水利工程论文-边坡形状对崩塌的影响.doc

水利工程论文-边坡形状对崩塌的影响摘要：边坡形状是影响崩塌的因素之一，通过现场统计资料分析认为坡度、坡高和坡面形态对边坡崩塌的影响很大，故利用崩塌模拟实验进行不同坡度、不同坡面形态的对比试验，观测了边坡内部孔隙水压力随时间的变化过程和土体移动量随时间的变化规律，并对崩塌的形式和部位进行了定性描述。从而为进一步建立边坡崩塌预测模型和确定防灾对策提供了科学依据。关键词：边坡形状崩塌孔隙水压力土体移动量1前言重力侵蚀的形式主要有滑坡、崩塌、泻溜三种，常成灾的是滑坡与崩塌。因暴雨引起的崩塌、滑落等山地灾害非常普通，为了减少山地灾害必须合理使用坡地，文献从社会效益、生态效益、经济效益同步发展出发，提出我国山区土地利用的方向，并按坡度大小划分为平坡、缓坡、斜坡、陡坡、急坡。从定性上讲大于25的陡坡应限制开发，大于35的急坡应禁止开发使用。由于人类活动的影响，陡坡地常常被开发利用，所以有必要对边坡崩塌产生的机理进行研究。当然要清楚边坡崩塌的发生机理必须对影响的因素有足够的认识。影响边坡崩塌的因素很多，其中最直观的是边坡形状。在其它条件相同情况下坡度越大越危险，坡高越高越容易产生崩塌。一般侵蚀多半发生在有一定倾角的山坡，随着坡度的增加侵蚀加剧，促使边坡崩塌形成。影响边坡崩塌的地形因子很多，如坡度、坡长、坡高、坡向、表面形态等。边坡地形是边坡崩塌发生的最基本条件，表征地形的主要指标是坡度和坡高及表面形态。为此，研究坡形对崩塌产生的影响有助于认识崩塌形成的条件和机理以及认识过度开发陡坡地的危害性。2边坡崩塌的形式图1半无限边坡上的崩塌形式自然界形成的边坡呈现各种形态，按边坡上部有无土层可分为半无限边坡和有限边坡，半无限边坡常见的崩塌形式有三种2，第一是受平行基岩面的限制，破坏面为沿基岩的平面，如图1(a)；第二种是受上下基岩面的限制，破坏面呈现圆弧状，如图1(b)；第三种是均质边坡上发生的圆弧状破坏，如图1(c)，当然也存在破坏面介于上述崩塌形式之间的复合破坏面。而有限边坡常见的破坏形式也有三种2，第一是均质边坡上的平面型崩塌，如图2(a)；第二种是单斜基岩面上的圆弧状崩塌，如图2(b)；第三种是复合基岩面上的圆弧状崩塌，如图2(c)所示。通常崩塌的部位在沟谷或山坡上，如图3所示2。图2有限边坡上的崩塌形式3坡度对边坡崩塌的影响山地灾害就是边坡的失去塑性平衡，产生破坏、位移和堆积，使人类活动、土地利用受到影响。据四川攀西调查资料3，方量在10104m3以上的滑坡和崩塌有816处，按平均坡度分级进行统计如表1所示，坡度在3645之间，边坡发生破坏的类型多为崩塌性滑坡。表1说明坡度10以下没有滑坡产生，一般滑坡大多发生在1030之间，崩塌多数出现在坡度大于30的边坡。图3边坡崩塌的位置示意图为了掌握边坡崩塌现场实际情况，文献2对过去30年间的2238处崩塌资料进行了统计，大约80%的崩塌事例的坡度为3050，其中边坡坡度在40时最多。如图4所示。文献4根据统计资料表明，多数崩塌都发生在坡度3050的陡峻边坡上，从构成边坡的土壤性质分析，一般土质边坡的坡度要缓于岩质边坡，且土质边坡崩塌时的坡度多数为3040，而岩质边坡崩塌时坡度为3050之间。表1边坡崩塌的坡度坡度()数量(个)比例(%)类型10没有0滑坡1020607.4滑坡213053265.2滑坡3022427.4崩塌图4不同坡度崩塌产生的概率分布4坡高对边坡崩塌的影响文献4根据统计资料表明，绝大多数崩塌发生在坡高大于20m的边坡上，坡高越高崩塌的概率越大。表2为凤州工务段崩塌次数与坡高的关系。日本对坡高对崩塌的影响也进行了统计，文献5的资料表明：坡高为1020m的边坡发生崩塌的概率最大，占总数的32.9%，其次是2030m占15.8%，平均坡高35.5m。如图5所示。从表2和图5可知，不同地区出现崩塌的坡高不一样，这主要与土质状况有关，岩质边坡高而陡，土质边坡低而缓。