邱敏等[14]模拟了地震波作用下各种坡面形态滑坡的动力响应机制；孙冠华等[15-16]采用强度折减技术得到三维凸坡的临界滑动面；卢坤林等[17]运用理论计算证明横向不同坡面形态中凹型坡比凸型坡更为稳定；何刘等[18-19]采用单向震动试验台，研究了凹凸坡的破坏机制；祝俊华[20]通过Arcgis对延安地区所有滑坡的斜坡剖面曲率进行区分，得出凹型坡、直线型坡、凸型坡、阶梯型坡分别占总数的10%、20%、30%、40%；李杰[21]运用FLAC3D软件对不同横纵曲率下的边坡进行模拟，分析了不同边坡安全系数和应力应变变化；方兴杰等[22]采用顶部压载的物理模拟试验，研究了不同含水率下三维凹凸边坡的失稳过程；潘池等[23]采用有限元法探讨了不同凹凸坡结构下双面边坡的安全系数和破坏特征；宋培源[24]采用正交方法得出不同因素对边坡稳定性的影响大小排序：坡角>坡高>纵曲率>横曲率。

图1 直线型坡、凹型坡、凸型坡和阶梯型坡Fig.1 Straight slope，concave slope，convex slope and stepped slope

综上所述，大量学者对不同坡面形态滑坡的稳定性进行深入研究，但大多集中在横向凹凸坡，对纵向凹凸坡的研究主要采用数值模拟软件进行模拟。通过在模型槽中制作纵向不同坡面形态的滑坡模型，采用倾斜模型试验槽方法观察坡体破坏过程，得到不同坡面形态滑坡临界破坏角度，比较三者稳定性差异并计算稳定性，可为滑坡预测治理工作提供帮助。

1 物理模拟试验

本次试验是探究滑坡的坡面形态对于滑坡稳定性的影响，并依据整体数据总结出相应规律。试验通过抬升玻璃槽顶端起到调节滑坡体角度的作用，抬升玻璃槽改变滑坡的坡角直至滑坡发生破坏，得到滑坡破坏时的临界角度，通过破坏时抬升角度的大小确定其稳定性。

1.1 试验装置

整个试验装置主要由试验模型槽和双柱举升机2部分组成(图2)。

图2 试验装置Fig.2 Test device

试验模型槽由有机玻璃和钢架构成，总内长3 m、内宽0.49 m、内高0.55 m，承载试样的堆砌和运动过程，有机玻璃外侧绘制有间隔5 cm的正方形网格，方便观察和记录坡体破坏过程；双柱液压举升机承载量为3 500 kg，举升高度为1 928 mm。在试验过程中，将有机玻璃槽的尾部固定在举升机举升柱上，将另一头带滑轮的部分放置在地面，减少抬升过程中地面对玻璃槽的摩擦力。通过抬升有机玻璃槽的首端高度来改变模型槽的角度。

1.2 模型试验材料

为减少试样对试验结果的影响，采用灌砂法专用标准砂，该砂子清洁干燥，均一性好，清洁度高，粒径0.30～0.60 mm，具有一定的磨圆性。考虑到需要将砂子砌成目标形状，进行了多组预试验，测得含水率为3%时砂样可塑且冲击效果最好。试验砂料的物理力学参数见表1，实物如图3所示。

表1 试验砂砾的物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical property indexes of test gravel

图3 试验用砂Fig.3 Test sand

2 试验设计及试验过程

2.1 试验方案设计

结合试验场地的具体情况和试验要求，共设计18组试验，设计2种坡高、3种坡度、3种坡面形态，试验方案见表2。

表2 试验方案汇总Tab.2 Physical and mechanical property indexes of test gravel

2.2 试验步骤

首先将试验槽放置并固定在双柱举升机上(图4(a))；其次将标准砂配至目标含水率(图4(b))；将木板垂直放置入玻璃槽并固定，在木板前加入标准砂，塑造目标形态滑坡(图4(c))；最后打开摄像机同时缓慢抬升试验槽，当滑坡发生破坏时立即停止抬升(图4(d))，记录此时试验槽抬升角度，该角度即为临界破坏角。30 cm坡高、30°凹坡正视图和侧视图如图4所示。

