边坡工程第1章-边坡工程与地质灾害(冶金出版社)

,边坡工程,SlopeEngineering,第一章边坡工程与地质灾害,边坡工程配套PPT冶金工业出版社,吴顺川北京科技大学2017.10,特别感谢本教材及PPT中引用文献及图片的作者！,本章主要介绍边坡工程的基础知识与概念，详细讲述边坡与滑坡的概念与分类、边坡变形破坏的演化过程与类别特征，总结近年来国内外发生的典型边坡地质灾害以及我国目前边坡灾害概况与防治现状。,了解并掌握边坡工程的基础知识与概念，熟悉边坡变形破坏的演化过程及类别特征，理解并掌握边坡与滑坡的概念与分类。,目录,CONTENTS,我国边坡灾害概况,我国边坡灾害防治现状,1.1,基本概念,1.1.1边坡概念与分类,1.1.2滑坡概念与分类,1.1.3边坡工程分级,倾斜的地面称为斜坡或边坡，典型的边坡如左图所示。边坡坡面与坡顶面相交的部位称为坡肩；与坡底面相交的部位称为坡趾或坡脚；边坡坡面与水平面的夹角称为坡面角或坡倾角；坡肩与坡趾间的高差为坡高。边坡按成因可分为两类，即天然边坡和人工边坡。,天然的山坡和谷坡为天然(自然)边坡，此类边坡是在地壳隆起或下陷过程中逐渐形成的，此类运动当前可能仍在持续。然而，只要边坡位于侵蚀基准面以上，不论成因如何，其即处于被剥蚀和夷平的环境之中，开始了风化、解体以至滑塌的过程，较大规模的破坏就是滑坡。因工程建设开挖或填筑而形成的边坡为人工边坡，开挖形成的边坡称为挖方边坡，填方形成的边坡称为填方(构筑)边坡，水利行业也常称为坝坡。此类边坡的几何参数可人为控制。边坡按介质组成可分为土质边坡和岩质边坡两类。土质边坡稳定性取决于土体强度，岩质边坡稳定性则主要取决于结构面的空间分布及其强度。因岩、土体结构及其力学行为差异很大，边坡破坏模式有显著区别，其变形破坏特征及灾害实例后文将分别进行叙述。,在重力及其它因素作用下，边坡岩土体沿下坡方向滑动的现象以及由其引发的地貌特征改变统称为滑坡，左图为一类典型的滑坡(2005年美国加利福尼亚拉龚吉达滑坡)。根据边坡失稳机理及边坡属性、特点，可将滑坡分为不同的类型，本章仅作简要介绍，详见后续章节。除“滑坡”外，还有很多诸如边坡失稳等其它可表述相同概念的名词或术语，但“滑坡”使用最为广泛，可适用于各种类型和规模的边坡失稳滑动。,左图为典型滑坡的基本构成要素，主要包括滑坡体、滑动面、滑坡床、滑坡后壁、滑坡侧壁、滑坡台地、滑坡台坎、滑坡剪出口、滑坡脚、滑坡趾、横向裂缝、纵向裂缝、放射性裂缝等。,简单平面剪切滑动,三维楔体滑动,上部滑块驱动,存在两个滑面,阶梯式滑动,带张裂缝的剪切滑动,平面剪切滑动,弧形滑面,旋转剪切,旋转剪切滑动的滑面通常呈弧形，岩土体沿此弧形滑面滑移。在均质岩土体介质中，易产生近圆弧形滑面，当岩土非常软弱(土质边坡)或岩体节理十分发育甚至已破碎(废石堆)时，破坏也常常表现为圆弧状滑动。但在非均质边坡中，因受层面、节理裂隙的影响，滑面很少为圆弧状。边坡的失稳滑动过程有长有短，有快有慢，但一般均可分为三个阶段。初期是蠕动变形阶段，此阶段坡面和坡顶出现张裂缝并逐渐加长和加宽，滑坡前缘有时出现挤出现象，地下水位发生变化，有时会发出响声；第二阶段是滑动破坏阶段，滑坡后缘迅速下陷，岩土体以较大的速度向下滑动，该阶段往往造成巨大危害；最后是逐渐稳定阶段，疏松的滑体逐渐压密，滑体上的草木逐渐生长，渗出的地下水由浊变清等。,针对不同类型的边坡工程，应根据工程规模及其重要性进行具体划分。通常边坡级别确定应考虑以下因素：对建筑物安全和正常运营的影响程度；对人身和财产安全的影响程度；边坡失事后的损失大小；边坡规模大小；边坡所处位置；边坡服务年限；社会和环境因素等。目前，不同边坡工程规范因考虑和侧重评价的因素有所差异，故边坡工程级别的划分方法不尽相同。