（地质工程专业论文）黄土滑坡运动模式及滑距预测方法研究.pdf

捅要 在黄土地区范围里，为了有效的评估存在危险的黄土滑坡地质灾害，对潜在危险的 黄土滑坡的滑距预测就显得非常重要，能够为滑坡的地质灾害评估提供依据。 将黄土地区破坏性较强的黄土滑坡分为高速远程滑坡、滑坡泥流和错落式滑坡三种 模式。其各自的运动特点是：高速远程滑坡分为两个阶段，第一阶段是滑坡体从坡体分 离并且迅速崩落，第二阶段是当滑体撞击坡脚前沿的一级阶地后高速滑移很远的距离； 滑坡泥流是滑坡体沿滑面滑动，遇水作用转化为泥流，并沿沟道下滑直到出沟口后堆积； 错落式滑坡滑体从一种不平衡位置下滑至新的平衡位置。 高速远程滑坡的运动机理有加速效应、持速效应和减速效应，本文着重研究黄土高 速远程滑坡在持速效应下滑坡体运行到滑道( 阶地) 上的综合内摩擦角矽值的大小。滑 坡泥流的形成经历碎屑化过程和造浆过程，使得滑体在水流作用下饱和呈流体态或准流 体态。错落式滑坡滑体因降雨或人工开挖等因素导致滑体的抗滑力减小，滑体从不平衡 的位置下滑到新的平衡位置。 应用饱和反复直接剪切实验获得的残余强度对已知滑坡进行数值计算。在错落式滑 坡中，根据卧虎山滑坡的滑距反算综合内摩擦角，分析综合内摩擦角与实验参数之间的 关系；在滑坡泥流中，根据华县滑坡泥流的滑距反算综合内摩擦角，分析综合内摩擦角 在滑坡泥流滑距预测的应用；在高速远程滑坡中，利用9 个已知的高速远程滑坡的滑距 反算它们的综合内摩擦角值，并分析反算的综合内摩擦角值，再用已知滑坡的滑距对分 析结果进行验证。 分析三类滑坡的运动轨迹方程，在此基础上根据三类滑坡的运动特征建立运动学模 型，并根据实验及实测参数计算每类黄土滑坡的滑距，最后分析利用运动学模型计算黄 土滑坡滑距方法的准确性。 关键词：黄土滑坡，运动学模型，离散元，滑距，综合内摩擦角 a bs t r a c t i nt h el o e s sa r e a ，t h ep r e d i c t i o no ft h er i s ko fl o e s sl a n d s l i d e sl a n d s l i pw h i c hc a l lp r o v i d ee v i d e n c e s f o rt h ea s s e s s m e n t o fg e o l o g i c a ll a n d s l i d ed i s a s t e r ss e e n 皓q u i t ei m p o r t a n t ，i nt e r m so ft h ea c c u r a t e p r e d i c t i o no ft h er i s ko fl o e s sl a n d s l i d eg e o l o g i c a ld i s a s t e r s w ec a np u tt h ed e v a s m t i n gl a n d s l i d e si n t ot h r e es t y l e si nt h el o e s sa r e a ：h i g h s p e e da n dl o n g - r a n g e l a n d s l i d e s 1 a n d s l i d e m u d f l o w sa n df a u l t e dl a n d s l i d e s e a c ho ft h e mh a st h e i ro w l lf e a t u r e s ：f i r s t ， l l i g h s p e e da n dl o n g - r a n g el a n d s l i d ec a l lb ed i v i d e di n t ot w op r o c e s s e s i nt h ef i r s tp r o c e s s ，t h es l i d i n g m a s s e ss e p a r a t ef r o mt h es l o p ea n dc a v e sq u i c k l y i nt h es e c o n dp r o c e s s ，t h es l i d i n gn 1 3 3 s e sw i l ls l i d ef o ra l o n gd i s t a n c ew h e nt h e yh i tt h ef i r s tl e v e la tt h ef o o to f t h es l o p e s e c o n d ，t h es l i d i n gm a s s e ss l i d ea l o n g w i t ht h es l i p p e r ys u r f a c ea n dt r a n s f o r mi n t om u d f l o w sw h e nw a t e rt a k e sp a r ti n ，t h e nl a n d s l i d e m u d f l o w s a r ef o r m e d a n dk e 印s l