平推式滑坡研究现状与进展

平推式滑坡研究现状与进展

1平推式滑坡的防治方法与研究现状平坝滑动是中国西南、库库和山区道路建设中常见的一种非常特殊的滑动灾害。这类滑坡的典型特征一般发育于近水平或缓倾坡外的砂、泥岩互层状地层之中,岩层倾角一般不超过10°。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。按照传统的极限平衡理论,这种滑面近水平,甚至反倾的滑坡是很难发生的。近年来,该类滑坡的成因机制与减灾方法受到了国内外学者的关注。只有弄清楚平推式滑坡的主要特征、诱发因素与变形破坏过程,才能科学地从根本上揭示该类滑坡的致灾机理,进而为该类滑坡的防治提供理论依据。已有文献仅从单方面或两方面对平推式滑坡进行阐述,导致很难在灾害发生前通过地质条件和其他特征来系统地区分平推式滑坡与常规滑坡。为了更全面地认识平推式滑坡、更深入地分析其致灾机理、更合理地制定其防治方案,本文从平推式滑坡的主要特征、平推式滑坡的形成条件、平推式滑坡的致灾机理、平推式滑坡的启动判据、平推式滑坡的防治措施5个方面对平推式滑坡的研究现状进行了综述;并指出了目前平推式滑坡灾害研究中存在的主要问题,分别从5个方面对平推式滑坡研究的发展趋势进行了展望。2平推式滑动研究2.1平推式滑坡的成因平推式滑坡最早是由张倬元等于1985年正式提出的,是三峡库区和四川盆地普遍存在的一类十分特殊的滑坡,这种类型的滑坡多发育于近水平地层的缓倾边坡中。近来,不同学者从不同视角对平推式滑坡的主要特征进行了大量的研究,取得了丰富的成果。程强等通过对四川盆地近水平红层公路建设中路堑边坡开挖病害的调查分析,归纳出近水平红层边坡开挖引起的主要变形破坏形式是堆积层滑坡、顺层座滑型滑坡、边坡拉裂变形、边坡岩体倾倒破坏。成国文等指出万州近水平地层区堆积层滑坡变形破坏特征为:滑动多沿堆积层和基岩接触面滑动,滑体存在多层剪切带,并在不同位置的剪切带其变形速率和累计变形量差别较大。吉随旺等认为近水平软硬互层岩层斜坡变形破坏首先发生于坡体中部硬岩层中,由拉应力的集中造成拉破坏,形成张性节理裂隙,逐渐向坡体顶部扩展,直至贯通而出露地表。S.DanielAndrade等指出许多火山侧翼的垮塌属于火山体底下缓倾地层的破坏。Hutchinson对发生在1959年挪威的弗尔列地区一个缓倾角(3°~9°)滑坡做了详细的描述,该滑坡沿灵敏度很高的黏土夹层发生,但不具备典型的后退式发育的性质,而是几乎一下子就发生了主滑坡整体移动。Pasěk,J.指出,所有小倾角滑坡(通常不超过5°)都有一个共同特性就是具有富含黏土的下卧层,垂直方向刚性和塑性的地层相间排。郧十高速公路K40+(575~645)段路基填筑施工至挡墙顶以上约6m时,填筑路堤顶面开裂,挡土墙及基底土层滑移挡土墙多段墙体及墙底地层出现不同程度外侧平移,挡墙最大偏移量达120mm,挡墙外侧地貌发生较强变形,出现弧形裂缝,见流水从裂缝渗出,滑移前缘距挡墙27m。孙云志等提出三峡库区近水平地层滑坡没有构成多含水层系统,地下水具有潜水的特征,计算滑坡地下水作用力时,应取静水压力模型。黄润秋等总结四川天台乡平推式滑坡具有以下典型特征:(1)滑面倾角很缓,仅7°~10°;(2)厚度不大,两侧10~20m,中部20~30m;(3)分块特征很明显;(4)变形和破裂过程较长,但下滑时间很短;(5)滑后原始地形坡度变化不大;(6)运动方式特殊,虽然总体方向具有一致性,但各块的速度、方向差异性较别的滑坡更为明显;(7)具有波浪式推进的特征。许强等提出一种新的平推式滑坡类型———板梁状滑坡,板梁状滑坡平面上呈扁长矩形,纵向长度远小于横向宽,剖面上呈薄板状。