降雨对滑坡体发育稳态趋势的演变分析

T echnolog y &Eco no my in A reas of Co mmunicatio ns

交通科技与经济

2011年第3期(总第65期)

降雨对滑坡体发育稳态趋势的演变分析

万志强,肖盛燮

(重庆交通大学防灾减灾工程研究所,重庆400074)

摘 要:基于滑坡体结构发展趋势的链式原理,建立起滑坡为结构体的模型并进行理论分析。滑坡属于地质力学的范畴,建立适当的力学结构模型,进行理论上的应力应变分析。通过灾害链式理论的指导,具体分析降雨对滑坡体发育的链式过程,发现滑坡体发展趋势,并通过有限元进行模拟,推测滑坡体稳定的极限状态,在降雨发生情况下,判断滑坡体是否处于稳定或即将出现滑坡提供理论参考。关键词:降雨;滑坡体;稳态;演变分析;降雨型滑坡

中图分类号:X43 文献标志码:A 文章编号:1008 5696(2011)03 0001 04

Steady state Landslide Rainfall Trends in the Evolution of Development

WAN Zhi qiang,XIAO Sheng xie

(Research Insti tute of Disaster Prevention and M itigati on Eng ineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

Abstract:Landslide in the Development based o n the chain pr inciple,to establish landslide for the structure of the model theo ndslide is the scope o f geomechanics,the establishm ent of an appr opr iate model of the m echanical structure,the theo retical stress and strain analysis.Disaster chain through the guidance of theory ,detailed analysis o f rainfall on landslide development of chain processes,dev elo pm ent trends that landslide,and the finite element sim ulation,sug gesting stabilization of the limit state landslide fo r us in the case o f rainfall occurred,to determine landslide is in a stable or im minent landslide,to pr ovide a theo r etical fr am e of reference.

Key words:rainfall;landslide;steady state;evolutio n;rainfall induced landslide 收稿日期:2010 11 10

基金项目:国家自然科学基金项目(50879097)

作者简介:万志强(1987-),男,硕士研究生,研究方向:滑坡防灾减

灾.

滑坡是指斜坡上的土体或者岩体,受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响,在重力作用下,沿着一定的软弱面或者软弱带,整体或分散地顺坡向下滑动的自然现象,俗称 走山 、 垮山 、 地滑 、 土溜 等。

产生滑坡的主要条件为:一是地质条件和地貌条件,这是滑坡发展的内在因素;二是内部发展和人为作用的影响,这是滑坡发生的诱发因素。在众多的诱发因素中,水是重要的因素。而水的补给方式主要是大气降雨。据统计,降雨类型的滑坡约占滑坡总数的70%,调查表明降雨类型的滑坡中95%的滑坡发生于雨季。降雨诱发的滑坡在世界上分布最广,发生频率最高,在各类滑坡中给人类造成的危害也最大。2009 06 05T 15,重庆市武隆县铁矿乡鸡尾

山发生重大山体滑坡,26人遇难,63人失踪,造成这起滑坡的主要原因是连日暴雨。

国内外已经有许多研究者对降雨与滑坡的关系进行了探索研究,他们采用不同的方法或模型研究具体的某个地区发生滑坡时的临界降雨强度或降雨持续时间,从雨量上定量预报了滑坡的发生。本文在前人研究内容的基础上,通过详细分析降雨对滑坡体的作用过程,运用灾害链式理论,建立起降雨在对滑坡体灾害孕育、发展、发生的过程模型。从链式关系上去分析降雨对滑坡灾害产生的影响。

1 滑坡体的结构类型与破坏模式

滑坡体结构指坡体内岩土体的分布和排列顺序、位置、产状及其与临空面之间的关系。常见滑坡体结构主要分为4种:均质土滑坡、岩层层面滑坡、沿坡积层与基岩交界面滑坡、切层滑坡,如图1所示。同时把这4种滑坡体结构的类型进行分类,它

交通科技与经济 第13卷

们分属于不同的破坏模式,见表1

。图1 常见滑坡体结构

表1 滑坡体结构类型与滑坡的破坏模式

坡体结构属于基本类型破坏模式均质土滑坡类均质体结构旋转式滑动沿岩层层面滑坡顺倾层状结构顺层滑动沿坡积层与基岩交界面滑坡反倾层状结构倾倒 切层滑动

切层滑坡

近水平层状结构

切层滑动

2 降雨对滑坡体作用的链式关系

降雨对滑坡的影响很大,同时降雨也是诱发稳定滑坡体发生滑移的主要因素。降雨对滑坡的作用主要表现在,雨水的大量下渗,导致斜坡上的土石层饱和,甚至在斜坡下部的隔水层上积水,从而增加了滑体的重量,降低土石层的抗剪强度,导致滑坡产生。不少滑坡具有 大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑 的特点。

降雨对滑坡的作用阶段方式如下:

1)降雨对边坡岩体起加载作用,饱和岩体,增加容重,并产生动、静水压力及孔隙水压力。

2)降雨侵蚀、冲刷坡脚,破坏坡体,改变边坡结构。降雨形成的地表水径流改造坡体表面甚至形成各种类型的冲沟网或使坡体解体。雨水下渗,可以直接成为地下水的补给源,改变坡体原有的渗流场,使滑体或滑带处于干、湿交替状态,不利于坡体的稳定。大气降雨入渗下界往往微、细颗粒富集,离子交换频繁,亲水成分增加,这是滑体中易变形的部位,成为滑体主滑控制界面之一。

3)雨水对滑坡体产生物理、化学破坏作用。雨水入渗,弱化岩体,泥化软化滑体,粘土矿物的水化作用导致粘着力降低,甚至消失,改变滑坡力学性

能。一定条件下,岩体吸收或失去水分而发生水化

作用,吸水或脱水过程中都能引起岩体体积的膨胀或收缩,从而导致岩体松散破碎或改变其化学成分。

4)降雨本身赋存于滑动面之间形成润滑介质,使颗粒间和滑面的摩擦系数下降,特别是当有粘土质充填物时,水的润滑作用加大,从而导致滑体的抗剪强度降低。

本文也以图表的形式让读者更清楚地了解降雨对滑坡体作用的整个过程,见图2。

图2 降雨对滑坡体作用过程

3 滑坡体在降雨作用下主要特征参数的计

算

在具体计算降雨对滑坡体稳定的作用时,通过有限元强度折减系数法,计算在降雨条件下,滑坡体特征参数的变化以及应力应变的情况。在有限元静力稳态计算中,如果系统为不稳定状态,有限元计算将不收敛。基于此原理,在非线性有限元滑坡稳定性分析中,可得式(1),通过式(1)来对结构面的强度(粘聚力c 和内摩擦角 )进行折减,动态的调整折减系数w ,使系统达到临界破坏状态,有限元静力计算将不收敛,此时的折减系数w 就是边坡稳定安全

c =c w ,tan =tan w .

式中:c 为初始粘聚力, 为初始内摩擦角,w 为折

减系数。

3.1 模型中的降雨边界条件与初始孔隙水压力

为了模拟降雨对滑坡体的影响,在模型的边界条件上,加入了材料渗透系数与土体基质的关系,如下式

K w =a w K

ws

/[a w +(b w (u a -u w ))c w ].

式中:K ws 为土体饱和时渗流参数,u a 、u w 为土体中的气压和水压力,a w 、b w 、c w 为材料系数。

除了孔隙水压力发生变化,在长时间高强度降雨会使得稳定地下水位以上区域出现暂态饱和区,具体的计算如下式

S r =S i +(S n -S i )a s /[a s +(b s (u a -u w )c s )].

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