i d i n ga l o n gt h ec h a n n e la n da c c u m u l a t ea tt h ee n do ft h ec h a n n e l t h i r d ，f o rt h e f a u l t e dl a n d s l i d e s ，t h es l i d i n gi n a s s e ss l i d ef r o mo n ei m b a l a n c e dp o s i t i o nt oa n o t h e rn e we q u i l i b r i u m p o s i t i o n t h em o v e m e n tt h e o r i e so fh i 曲一s p e e da n dl o n g - r a n g el a n d s l i d ei n c l u d es p e e d i n g - u pe f f e c t ， k e e p i n g s p e e de f f e c ta n ds l o w i n gd o w n - s p e e de f f e c t t h i sp a s s a g ef o c u s e so nt h es i z eo fc o m p r e h e n s i v e f r i c t i o na n g l ew h i c hi sp r o d u c e dw h e nt h es l i d i n gm a s s e sr u ni n t os l i d e w a yw i t ht h ek e e p i n g s p e e de f f e c t t h ep r o c e s so ft h ef o r m a t i o no fl a n d s l i d e m u d f l o w si n c l u d e se l a s t i cp r o c e s sa n dm a k i n gp u l pp r o c e s s ， m a k i n gt h es l i d i n gi t l a s s e ss h o wf l u i do rq u a s i f l u i dw i t ht h ew a t e r si n f l u e n c e f o rt h ef a u l t e dl a n d s l i d e s m a s s e s ，t h ea n t i s l i pf o r c eo ft h es l i d i n gm a s sd e c r e a s e sb e c a u s eo ft h ep r e c i p i t a t i o no ra r t i f i c i a le x c a v a t i o n ， t h e nt h es l i d i n gm a s s e sf a l lf r o mo n ei m b a l a n c e dp o s i t i o nt oa n o t h e rn e we q u i l i b r i u mp o s i t i o n t h er e s i d u a ls t r e n g t hw h i c hi sa c h i e v e db ya p p l i n gs a t u r a t e d - r e p e a t e dd i r e c ts h e a re x p e r i m e n td o e s c a l c u l a t i o nt ot h ek n o w ns l i d i n gi l a s s i nt h et h ef a u l t e dl a n d s l i d e s ，w ec a nw o r ko u tt h ec o m p r e h e n s i v e f r i c t i o na n g l eo p p o s i t e l ya c c o r d i n gt ot h el a n d s l i po fw o h u s h a nl a n d s l i d ea n da n a l y z et h er e l a t i o n s h i po f t h ec o m p r e h e n s i v ef r i c t i o na n g l ea n dm e a s u r e dp a r a m e t e r s i nt h el a n d s l i d e - m u d f l o w s ，w ec a nw o r ko u tt h e c o m p r e h e n s i v ef r i c t i o na n g l ea c c o r d i n gt oh u a x i a n sl a n d s l i d e m u d f l o w s ，a n da n a l y z et