崔杰等指出乌东德水电站坝址区下游古滑坡为平推式滑坡,该岸坡覆盖层厚度巨大,物质组分均由白云质灰岩构成,其结构密实,表部胶结良好,形成呈似角砾状堆积体结构特征。宋玉环认为平推式滑坡的滑面通常形成于软硬岩接触界面的软岩之中,后缘表现出明显的张裂塌落(陷)带,滑体一般表现为分块式解体,出现多个次级滑面,其中后部分碎裂块体内部保留较完整的原始地层层序。目前,平推式滑坡特征主要研究滑坡的地质结构特征,其主要表现为滑坡多发育于软硬互层的地层中,且滑面形成于软硬岩(土)接触面的软岩(土)中,这方面国内外学者已形成了较为一致的观点。另外,针对平推式滑坡的裂隙扩展演化规律、变形破坏速率特征、地下水发育特征及变化情况均有涉及,但研究并不系统,还有待进一步深化。2.2方面滑坡赵勇等指出平推式滑坡的产生是需要一定条件的。(1)岩体结构特征:软硬相间的岩层,岩层倾角较平缓,较软弱岩层的厚度较薄,隔水条件较好。(2)滑动触发因素:雨季特大暴雨或者持续暴雨条件。(3)一定的水力条件:当后缘拉裂缝中的充水高度达到一定值且两侧排水条件不够将水排出。HiromitsuYamagishi等采用GIS分析数据对比了暴雨诱发滑坡与地震诱发滑坡的分布特点。H.Yamagishi指出北海道西部除了少量滑坡由地震引起外,大部分滑坡发生于特定的地质结构,如黏性凝灰岩互层的缓倾地层中,并由强降雨(或长时间降雨)导致的较高水压力诱发形成。范宣梅等发现平推式滑坡的发生除与滑坡体本身的坡体结构特征及良好的临空条件有关外,暴雨是诱发该类滑坡的主要外部因素。1872年波希米亚北部的Mladotice山谷在暴雨时,长600m、宽400m、厚20~30m的岩层沿泥岩倾角8°软弱层滑动,ZarubaQ认为,暴雨是触发条件,而滑坡的平衡在暴雨以前己经破坏。许强、李园等通过对3个板梁式滑坡典型实例查明形成板梁状滑坡必须具备岩性条件、坡体结构条件、裂缝储水条件以及强降雨触发条件。王建锋等认为“平台式”滑坡发生的条件多为滑体充满地下水并受强震作用,滑带液化所致。具有不规则二元结构的上层黏土层与下伏碎块石层交界面滑移条件成立时,远距离开挖所导致的不均匀变形和近场开挖回弹变形,也可以耦合在一起形成地面以及滑动面极为平缓的“平台式”滑坡。AurélienLacoste等指出新西兰Waitawhiti地区的滑坡多发生于近水平地层,地层岩性主要为细粒度中新统砂岩和破碎粉砂岩。他们发现在滑体附近有热气体释放,并认为河流的下切、构造活动和强降雨是该区域边坡失稳的主要因素,而低渗透层的流体超压降低其抗剪强度也是诱发该区域滑坡发生的一个重要因素。罗冲分析了万州区滑坡裂隙水压力推动水平滑坡的临界水位,并认为存在于万州近水平地层滑坡中的膨胀土软弱夹层,是滑坡发生的关键因素之一。殷坤龙等以万州区软弱夹层特性、滑坡土体年龄测试等工作为基础,认为控制万州区水平地层古滑坡的重要因素之一是富含蒙脱石的软弱夹层具有一定的膨胀性。由此可见,平推式滑坡形成的最主要条件包括3个方面:一是软硬互层岩体结构;二是软弱层隔水条件好;三是特定的诱发因素(降雨或地震)。近年来有学者发现滑带膨胀性、边坡的开挖等也是导致平推式滑坡发生不可忽视的因素。因此平推式滑坡的形成条件仍有待进一步探索和完善。2.3基岩结构变形破坏研究认识平推式滑坡的致灾机理是开展此类灾害预测预报和进行防治的基础。近20a来,不同学者分别采用数值计算、理论推导、统计调查及案例分析等方法研究了平推式滑坡的致灾机理。黄润秋等以三峡库区典型的近水平岩层岸坡为例,采用有限单元法和离散单元法,对这类岸坡的变形发育及其在高强孔隙水压力作用下的运动过程进行了数值模拟研究,从而从理论上阐述和证明了这类岸坡大型滑坡的形成机制。