建筑边坡工程通常根据其损坏后可能造成的破坏后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会不良影响)的严重性、边坡类型和坡高等因素进行边坡级别划分。建筑边坡工程技术规范(GB50330)将建筑边坡工程划分为三级，参照右表所示。,建筑边坡工程安全等级(GB50330),1.2,边坡变形与破坏,1.2.1边坡变形破坏的形成演化阶段,1.2.2边坡破坏形式及分类,边坡形成过程中，由于应力状态的变化，边坡岩土体产生不同方式、不同规模和不同程度的变形，并在一定条件下发展为破坏。边坡破坏系指边坡岩土体中已经形成贯通性破坏面时的变形。而在贯通性破坏面形成之前，边坡岩土体的变形与局部破裂，称为边坡变形。边坡中已有明显变形破裂迹象的岩土体，或已查明处于进展性变形的岩土体，称为变形体。被贯通性破坏面分割的边坡岩土体，可以多种运动方式失稳破坏，如滑落、崩落等。破坏后的滑落体(滑坡)或崩落体等被不同程度地解体，但在特定的自身或环境条件下，还可继续运动，演化或转化为其它运动方式，称为破坏后的继续运动。边坡变形、破坏和破坏后的继续运动，分别代表了边坡变形破坏的3个不同演化阶段。,边坡破坏(失稳)基本类型,边坡岩体结构类型与变形破坏方式对照表,1.3,边坡地质灾害类型与实例,1.3.1土质边坡中的常见滑坡,1.3.2岩质边坡中的常见滑坡,(1)天然边坡,1983年3月17日17时45分发生于甘肃东部黄土高原洒勒山的滑坡是一个典型实例，如图所示。滑带由临夏组黑灰色黏土岩演变的厚520cm的夹层组成，矿物成分以蒙脱石为主。滑坡在无明显触发因素的情况下于1979年9月起动，当时在北坡发现宽约10cm的东西向裂缝，自1982年10月至12月开始进入挤压滑移阶段，最终于1983年3月进入剧变和滑动阶段。滑坡体积约5000m3，摧毁4个村庄，造成227人死亡。,洒勒山滑坡,2005年5月9日23时许，山西省吉县吉昌镇桥南村水洞沟发生特大山体滑坡，坍塌的黄土将通往乡宁县的209国道阻断，大量黄土瞬间从陡峭的边坡上滑落，依山而建的数排窑洞共11户农家约24人被埋在数十米厚的黄土下，如图17所示。此次滑坡滑体长度250m，高度80m，土方量约65万m3，属严重自然地质灾害。,山西吉县山体滑坡,(2)人工边坡(挖方边坡),2002年7月25日，陕西延安吴旗宗湾子村发生黄土滑塌，滑塌体高约20m，宽15m，平均厚约2m，体积约600m3，砸毁窑洞3孔，造成17人死亡。由于人工开挖坡脚，盲目削坡，此处形成高约25m、坡度约80的高切坡，加之2002年7月2425日的连续降雨，坡顶边缘排水渠集水及降水入渗，最终诱发边坡滑塌，如图所示。,铁路、公路边坡由于大部分为明挖，滑坡通常是路堑开挖的重要制约因素，上图为1992年宝成铁路K190段滑坡，属较为典型的一处由工程开挖导致的滑坡灾害。,陕西延安吴旗宗湾子村黄土滑坡,宝成铁路K190段滑坡,(2)人工边坡(填方边坡),在饱和软黏土上修建堤坝，当施工速率较高时，经常会发生滑坡。左图为2001年长江大堤江西马湖段软弱地基上发生的一处滑坡。饱和黏土通常压缩性大而渗透系数小，填土增加的地基应力要完全转化为有效应力，必须将地基中的水充分挤出，如果施工速率过快，则孔隙水压力无法及时消散，土体无法在上部荷载作用下快速固结，因而诱发滑坡。为了保证在软基上修筑堤坝的稳定性，常需要采取一定的工程措施，例如通过砂井、塑料排水板或真空预压等技术，加速水压力消散。,长江大堤江西马湖滑坡,(3)地质环境边坡(古滑坡体和堆积体边坡),四川省甘孜藏族自治州丹巴县县城座落于大金河右岸的狭窄河谷地带，高程1864m，城区规划面积为2.5km2，城区人口约1.1万人。