h ea p p l i c a t i o no f t h ec o m p r e h e n s i v ef r i c t i o na n g l ei nt h ep r e d i c t i o no fl a n d s l i d e m u d f l o w sl a n d s l i p i nt h eh i 曲一s p e e da n d l o n g r a n g el a n d s l i d e ，w ec a nw o k eo u tt h ec o m p r e h e n s i v ef r i c t i o na n g l eo ft h e9k n o w nh i g h s p e e da n d l o n g - r a n g el a n d s l i d e sl a n d s l i po p p o s i t e l ya n da n a l y z et h ev a l u e sw eh a v eg o t ，a tt h es a m et i m ew ec a na l s o v e r i f yt h er e s u l t so ft h ek n o w nl a n d s l i d el a n d s l i p a n a l y z et h et h r e es t y l e so fl a n d s l i d e sm o v e m e n tp a t he q u a t i o n s ，a n db u i l du pt h ek i n e m a t i c sm o d e l a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n tf e a t u r e so ft h e m ，a n dc a l c u l a t et h el a n d s l i po f e a c hl o e s sl a n d s l i d ea c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t sa n dm e a s u r e dp a r a m e t e r s ，a t l a s ta n a l y z et h ek i n e m a t i c sm o d e la n dc a l c u l a t et h el o e s s l a n d s l i d e sl a n d s l i pm o r ea c c u r a t e l y k e y w o r d s ：l o e s sl a n d s l i d e s ，k i n e m a t i c sm o d e l ，d e m ，s l i d i n gd i s t a n c e ，c o m p r e h e n s i v e i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论一虢啤皮 抄8 年莎月弓日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：_ 孝使莎卯2 年多月多日 l 别帷轹锄q 知沙尸年石月弓日 长安大学硕 = 学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 滑坡地质灾害给人类的正常经济生活带来了重大损失和影响，为减少滑坡地质灾害 对人类的不良影响，对滑坡的预测预报研究甚是重要，为防治滑坡地质灾害的发生提供 重要依据，并为提前做好人员的转移工作提供事前预警。 滑坡的预测预报涉及到滑坡稳定问题的许多理论和方法，国内外学者在滑坡变形机 制分析等相关问题进行了许多有效而深入的研究工作，但因滑坡的失稳及其强度受到各 种因素的影响，实际能准确预测预报的实例很少。滑坡滑距的预测属于滑坡空间预测范 畴，对其研究的意义在于可以将滑坡失稳后滑坡的破坏强度及范围加以量化，从而对滑 坡周遍人类的生产活动及区域规划提供指导。而现有的滑坡滑距预测大都基于不同类型 的滑坡滑距与滑坡体积或坡高等参数的对应关系统计建模，均属于单因素分析，对不同 规模和地形条件的滑坡滑距预测存在很大的难度。本文在综合考虑滑坡地形因素、滑坡 自身形态及特性等方面进行滑距的预测的探索。在对黄土滑坡调查的基础上，获取野外 实测资料及室内实验获得滑坡的相关参数值，使用离散单元法对滑坡的运动过程进行数 值模拟，通过对已知滑坡滑距拟合进行综合内摩擦角的反算，以达到对类似未知滑坡滑 距预测的目的，再通过建立运动学模型对不同分类的滑坡从运动学角度进行滑距的计 算。 1 2 研究现状 1 2 1 滑距预测研究现状 目前滑坡滑距的预测的研究还不够成熟，还需从理论上完善预测方法和从实践中总 结滑坡活动规律。随着计算机技术，现代数学、仿真技术等技术手段发展，数值模拟技 术已经成为研究滑坡等地质灾害的重要的方法和手段。