图4 试验步骤Fig.4 Test steps

3 试验结果与分析

对不同坡度、不同坡高和不同坡面形态下滑坡的临界破坏角度、启动方式和冲击距离进行统计，试验结果见表3。

表3 试验结果汇总Tab.3 Summary of test results

破坏前后对比照片如图5所示。

图5 模型破坏侧视Fig.5 Side view of model damage

3.1 模型破坏过程分析

模型破坏过程如图6所示。

图6 模型破坏过程Fig.6 Model failure process

滑坡的破坏过程首先会在不同位置出现裂缝，随后裂缝贯通，滑体发生滑动。大致可分为滑坡启动—加速下滑—堆积停滞3个阶段。在对试验的整理记录中发现，滑坡破坏的启动方式主要分为2种情况，分别为分级启动和整体启动(图7)。在坡高35 cm坡度30°和45°时，凸型坡的启动方式区别于凹型坡和直线型坡为分级启动，此时其坡面与水平面的夹角和其他2种坡型相差较小，并不为主要影响因素。其主要原因为凸型坡坡角坡面与水平面的夹角大于坡顶坡面与水平面的夹角，所以坡角处先发生滑动，此时坡顶处产生临空面，进而失稳破坏，这就导致了凸型坡的二次破坏。同理，凹型坡坡角坡面与水平面的夹角小于坡顶坡面与水平面的夹角，所以坡顶处更易发生滑动，滑动的土体堆积在坡角前，滑坡整体坡角降低，形成新的稳定滑坡，所以在坡高30 cm、坡度30°时仅有凹型坡为整体破坏。

图7 滑坡启动方式Fig.7 Landslide starting mode

对冲击距离进行分析可得，分级启动的冲击距离大于整体启动的冲击距离。这是由于颗粒碰撞消耗的能量远大于传递的动能，分级启动过程中相当于滑坡产生了多次破坏，每次破坏都会传递给上次滑动土体动能，而整体启动发生后，颗粒碰撞，动能消耗，坡体迅速稳定。

3.2 模型临界破坏角度分析

不同坡面形态下临界破坏角度如图8所示。

图8 不同坡面形态下临界破坏角度Fig.8 Critical failure angle under different slope forms

从试验结果可以看出，将30°、45°和60°相比时，在相同坡面形态和相同坡高的情况下，60°滑坡的临界破坏角度最小，45°次之，30°最大；30 cm与35 cm相比时，在相同坡面形态和相同坡度的情况下，30 cm滑坡破坏时的临界破坏角度总是大于35 cm滑坡破坏时的临界破坏角度。

由此可以得出，坡度越大，坡高越高，滑坡稳定性越差，与常理相同；在相同坡高和坡度的情况下直线型滑坡破坏时的临界破坏角度总是小于凹型滑坡破坏时的临界破坏角度，而凸型滑坡破坏时的临界破坏角度总是小于凹型滑坡和直线型破坏时的临界破坏角度。

如图8所示，可以初步推测出在相同坡高、相同坡度的情况下，凹型坡稳定性最高，凸型坡最差，直线型坡居中。

3.3 试验结果理论分析

凹型坡与直线型坡相比，主要有2点不同。

(1)滑坡表面的角度不同。凹型坡下半部分的坡度小于直线型坡，故下半部分凹型坡稳定性高于直线型坡，而上半部分直线型坡坡度小于凹型坡，故上半部分直线型坡较凹型坡更为稳定。但下半部分所受到的推力和压力都要高于上半部分，所以综合可得，凹型坡的稳定性比直线型坡稳定性更好。

(2)滑体的重量不同。从图4中可以清楚地看到，直线型坡的纵剖面面积明显大于凹型坡纵剖面面积，故直线型坡体积要大于凹型坡体积，重量也大于凹型坡。滑坡质量越大，其向下的冲击力与压力也越大，导致其稳定性降低。所以，直线型坡的稳定性要比凹型坡稳定性更差。同理可得，凸型坡较直线型坡更不稳定，所以3种坡型中凹型坡最为稳定，凸型坡最不稳定。