苏爱军等从滑坡群在空间上的分布规律及与河流作用的关系、滑坡群中堆积物与河流冲积物的分布、剪切面(带)空间几何特点及矿化成分与微结构、形成时间及过程等4个方面,详细论述了近水平层状滑坡群的主要特征及形成机制。朱益军等采用AO技术把1∶2000地形图直接转化为直观的三维数模地形图,对滑坡体分布特征、性质和极限平衡稳定性进行了研究,并用有限差分法编制程序,对弹性抗滑桩进行分析。刘宏等总结出了4种变形破坏机制,即高陡的层状缓倾内边坡主要发生倾倒-崩落或拉裂-崩落破坏;低矮的层状缓倾内边坡则以小规模垮塌为主;缓倾外顺层边坡以滑移-拉裂型顺层滑坡或块状滑坡为主;而复型边坡多以滑移-拉裂和弯曲-拉裂组合形式发生破坏。王子忠等指出红层岩体以其岩体结构的软硬相间及软弱夹层发育而在边坡稳定方面表现为“易滑地层”。红层斜坡岩体的变形破坏主要是岩体沿软弱夹层的顺层滑动,斜坡岩体的变形破坏以滑移-拉裂为主。王建锋等以三峡库区云阳塞坝滑坡为例,分析了层状砂泥岩区缓坡平台上崩滑堆积物中因开挖引起变形的机理。研究表明,崩滑堆积物呈蜂窝状分布的富水含水层,因远距离开挖失水而导致的不均匀变形,是地面出现拉裂的主要原因;平台中的公路开挖所诱发的边坡回弹变形仅限于局部范围。黄润秋认为平推式滑坡的产生,主要是由于特定类型的斜坡结构具有间歇裂隙充水承压型水动力特征(见图1)。在特大暴雨条件下,岩体在裂隙中充水的静水压力和沿滑移面空隙水扬压力的联合作用下,坡体就有可能被平推滑出。舒中潘等认为暴雨是诱发平推式滑坡的重要因素,暴雨产生的后缘静水压力是平推式滑坡体可能启动的关键因素。周应华等认为对水平砂泥岩互层状岩体在上覆岩层自重的作用下,由于水平方向变形不协调,砂岩将受应力而产生裂缝容易产生平推式滑坡。吉随旺等认为近水平软硬互层斜坡暴雨期间在裂隙水和渗流水的扬压力联合作用下,产生滑移。吕美君等从岩性特点和外部诱发因素等方面分析了近水平岩层滑坡的形成机制,提出此类滑坡启动的主要诱发因素是暴雨或持续降雨。许强等通过调查和分析解剖研究了板梁式滑坡的成因机制,指出在强降雨条件下,平行于坡面的张裂缝被快速充水至某一临界高度后,强大的静水压力将外侧岩体整体平推出去,形成平推式滑坡,而后随着裂缝内水头的骤降,滑体很快会自行止动。赵权利等基于地质调查分析,探讨承压水对平推式滑坡稳定性的影响方式。根据承压水一维稳定渗流理论,推导出承压水作用范围的计算公式;同时计算分析承压水作用范围各影响因素的敏感性。在平推式滑坡的试验研究方面,许多学者也进行了比较深入的探索。冯文凯利用物理模拟研究方法中的底摩擦试验,认为岩层缓倾坡外时边坡属滑移-压致拉裂型破坏,层间错动明显。柴波等通过矿物分析、崩解试验、微观扫描,分析红层岩石雨水崩解、软化和膨胀的水岩作用特性。认为富含亲水膨胀性矿物是红层岩土体具有特殊水岩作用特征的关键;红层滑带土在遇水后矿物间连接结构被破坏,致使滑带土强度极低;结合坡体后缘水压力的推动作用使万州区近水平地层滑坡形成。王志俭等为揭示三峡库区近水平滑坡的形成机制,采用RLM-2000微机控制的岩石三轴蠕变试验机,在恒温条件下,对万州二层岩滑坡的砂岩进行蠕变试验,并对万州区红层软弱夹层进行了排水蠕变试验。日本Tsukidate滑坡由地震诱发,滑面倾角平缓,大约10°。该滑坡体滑距约130m,最终停止在一个水平的稻田中,呈现出典型的快速流滑特征。HiroshiFukuoka等人通过现场调查和室内试验研究了该类滑坡的形成机理。2.4基于力学分析的边坡启动判据研究平推式滑坡是一类特殊的斜坡失稳模式,滑面倾角极缓甚至反倾坡内,其失稳机理也与传统的极限平衡理论相悖,因而此类滑坡的启动判据是研究重点和关键。张倬元等最早提出的平推式滑坡启动判据。