滑坡运动过程是地质体从形变演 化发展到破坏以至运动，是一个复杂的动态力学过程，是一个变形量从量变的累积到质 变的发生过程，影响的因素众多，给滑坡的预测预报带来难度。首先对滑坡的运动过程 的分析是预测预报中重要的步骤。滑坡的量变的积累属于小变形过程，多采用基于弹塑 性和粘弹塑性理论的本构方程，并用有限单元法等数值分析方法求解；质变属于大变形 过程，2 0 世纪8 0 年代发展起来的、基于刚性块体模型或不连续变形模型的离散单元法 ( d e m ，d d a ) 是解决大变形过程模拟的有效方法，将两种方法结合应用，是目前实现 地质灾害全过程模拟的基本途径【1 】。 第一审绪论 国内众多学者对于滑坡运动过程进行了大量的研究工作，提出基d d a 的滑坡运动全 过程的非连续变形分析与仿真模拟；通过分析高速滑坡的动力来源，同时考虑滑动过程 的速度和变形的不均匀性及能量转化与损耗的块体运动理论。而这些方法的研究是为了 对滑坡灾害的预测提供理论基础【2 】。 国内众多学者对滑坡预测预报的方法因研究对象出发点不同，分别从物理、力学、 数学、微观结构学、生物学等学科角度出发进行研究和讨论。滑坡活动强度的预测预报 研究包括活动速度和活动距离( 滑距) 两个滑坡运动特征的研究，主要方法有：质点运 动学预测法；质点运动学与滑坡运动机理研究相结合的预测方法等【3 1 。王念烈2 6 1 对滑坡 滑距预测方法归纳为五种常用方法，本文总结如表1 1 。 1 2 2 滑坡数值模拟研究现状 数值方法一般可以分为区域型和边界型两大类：区域型数值方法包括有限单元法、 有限差分法和离散元法；边界型数值方法主要是指边界单元法【1 4 】。其中只有离散元法可 以模拟滑坡的运动过程。 离散单元法( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ) 是2 0 世纪7 0 年代开始出现的一种岩土工程 数值模拟方法( c u n d a l l ，1 9 7 1 ) 。与有限单元法类似假定单元块体是刚体，块体单元通 过角和边相接触，其力学行为有物理方程和运动方程控制。而与有限单元法不同之处在 于离散单元法可以允许单元间相互脱离，单元可以产生较大的非弹性变形【1 4 】，适用于模 拟块体运动过程如岩质滑坡运动过程、矿渣堆积引发的滑塌、泥石流等地质灾害问题。 美国i t a s c a 咨询集团分别推出二维离散元程序u d e c 和三维离散元程序3 d e c ，被广 泛的应用于岩石力学和采矿工程，是公认的对节理体进行数值模拟的一种行之有效的方 法。国内软脑公司在1 9 9 7 年开始开发的二维离散单元法软件系统2 d b l o c k ，在集成化、 面向对象的编程、i n t e m e t 化和可视化等方面体现出优势【2 们。国内学者在离散单元法模 拟也做了大量研究工作：肖裕行【”1 研究二维离散单元法接触处理的新算法；焦玉勇【1 8 】 研究三维离散单元法及其在滑坡分析中的应用；陈春光【1 9 1 三维离散单元法在泥石流堆积 研究中的应用等。 1 3 研究的内容及技术路线 为便于对黄土滑坡滑距进行预测，定义滑坡运动时综合内摩擦角q 值。认为当滑坡 运动在滑面或阶地上时，一个综合土性、地形、各种加速效应、持速效应、减速效应等 作用的内摩擦角值。 2 长安大学硕1 ：学位论文 以运动特征为方式对黄土滑坡进行分类。对泾阳地区8 处高速远程滑坡和华县滑坡 泥流进行地质调查、测量、野外取样及室内实验。按不同的类别分析黄土滑坡的运动机 理及计算参数的如何选取问题。本文应用目前通用的数值模拟方法对滑坡进行预测进行 研究，选用软脑公司开发的二维离散单元法软件2 d b l o c k 进行数值模拟分析。用数值 方法模拟滑坡运动的整个过程，从而拟合滑坡实际运动过程并获得理论力学参数，进而 分析实验参数与理论参数之间的关系。为滑坡预测预报提供在数值模拟方法上的探索和 研究。并且分类建立黄土滑坡的运动学模型，以运动学方法计算滑坡的滑距。 本文在滑坡按运动学分类基础上，分析每类滑坡的运动机理及滑坡测量参数和实验 参数。研究如何通过数值模拟方法完成对滑坡的预测预报并分析该方法的适用性和准确 性。分类建立运动学模型，并以此计算每类黄土滑坡的滑距。 ( 1 ) 在野外调查及实测的基础上，获取滑坡物理特性参数，在此基础上综合分析 滑坡参数。并为数值模拟计算和运动学模型计算提供计算参数。 ( 2 ) 在研究滑坡运动过程的几个阶段的基础上利用国内研究者目前常使用的离散 单元法程序( 2 d b l o c k ) 对滑坡在实测参数的基础上进行数值模拟，并根据模拟结果中 的滑距对参数进行修正，从而得到与实测滑距相吻合的滑坡各拟合参数。 ( 3 ) 本文在模型的建立、特别是对滑坡不同运动阶段的参数的分析及修正进行研 究工作，用实际滑距通过反演法获得滑坡的理论参数，并应用理论参数与实测参数之间 的关系进行分析与修正，使滑坡过程模拟结果更接近滑坡实际运动过程，以达到滑坡运 动过程数值模拟的准确性和可用性，从而实现滑坡灾害预测预测的目的。 ( 4 ) 根据黄土滑坡运动特征建立运动学模型，并根据相应的参数计算黄土滑坡的 滑距。 本文的技术路线如图1 1 。 