边坡形状对崩塌的影响

边坡形状对崩塌的影响边坡形状对崩塌的影响 作者 中国水利水电科学研究院 徐永年匡尚富李文武王 力 阅读 1098 次 上传时间 2004 10 31 推荐人 yiming 已传论文 1137 套 简介 简介 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 关键字 关键字 边坡形状 崩塌 孔隙水压力 土体移动量 相关站中站 相关站中站 边坡工程 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 10 104m3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 36 45 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 10 30 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 30 50 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 30 50 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 30 40 而岩质边坡崩塌时坡度为 30 50 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 10 20 607 4 滑坡 21 30 53265 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 10 20m 的边坡发生崩塌的概率最大 占总数的 32 9 其次是 20 30m 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 3 301017 5 401119 3 502340 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 横 向 基 本 形 状 平面凹形凸面 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 纵 向 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 2 mm 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 30 40 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 三种坡度和六种坡形 因有一种重合 试验进行了 8 组 其 它条件如表 5 所示 图 8 人工降雨模拟试验水槽图 9 试验用沙的级配曲线图 试验过程中测量了孔隙水压力 土体移动量随累积雨量的变化规律 孔隙水压计探头 设置在变坡槽中心线 末端以上 1 5m 处 距槽底 5cm 的地方 位移计设置在变坡槽中心 线 末端以上 4 0m 处 距槽底 40cm 的地方 如图 10 图 11 所示 表 5 试验条件汇总表 试验坡面纵向纵向横向横向坡度干密度 粘粒含 量 雨强 组次形状形状曲率形状曲率 g cm3 mm h No 1 平行平面 R 平面 R 301 55440 No 2 平行平面 R 平面 R 351 65860 No 3 平行平面 R 平面 R 401 751280 No 4 下降凸面 15m 平面 R 301 651260 No 5 上升凹面 15m 平面 R 351 65480 No 6 溪沟平面 R 凹面 2m351 751240 No 7 脊梁平面 R 凸面 2m351 55880 No 8 集水凹面 5m 凹面 5m351 551260 图 10 各组试验的孔隙水压力随累积雨 量变化 图 11 各组试验的土体位移量随累积雨 量变化 7 1 边坡崩塌的部位边坡崩塌的部位 各种坡面形态对崩塌的发生有一定关系 特别是边坡崩塌的部位不同 上升型坡面崩 塌位于上半部 下降型坡面崩塌位于下部 溪沟型坡面崩塌位于上半部两侧 脊梁型坡面 崩塌位于下部两侧 6 7 2 边坡崩塌的形式边坡崩塌的形式 下降型坡面的崩塌过程首先在底部开始 然后渐渐向上方发展 从崩塌后的形态分析 可以认为是台阶形崩塌 脊梁型坡面中间较高 具有散水的作用 两侧首先局部崩塌 然 后中间再崩塌 可称为八字形崩塌 溪沟型坡面由于中间低 具有集水的作用 中间先局 部崩塌 然后两侧再崩塌 可称树枝形崩塌 而集水型坡面由于四周高 中间低 水流向 中间聚集 崩塌形态类似勺状 上升型坡面由于上部的坡度大于下部 崩塌从上部开始 崩塌后的形态有点象马蹄的形状 平面型坡面由于表面平整 崩塌后的形态接近平面形状 如图 12 所示 图 12 边坡崩塌形式 7 3 边坡崩塌的速度及崩塌量边坡崩塌的速度及崩塌量 边坡崩塌的时机不但与构成边坡土体的物质密切相关 而且与累积雨量有关 雨水入 渗后土体内产生孔隙水压力 当孔隙水压力达成一极限时土体失去平衡而破坏 崩塌的规 模是由于崩塌层的厚度及位置的不同而变化 但崩塌规模直接影响治理方案 试验中利用 摄像机观测雨水下渗状况 崩塌过程以及崩塌位置 各组试验崩塌的时机和规模如表 6 所 示 表中峰值孔隙水压力是设置在变坡槽中心线 末端以上 1 5m 距槽底 5cm 处的探头的 最大值 崩塌时间按设置在变坡槽中心线 末端以上 4 0m 距槽底 40cm 处的位移计计算 崩塌规模按试验结束时崩塌范围和平均深度估算 崩塌类型按崩塌体积大小分类 小于 1 0m3为局部崩塌 小于 3 0m3为表层崩塌 大于 3 0 m3 3 为整体崩塌 表 6 边坡崩塌时机及规模统计表 峰值水压力崩塌时机崩塌规模 雨量水位渗速雨量速度范围宽度深度体积 试验 组次 mm cm cm s mm cm min m m m m3 崩塌类 型 No 1 256 421 4 2 5 1 0 3 1 5 3 0 2 00 20 6 局部崩 塌 No 2 230 015 7 4 3 1 0 3 225 037 8 0 0 4 0 2 00 43 2 整体崩 塌 No 3 207 032 5 0 0 5 0 1 00 31 5 表层崩 塌 No 4 320 0 28 9 2 7 1 0 3 342 038 8 0 0 4 0 2 00 54 0 整体崩 塌 No 5 387 029 0 6 3 1 0 3 389 335 0 0 0 4 0 2 00 21 6 表层崩 塌 No 6 319 714 5 2 9 1 0 3 206 033 0 0 0 4 5 2 00 32 7 表层崩 塌 No 7 500 028 2 1 0 1 0 2 468 012 2 0 0 6 0 2 00 67 2 整体崩 塌 No 8 530 028 6 1 1 1 0 2 536 09 8 2 5 6 0 2 00 10 7 局部崩 塌 8 结语 从崩塌模拟试验结果和现场观测资料分析可知 1 No 1 坡度为 30 的试验过程中只有局部崩塌 而 No 2 坡度为 35 产生了整体崩塌 这说明了坡度越大越容易产生崩塌 而 No 3 坡度虽为 40 由于干密度和粘土含量都大 雨水不易入渗 尽管没有产生孔隙水压力 由于坡度较陡 还是产生了表层崩塌 2 各种坡面形态对崩塌影响的试验结果表明 对于相同大小 相等曲率半径 平面型 除外 相同土质条件的不同边坡 其危险性是 No 4 的下降型 No 5 的上升型 No 2 的 平面型 No 8 的集水型 No 6 的溪沟型与 No 7 的脊梁型相差不大 3 边坡崩塌大多都是由于土体内孔隙水压力