按照图2所示的启动机制,以后缘拉裂缝(假定垂直)中充水临界高度(hcr)作为起动判据,后缘裂缝实际充水高度Hw大于hcr时,滑坡起动。在滑面缓倾外(或内)时,有式中:W为滑块单宽质量(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);L为滑块底面沿滑动方向长;φ为滑面内摩擦角,不考虑黏聚力c;γw为水的重度。当α=0时,式(1)可简化为近年来,在平推式滑坡机理研究的基础上,许多学者进一步研究了平推式滑坡的启动判据,取得了一定的进展。范宣梅等以四川省宣汉县天台乡滑坡为地质原型,通过物理模拟再现滑坡的变形破坏过程,进一步验证平推式滑坡的启动机制和张倬元等提出的启动判据公式。吕美君等从力学角度讨论了滑坡启动的判别依据,推导了滑坡启动时的临界水柱高度。研究表明,裂隙水对近水平岩层滑坡启动的影响是有条件的,在滑体厚度d一定的情况下,当滑面长度L小于安全长度LS时,滑坡就会启动,否则裂隙水不足以引起滑坡的启动。赵勇等在平推式滑坡形成条件及启动过程分析基础上,运用偏最小二乘法回归分析已有滑坡数据,获得滑动时临界水头统计模型,进而与通过力学分析得到的启动判据模型进行综合对比。缪海波等将近水平地层滑坡视为一个系统,在建立力学模型的基础上,运用势函数突变模型,从理论上推导了滑坡系统失稳的力学破坏判据和滑带土的临界变形位移。杨治林根据地下水作用下复合介质边坡岩体位移的分岔特征,给出了边坡岩体在渐近性破坏过程中的位移计算公式及岩体突发失稳的充分条件;建立了此类边坡剧动式灾变的位移判据。张衡等建立了降雨补给下边坡潜水渗流模型,分析边坡内地下水位与降雨时间的关系,基于暴雨对边坡持续作用时长研究了平推式滑坡的启动判据。刘才华等通过分析张裂隙充水高度和降雨强度的关系,提出了以临界降雨强度作为水力驱动型边坡顺层滑移失稳的判据。综上所述,平推式滑坡的启动判据可以归纳为3类。应用最多的一类是张倬元教授提出的裂缝充水临界高度;第二类是依据降雨条件与裂隙充水高度的关系提出的降雨判据(降雨强度和降雨时长);第三类是基于突变模型、分岔模型等非线性理论提出的平推式滑坡灾变的变形判据。传统的启动判据计算模型简单、指标单一、结果存在一定的误差,因此确定准确可靠的综合性判据是值得深入研究的课题。2.5平推式滑坡治理滑坡防治的工程措施很多,针对平推式滑坡致灾机理和破坏模式,制定防灾减灾策略,并实施有效的工程措施是平推式滑坡研究的最终目的。从上述平推式滑坡的降雨诱发机理可以看出,合理的排水设计是确保该类滑坡成功治理的关键。冯学刚等指出缓倾角顺层公路边坡,采用削方减载、锚拉抗滑桩、短锚杆支护,结合完善截排水系统是好的综合整治措施。张衡等认为边坡内地下水位达到起动判据的要求,平推式滑动破坏发生,建议实施坡面防护,阻断水与边坡岩体的相互作用,以保证边坡的长期稳定。范宣梅等在对平推式滑坡成因机理深入研究的基础上,制定了相应的地表和地下排水工程措施。许强等针对板梁状滑坡的后续变形破坏模式,提出加强截排水,消除在裂缝内形成高水头的条件;在板梁外侧根部采取短桩或抗滑键阻止板梁进一步向外滑动;顶部采用连梁或锚索约束其倾倒变形等有针对性的工程治理措施。王振伟等研究了沿赋存有水平顺坡向或反坡向的缓倾软弱岩层蠕滑形成滑坡,认为此类滑坡控制应优先采用上部减重、下部压脚与边坡防排水工程相结合的综合治理方案。左昌虎针对万州区平推式古滑坡群的成因机制,提出对古滑坡进行以地表和地下排水工程为主,局部复活体进行支挡,后缘危岩体常规治理的工程措施。程强指出近水平红层软岩开挖边坡灾害的防治应在充分掌握开挖边坡坡体结构、控制性结构面及其力学性质的基础上正确分析判断其稳定性,然后采取综合防治措施,也就是采取合理的开挖边坡防护与加固,预防开挖边坡灾害的发生。3平