第一章绪论 图1 1 技术路线 4 幄格林 鐾塞 ，；葚 艇 抒g 掣 蠹辎 墓驾 辇丑 礤妇 j 三烈 謇裂 鼗杈 柱帷 餐器 艇嫂 m吾墨 蠹磐 懈函墨。 幄农 礤锼 卿 状廿 阿馨鲻 趔察袈 鼹! 剥 因g 樱 g 娶聪 辩q 娶蕊 嶂始 肇两柱，、 l 卿忙 察 柬蹬 架v 州。 幽榭 h 叶餐 橱 塔 球艇副掣。 苍驰 斗 _ 2 h 时认为足远程滑坡。为了更直观地看出滑坡几种要素，绘制滑坡要素关 系图( 如图2 1 ) 。 6 k 安大学硕i ：学位论文 t h h i 蝴坡重心落差；h 黄土滑坡高差；m 滑坡后壁到斜坡陡壁的距离； 蝴坡体平均厚度；i 滑坡滑距。 图2 1 滑坡要素关系图 高速远程滑坡常发生在高陡的黄土塬边。高阶地由于被侵蚀掉，在河岸与斜坡顶之 间仅坐落有一级阶地，斜坡地层整个由从全新世到早更新世黄土层组成，下伏泥岩。一 级阶地上部是1 2 m 厚冲积形成的粉质粘土( q 4 ) ，下面是2 3 m 或更厚的砂砾层，下面 为老粘土，其下为基岩；地下水位通常不超过2 m 。无论是降雨还是灌溉，都是滑坡发 生的主要诱发因素。滑坡滑动过程可分为两个阶段，第一阶段是滑坡体从坡体分离并且 迅速崩落，第二阶段是当滑体撞击坡脚前沿的一级阶地，饱和砂砾液化，使粉质粘土抗 剪强度迅速降低，并且裹绕砂砾，接触面变得光滑，使砂砾层抗滑作用更一步降低，这 i ： 样滑坡体沿着砂砾层表面能滑移很远。因此，该类型滑坡具有很高的滑速，滑动距离也 很远( s a s s al ( ，1 9 9 7 ) 。 位子甘肃省的洒勒山滑坡就是这类高速远程黄土滑坡。该滑坡黄土滑床位于第三纪 红粘土层上，其上有地下水积聚，红粘土浸水软化，强度降低，一旦超过其临界强度而 迅速下滑。它以3 0 m s 的速度从3 0 0 m 高的斜坡上高速下滑，滑到了巴谢河对岸距坡脚 处超过l k m 的地方。该滑坡是一典型高速远程滑坡，巴谢河一级阶地饱和松散的堆积 层是造成长距离滑动的重要因素。 高速远程滑坡是黄土地区分布很广的黄土滑坡，它主要分布在黄土高原西部河流经 过的黄土塬边，农业灌溉是其激发的主要诱因，如位于西安附近的渭河，泾河和灞河河 岸附近的塬边，就分布大量该类型的滑坡。 7 第二章黄滑坡分类运动帆理 图2 2 洒勒山滑坡全貌 圉2 3 洒勒山滑坡主剖面 2 12 滑坡泥流 滑坡泥流不常见但在适当的地形条件f 时而发生，兼有滑坡和泥流的特征是黄土 滑坡体先滑动再转化泥流的运动过程。黄土地区发育有许多葫芦状冲沟，其坡度陡，上 宽下窄，通道窄深。上端通常陡壁环绕可彩成一巨大的储水盆构造，当雨水或灌溉积聚 在这里时，陡壁坡脚处土层浸水饱和软化，强度降低而迅速下滑。大量松散饱和黄土顺 着狄窄沟谷俯泻下冲。园滑速伙，含水高，滑距远，在下滑过程中，滑体转化为黄土泥 流。这种滑坡泥流对沟谷出口处附近的居民和房屋能造成巨大的伤亡和破坏破坏程度 取决于形成泥流的滑体大小和沟口形状。 k 安太学碰l 宁n 沧文 图2 4 滑坡泥流发生区 圈2 5 滑坡泥流流通区 圈2 6 滑坡泥流堆积区 第二章黄土滑坡分共及运动机理 2 0 0 6 年1 0 月6r 发生在陕西省华县的滑坡泥流就是此类黄土揖坡的典型事例( 见圈 24 国26 ) 。滑坡发生在沟谷顶部一台塬边上，顺着冲沟下落了7 0 m 滑行距离接近 3 0 0 m 。沟床纵坡坡度在2 0 0 左右。农片j 灌溉水渠正好位于沟谷顶部附近滑坡后缘的台地 上，水渠年久失修，事故发生前下了一场雨，加上大量灌溉水从渠道底部渗漏到沟坡土 l _ ，沟谷下部黄土几乎饱和滑体大部分转化为泥流冲出沟谷。 2 13 错落式滑坡 图27 卧虎山请坡全貌 阿2 8 卧虎山滑坡主剖面 长安大学硕上学位论文 错落式滑坡一般发生在斜坡被厚层黄土覆盖的高阶地上。在上部黄土和下部基岩之 间多有1 - 2 m 厚的砂砾层分布，古河床阶地形成于黄土堆积层之前。从现代河床到斜坡 顶部通常发育有二级阶地和三级阶地。在绝大多数情况下，斜坡坡脚处的基岩在河流的 侵蚀侧露出地表。滑坡通常在底部沿着阶地基岩表面、在滑体后部切割黄土层而向下滑 动。 这类典型事例有位于延安市南部的卧虎山滑坡( 图2 7 ) 。该滑坡是一老滑坡，从滑 坡后背黄土陡臂痕迹判断，历史上至少经历两次下错运动，断续下滑达3 0 m 。1 9 9 7 年7 月的一场暴雨，滑坡下滑了2 0 多米后停止。在坡脚底部，砂岩断断续续出露，局部形 成陡壁，在陡壁与河流之间是一级阶地。滑坡体坐落在河流二级到三级阶地上( 图2 8 ) 。 因台阶上部雨水的渗入和聚集导致黄土滑坡沿阶地上表面滑移。 这类滑坡大部分分布在黄土覆盖很厚，河流下切较深的黄土高原北部地区，此类黄 土滑坡体错落距离不远就停止下来了。他们往往因降雨诱发，在有利条件情况下，可多 次发生错动。 2 2 黄土滑坡的运动机理 从运动学角度以几何的观点来研究滑体( 质点) 的运动，不考虑引起运动的力是如 何作用滑体的，而是主要讨论黄土滑坡滑体脱离母体后的运动过程。用运动学的理论和 方法对滑体脱离母体沿已经形成的滑动面( 滑床) 运动进行研究，其运动机理的主要内 容是： ( 1 ) 滑坡体的运动特征：滑坡体运动方式、运动方向、运动轨迹、运动速度等( 见 第四章中对运动学模型) ； ( 2 ) 滑坡体的堆积特征：滑坡体的堆积形态、堆积范围( 或称危害范围、滑动距 离) 等【2 6 】。 