表2崩塌次数与坡高关系坡高(m)崩塌(次)比例(%)201119.3301017.5401119.3502340.4图5不同坡高崩塌产生的概率分布5坡面形态对边坡崩塌的影响崩塌块体的运动与滑坡有差别，崩塌体从地面开裂向临空面倾倒到瞬间撕裂脱离母体高速运动，整个运动过程表现出自由落体、滚动、跳跃、碰撞和推动等多种方式并存的复合过程。运动中由于跳跃、碰撞使大的岩土块碎裂、解体成小块。一般山地坡面的形态呈凹凸不平的不规则形状，但不管怎样复杂的地形都可分为平面、凹面、凸面三种最基本情况，由于纵横断面凹凸变化以及不同曲率半径的组合可以形成各种各样的边坡。但基本的坡面形态可分为九种，其中有三种组合在现场出现的概率较小或者没有。根据文献6可将常用的六种坡面分为平面型、上升型、下降型、溪沟型、脊梁型、集水型。日本对坡面形态观测的非常细，分别调查了纵向断面和横向断面为各种形态时出现崩塌的概率。如图6及表3所示。但需说明的是统计资料既有自然边坡也有人工整治后的边坡，从表3可知，横断面形状为平面型时出现崩塌的概率有60.1%，大于溪沟型和脊梁型，这是由于统计资料中人工整治过的平面型边坡较多的原因，如去除人为因素的话，文献中也进行统计，从三个不同区域比较了横断面形态对边坡崩塌的影响，其结果如图7所示。结果表明：溪沟型出现崩塌概率最高，脊梁型略多于平面型边坡崩塌的概率。图6各种形态时出现崩塌的概率表3断面形状出现崩塌的概率(%)纵断面横断面下降型平面型复合型上升型平面型溪沟型脊梁型其他36.132.624.37.060.118.117.84.0自然界的坡面形态多种多样，根据文献7的研究，边坡纵向形态上有凸型坡(本文的脊梁型)、凹型坡(本文的溪沟型)和顺直坡(本文的平面型)之分，其中，凸型坡较陡峭，利于崩塌的发育，凹型坡大多是古崩塌的残留后壁，利于地表水、地下水汇集，易诱发边坡崩塌。许多冲沟源头沟掌地形也属从缓坡到陡坡(本文的下降型)，由于强烈的沟头溯源侵蚀作用，使沟掌地极易产生滑动，而从陡坡到缓坡(本文的上升型)是河流宽谷段典型的坡面形态，一般不会有大量的崩塌发生。不同形态的坡面产生崩塌的时机和规模是不一样的。同样各种坡面形状能否产生崩塌的概率也大不一样。根据日本国内现场资料统计分析日本国土防灾技术株式会社,斜面崩塌实验计划书。1996年7月。，基本坡面形态中有3种坡面出现崩塌的概率很小，如表4所示。表4坡面的基本形状基状横向平面凹形凸面纵向平面IIVVII概率常见常见常见凹形IIVVIII概率常见常见很少见凸面IIIVIIX概率常见很少见几乎没有图7横断面形态对边坡崩塌的影响从表4中可知，九种坡型中容易出现崩塌的坡面形态有六种：(I)平面型坡面：坡面和基岩面都为平面且平行。(II)上升型坡面：坡面和基岩面的纵断面都为凹面，从最低处向上，坡度越来越大。(III)下降型坡面：坡面和基岩面的纵断面都为凸面，从最高处向下，坡度越来越大。(IV)溪沟型坡面：坡面和基岩面的横断面为凹面，这种形态类似溪沟的形状。(V)脊梁型坡面：坡面和基岩面的横断面为凸面，这种形态类似山坡的脊梁。(VI)集水型坡面：坡面和基岩面的纵断面、横断面均为凹面，这种形状形成集水坑。6崩塌模拟实验为了研究边坡产生崩塌的可能性，利用变坡试验槽进行了模拟试验。变坡试验槽长6m、宽2m、高1.3m，变坡试验槽上方设有降雨装置，最大降雨强度为100mm/h，雨量可以调节。人工降雨模拟试验槽如图8所示。试验用沙是由永定河上2mm以下的天然沙与密云粉粘土(粘土含量约为24%)按一定比例混合而成。按粘土含量4%、8%、12%的比例配制试验用沙，永定河沙、密云粉粘土及粘土含量为8%的试验用沙的颗粒级配曲线如图9所示。由于土质边坡最容易崩塌，且出现崩塌时坡度为3040，在坡面形态为平面情况下，选取坡度30、35、40进行坡度对崩塌的影响的试验。并在坡度为35的情况下进行了六种不同坡面形态的试验。