2 2 1 高速远程滑坡运动机理 高速远程滑坡由于滑速高，滑动距离远，常给人类带来毁灭性的灾害。可在几分钟 内或者更短的时问内摧毁一座城镇。洒勒山滑坡，三分钟内将2 7 k m 2 内的三个村庄、三 千多亩农田、两座水库、一条公路及7 4 户房屋摧毁，造成2 2 7 人丧生。长江南岸新滩 滑坡，四分多种内将新滩镇变为废墟。运动速度快、运动距离远和覆盖范围广为此类滑 坡的最大特点，也是造成重大人员及财产损失的重要原因。 第二章黄十滑坡分类及运动机理 滑坡的高速和远程是两个密不可分的特征，本文根据国内学者已有理论对高速远程 滑坡进行运动机理分析。高速滑坡根据报导和实际考察，有的开始滑动的速度相当缓慢， 而逐渐出现高速滑动。有的一开始就有相当高的速度：骤然爆发，迅猛崩滑，出现较高 的“起程剧发速度”特点，这类高速滑坡出现启程剧动，初步可认为“加速效应”主要有两 个原因【l i 】： ( 1 ) 抗剪力突降加速效应：未滑动的边坡在静力极限平衡状态下形成的与抗剪应 力相当的推滑力，由于抗剪应力骤然或迅速的降低很大。这个突然释放的极大能量，便 顺沿着滑面，使滑坡体在启动滑动开始。 ( 2 ) 地震加速效应：来自边坡外部，但通过边坡内部起作用。当天然边坡处于或 接近于临界极限平衡状态时，由于地震的因素，波动震荡通过边坡形成滑坡体的波动震 荡。可视为外加荷载，激发滑坡体骤然而迅速的下滑。 根据滑体势能变化显著( 前段) 和基本不变化( 后段) ，区分为“近程”与“远程”的 效应。高速滑坡的滑程效应主要是加速效应，同时出现明显的“持速效应”。在“近程”中， 滑坡继续起程速度并加速到高速运动，在“远程”中，滑坡滑程摩阻减小，保持已形成的 高速和流动。现有的滑程中运动机理主要有四个效应： ( 1 ) 滑坡势动转化加速效应：处于高处的滑坡体都具有一定的势能，当它从高处 降低到低处时，势能便部分的转化为动能，表现其一定的速度和加速度。 ( 2 ) 滑床气垫擎托持速效应：即相似于滑坡的“气垫效应”，其有两种方式。一种 是“气化”，即滑坡体在滑床面上高速滑动过程具有相当高的速度并产生巨大热量，当滑 速足够高时便产生热量使得滑床面附近的地下水汽化，且不易散溢便形成气垫。另一种 是“气封”，即滑坡体下滑时，其下空气难于迅速排空，有可能形成气垫，气垫能起到擎 托滑坡体的作用，使其保持已获得的高速度。 ( 3 ) 滑床触变液化持速效应：滑坡体下滑后，在阶地或河漫滩上的砂土及粘性土 因滑体经过，土的孔隙水压力急剧增高，有效应力剧速减低甚至趋近于零。同时饱和砂 土及粘性土结构会发生变化，处于触变液化状态，摩阻力减小甚至全部散失。使得滑坡 体保持已获高速度。 ( 4 ) 滑程碎屑流持速效应。高速远程滑坡在下滑时，具有很高的速度滑动到前缘 前开阔的阶地上便出现碎屑流，其满含大量水分并混杂气泡，且容重远大于l ，它的内 摩擦力极小。 除卜述四种持速效应，李同录【36 】提出另一种持速效应，称之为“滚珠效应”。在对泾 1 2 长安大学自学位论文 阳地区高速远程滑坡的调查中笈现，滑坡发生在泽阳南岸的塬边，滑体在一级阶地r 高 速滑行。在阶地上含有大量卵砾石对滑体在近程巾保持高速具有重要作用。如图2 9 ， 卵砾石如剧滚珠一样，物体( 滑体) 在其上滑动，动摩擦系数很小。保持物体( 滑体) 已获得高速度。 滑块( 滑体) 滚珠( 卵砾_ 滞球面) 图2 9 淀珠效应物理模型示意图 滑坡除了上述启程和滑稗中的“加速效应”和“持速效应”外，还一直存存整个滑坡运 动全过程的“减速效应”，它即来自滑坡体内部，也出现在滑坡与滑床或滑经的地面之问。 也有空气阻力的作用。摩阻形式：滚动、滑动、冲撞、粘滞等，影响其太小的因素有： “碎眉体”的组成、结构、固液气三相比例、滑坡运动势态、滑坡体运动速度，以及其所 接触的滑坡体与其滑行的地面性质和形态有关。主导作_ h j 于滑坡的滑距的最后一段j 。 固2 1 0 莓：风滑坡全貌 高速远程滑坡堆积特征为其堆积形态和堆积范围断】。高速远程滑坡的运动过程决定 了它的堆积形式和危害范围，其高速特征使滑体重心迅速降低并发生崩解现象整体性 被破坏滑坡整体呈平铺式，堆积在较大的范围。因其速度、高范围大的特征，高速远 第= 章黄土滑坡分尝及运动机理 程滑坡的远距离滑距如在人口密集地区将具有很强的破坏性。如图2 1 0 ，为东风高速远 程滑坡，其滑坡体散落堆积在宽2 5 2 m 、长4 8 3 m 的较大范围内，堆积厚度平均为1 1 7 m 。 高速远程滑坡堆积范围的预测直接关系到对存在潜在危害性滑坡的灾害评估具有 重要意义，其大小直接影响到此滑坡的危害程度。本文在第四、五章重点对滑坡滑距进 行预测。 2 2 2 滑坡泥流运动机理 滑坡泥流的形成条件、运动方式及机理类似泥石流，不同之处在于滑坡泥流的固体 物质来源于滑坡滑动后产生的人量松散饱和黄土，而泥石流的固体物质来源还包括坡面 侵蚀和崩塌。在分析研究滑坡泥流运动机理可参考很多学者定义的滑坡型泥石流运动机 理。滑坡型泥石流：土( 石) 体沿某一坡面或滑动面形成的泥石流，先发生滑坡，而后直 接迅速发展成泥石流为同一过程发展的两个阶段，是一个坡面土体从弹塑性体( 或粘 弹性体) 的破坏开始然后在一定条件下转化为特定流体形式的运动的全过程。 圈2 儿华县滑坡泥流平面图 这类泥石流分两种，一种为滑塌体堆积到沟底，并由于当时水流强度不足而变成临 时性堆积物，堵塞沟道，待到水流强度增大后，临时堆积体溃决形成泥石流；滑坡泥流 则属于另一类：滑坡体直接滑至沟底，借助滑动中所获得的动能在一定水流强度时继续 沿沟床流动而转变成泥流【酬。滑坡转化为泥流一般发生在沟谷地区，一方面具备汇水镐 地地貌特征，另一方面狭小流通区阻碍水流及时排泄并加剧水流侵蚀作用，使得滑体在 水流充分作用下饱和并形成泥流。 滑坡泥流的形成经历碎屑化过程和造浆过程，滑体规模和滑体内所含细颗粒数量和 长安大学硕上学位论文 水体数量是转化的必要条件2 4 1 。从滑面坡滑塌下来的土块在移动过程中破碎并与水混合 一体从而转化为泥流( 日本，高桥堡【2 5 】) 。在此过程中土体与水体的相互作用是滑坡向 泥流转化的关键环节。 滑坡泥流的堆积特征因其特定的运动方式决定。滑坡泥流下滑后经过碎屑化过程和 造浆过程，滑体呈准流态沿滑坡前的狭窄的沟道运动，在出沟口后将呈扇形扩展后静止 堆积下来。图2 1 1 为华县滑坡泥流的平面图，在沟头处的自然边坡因通过其上部的引水 沟渠底部渗漏严重，水流下渗导致滑体土体逐渐趋于饱和而使滑动面贯穿，在暴雨条件 下滑体失稳下滑，在沟中土体与水相互作用后呈流体状沿沟道向下运动，沟道的方向决 定滑坡体运动的方向，直到出沟道口后开始向两侧移动，掩盖沟道口下及两侧附近的民 房并造成重大人员伤亡，最终以上图的扇形状态堆积下来。而下滑过程中夹带的大量泥 水对滑坡体堆积范围之外的区域仍然造成灾害。如需进行滑坡泥流灾害评价，则在确定 滑坡体下滑堆积范围之内造成的危害之外还需对水流的淹没范围进行评价分析。受灾范 围将沿滑坡堆积区域外移。 对滑坡泥流的堆积范围的确定将在第四、五章中对滑坡泥流的滑距进行分析研究。 2 2 3 错落式滑坡运动机理 当黄土边坡的下滑力大于抗滑力时，滑坡体发生沿滑动带出现向下缓慢滑移的现 象。其特点是滑体位移中垂直位移大于其水平位移，滑速相对缓慢，滑距短，致灾范围 也相对较小，在滑动中滑体整个形态基本保持不变，会在前缘出现较小程度的离散现象 ( 如图2 1 2 ) 。 图2 1 2 错落式滑坡位移示意图 首先引用常用的边坡稳定性分析公式： k = ( w c o s 口t a l l + c 1 ) w s i n c t ( 2 1 ) 式中：w 捐体重量；口一滑面与水平面之间的夹角；矽滑带土内摩擦角；c 一滑带士内聚 力：，一滑面长度。 第一二章黄士滑坡分类及运动机理 上式适合滑面为直线的滑坡稳定性分析，对于圆弧或折线滑坡的稳定性分析可以采 用条分法，用垂直方向的直线将滑体分割成若干块体，每段圆弧即可近似为直线段，可 计算每个块体的下滑力和抗滑力，则所有块体相加的下滑力与抗滑力总和之比即为k 值。 黄土边坡常因暴雨、灌溉等因素使得边破土体的c 、矽值降低或人工开挖等的作用 下使得滑坡重心抬高、滑面变陡，下滑力增大，抗滑力减小。当抗滑力小于下滑力时， k 1 。虽滑坡已稳定但 可能在下次暴雨或者人工开挖等因素发生新的滑动位移。 错落式滑坡的堆积范围较前两类滑坡相比相对简单。因其沿滑动面向下做短距离的 滑移运动，滑坡体整体变形较小，重心略微降低，滑坡运动的速度也不大，危害性相对 较小，但此类滑坡分布较多，所以给社会造成的损失同样不可小视。如图2 1 3 ，错落式 滑坡滑体坡形变化小，沿下滑方向做短距离的运动。 图2 1 3 错落式滑坡堆积形式 错落式滑坡的堆积范围只在滑坡体沿下滑方向的短距离内，一般在几米或者几十米 的范围。基本没有横向的扩展堆积。对于错落式滑坡堆积范围的分析见第四、五章中对 其滑距的预测研究。 1 6 睦安大学顼士学位论女 第三章黄土滑坡参数选取 3 1 参数的收集及室内实验 本文讨论的是黄土滑坡滑距的预测，将其中的高速远程滑坡作为讨论重点，以泾阳 地区的黄土滑坡作为分析案例。对滑坡参数的收集主要是通过野外取样和已有资料的收 集两种途径。野外取样及测量的主要范围为陕西省泾阳县南部的泾河南岸的黄土塬边 取样点位置见图3 1 ，共选取滑坡8 处。洒勒山滑坡符合本文定义的黄土高速远程滑坡， 并将此作为泾阳地区滑坡以外地区的参考滑坡。错落式滑坡测量资料及参数来自于卧虎 山滑坡的勘察资料闭，选用具有代表性的滑坡2 - 2 剖面进行预测模拟。滑坡泥流选用 2 0 0 6 年1 0 月6 日发生在陕西华县大明镇高楼村的华县滑坡，测量资料及参数来自对滑 坡的现场测量及取样，滑坡位置如图图3 , 2 。 抽帐旨r 目。 艄 燃 。糟脚筛塘 图例 口n ”m 一“ 嚣 。棼镇石j 2 “ ”1 飞 自# a o 镕。碥；矗 “喵+ ；酗蠢1 p v 。 瓢。沁q “i 一。 掣。、心m4 、。 图32 华县滑坡泥流取样位置图 第三章黄= l ：荷墟参数驭 本文测试参数采用的室内实验包括：物理常规实验、直接剪切实验和反复剪切实验。 物理常规实验主要是为了获取本文所需要的重度及求得相关滑坡的饱和重度。直接剪切 实验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，用四个不同垂直压力分别作用于四个试样， 然后旌加剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力r 。然后根据库仑定律确定上的抗剪强 度参数：内摩擦角庐和粘聚力c 。测试时，先将试样采用毛管饱和法，选用框架饱和器， 浸水不少于两个昼夜使试样充分饱和后进行氲接剪切实验，测定土体的饱和抗剪强度参 数c 、一值。埘泾阳地区的8 处滑坡和华县滑坡进行了饱和抗剪强度实验，根据文中要 求只选用华县滑坡滑带士的饱和抗剪强度指标。 在高速远程滑坡中高速的原因是在j 一剧滑时滑眯的抗滑阻山出现大幅度f 降即峰 残效应。滑坡在启动u j 为启动强度，当滑坡启动后滑坡为残余强度，因为在整个过程中 从稿动强度变为残余强度足短时问内完成转化的，期问滑体位移很小，相对整个滑坡位 移来讲可以忽略。本文采川饱和反复剪切实验获得滑坡土体的残余抗剪强度。在此熏点 介绍饱和反复剪切实验选用的实验仪器为府变控制式反复虹剪仪如圈33 。试样按常 规试验进行切墩，安装、佩结排水与直剪试验相同。 圈3 3 四联等应变反复剪切仪 本次试验以o0 2 r a m r a i n 的剪切速度进彳排水反复卣接剪切实验。试样每产生剪切 位移0 3 m m ( 即1 5 分钟) 测记测力计及位移读数当剪应力超过峰值后，继续剪切至 位移8 o m m 停止剪切。第一次剪完后，肩动反向开关，将剪切盒退回原位，插入固 定销，反推速率应小于0 6 r a m r a i n 。等待半小时后，重复第一狄剪切步骤进行第二次剪 长安人学硕 ：学位论文 切，如此反复剪切多次，直到最后两次剪切时测力读数接近为止。计算剪应力： f ：塑1 of = u 几 ( 3 1 ) 式中：f 试样所受的剪应力，k p a ；r 颡j 力计读数( o 0 1 m m ) ；4 试样面积，c m 2 ； 1 0 一单位换算系数。 绘制剪应力与剪切位移曲线如图3 4 ( 以蒋刘滑坡滑带土在1 0 0 k p a 下的剪应力与 剪切位移关系曲线为例) 。 3 0 童o r 趣 鼍o o 筇移：鲍l ；四i砭剪切 强三次多切 专 l l 。 _ 第玖翦粝 专 j f - r ，r ， e f l - j 1 0 0 k p a 位移触 图3 4 剪应力与剪切位移关系曲线( 蒋刘滑坡) 图3 4 中最后剪应力的稳定值为残余强度即为1 9 2 k p a 。绘制抗剪强度与垂直压力关 系曲线，如图3 5 。直线的倾角为残余内摩擦角力= 1 1 4 ，直线的纵坐标上的截距为残余 粘聚力c ，为负值应取c ，= o 。依据本文应用离散元程序计算的要求c 值都取零，故此滑 坡的滑带力学参数取值为矽= 1 1 4 、c = o 。 按以上实验过程分别对泾阳地区8 处滑坡的滑带土进行饱和反复直接剪切实验，获 得每个滑坡滑带的残余抗剪强度( 如表3 1 ) 。 1 9 第三章黄_ ：滑坡参数选取 1 2 0 凸一 l 蜊 慧 泳 辐 0 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 蒋刘滑带土垂直压力p k p a 图3 5 抗剪强度与垂直压力关系曲线 3 2 物理指标与强度指标 离散元计算程序计算时需提供滑体的刚度值和强度指标。而国内很多文章在利用离 散元程序对滑坡运动过程的数值模拟计算中，没有详细的介绍刚度值的如何选取，大多 采用类比法直接给出某个值而忽略刚度值如何选取或如何计算而来。本文在所选用的离 散元程序本构模型的基础上，介绍刚度值如何选取及计算。 3 2 1 刚度值的选取【3 0 】 本文所选用的离散元程序软件提供两种本构模型，用户在运行求解器是必须选择其 中的一种。这两种本构模型都属于与速度无关的弹塑性无张力接触模型：认为块体之间 不存在拉力，且当切向力f 。达到某一个值时就会发生塑性剪切滑移。f 。由下式确定： l c l et a n c p + c = ( f s ) 。, ( 3 2 ) 式中，缈摩擦角；e 法向力；( 最) 一一最大切向力。 此模型的力与位移的关系如图3 6 。 2 0 长安大学硕： ：学位论文 晟。t a n0 = 凰 、 ( 乃 芦。 么 o 地 ( d 。 o ( a ) 切向力与切向位移 ( b ) 法向力与法向位移 e - 法向刚度系数；k 一切向刚度系数。 图3 6 力与位移的关系图 k 和e 可近似计算求得a 如图3 7 所示，两块长度和宽度分别为a 和b 的接触块 体，其弹性模量为e ，泊松比为y 。根据弹性力学理论有： 2 k u a = e u b 则法向刚度系数： 毛= ( e a ) ( 2 b ) 切向刚度系数可由法向刚度系数求得： 屯= 屯 2 ( 1 + y ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 图3 7 块体计算接触模型 根据本文离散程序软件计算所要求，块体长度分别为a = 5 和b = 5 ，弹性模量即变形 2 i 第三章黄t 滑坡参数选取 模型取值为e = 6 0 x 1 0 6 k p a 。由式3 4 计算可得法向刚度系数q = 3