2002年8月，丹巴县城后侧高200m、平均坡度32的高陡斜坡出现变形；2004年10月，变形明显加剧；2005年13月，出现4次变形加速期，整体下滑迹象日趋明显。2月3日位移量由原来6mm增大到8mm；2月22日，日均位移速率增至1733mm；3月8日，主滑面日位移量达到18mm；3月14日，斜坡变形再次加速并发生局部崩滑，前缘外推和鼓胀，多处房屋被摧毁，造成1066万元的经济损失，此时，斜坡累计变形量已达7080cm，最大点接近1m，边界裂缝已基本贯通和圈闭，总体积2.20106m3的丹巴滑坡基本形成。如果该滑坡再次发生远距离整体滑移，将直接危害到10余个企事业单位以及1071间房屋，涉及人口4620人，资产上亿元。如果滑体堵塞大金河河道，后果将不堪设想，如图所示。,四川丹巴滑坡(古滑坡复活),(3)地质环境边坡(特殊土边坡),2015年11月13日22时50分许，浙江省丽水市莲都区雅溪镇里东村发生山体滑坡，如图所示。山体滑坡塌方量30余万m3，导致27户房屋被埋，21户房屋进水，截至2015年11月19日，山体滑坡救援现场找到第39位失联人员。虽然在2015年11月13日晚丽水市莲都区雅溪镇平均降雨量只有68mm，但之前的降水量大，截至13日上午8时，近24小时平均雨量36mm，多处站点超过50mm。加之边坡土体为颗粒粗、土质结构疏松、遇水易崩解的黄土，遇降水后，水极易在垂直方向渗入边坡底部，造成边坡土体失稳破坏。,浙江丽水山体滑坡(黄土滑坡),(4)水环境边坡(暴雨触发滑坡),四川宣汉天台乡特大滑坡是一例典型的由暴雨触发的滑坡。从2004年9月3日开始，四川省宣汉县普降大到暴雨，35日的降雨量分别达到15.9mm、122.6mm和257.0mm，强度之大前所未有。5日15时，天台乡义和村渠江支流前河岸坡上的南樊公路出现开裂，随后路边房屋开始垮塌坠入河中，此后，斜坡前缘一直处于缓滑阶段，变形区范围由前向后逐渐发展扩大，当日23时滑坡体前部的主滑体启动冲入前河，后部滑块紧紧跟进接连开始滑动并逐步发展为天台特大滑坡。此次滑坡灾害摧毁屋舍1736间，1255人无家可归，公路交通中断，通信线路受损。此外，由于滑体前部滑入前河，形成高23m的堆石坝，堵塞河道1.2km，导致前河断流20h。河水形成的堰塞湖库容约6.00107m3，汇水长达20km，水位上涨2023m，上游2个乡镇被淹，造成1万多人无家可归，如图所示。,四川宣汉天台乡特大滑坡,我国的主要江河如长江、黄河、珠江等，普遍存在崩岸问题。如图所示为江西江心洲河岸塌崩现象，崩岸的触发因素是河水的淘刷，但最终以崩塌形式完成河岸回缩过程，河流出现弯道的自然现象也是由江岸不断崩塌、回缩而形成。,江西江心洲河岸崩塌,(4)水环境边坡(暴雨触发滑坡),2004年6月5日13时50分，重庆市万盛区万东镇新华村一山体由于暴雨形成的山洪冲刷，致使山体和南桐矿务局东林煤矿煤矸石渣场拦堤被冲垮，约20万m3土体及矿渣沿坡地向前推移约500m，覆盖山脚14户村民住房，房屋被压塌，造成人员伤亡，如图所示。,2008年9月8日7时58分，山西省襄汾县新塔矿业有限公司新塔矿区尾矿库发生特别重大溃坝事故，如图所示。尾矿库左岸的坝顶下方约10m处，坝坡出现向外拱动现象，伴随几声连续的巨大响声，坝体绝大部分在数十秒内溃塌，事故泄容量达26.8万m3，过泥面积30.2万m2，波及下游500m左右的矿区办公楼、集贸市场和部分民宅，造成277人死亡、4人失踪、33人受伤，直接经济损失达9619.2万元。,重庆万盛山体滑坡,襄汾尾矿库溃坝事故,(4)水环境边坡(暴雨触发滑坡),(1)天然边坡,1991年9月23日18时，云南省昭通市东北方向约30km的盘河乡头寨沟村发生特大山体滑坡。失稳坡体从斜坡中部高程2300m处剪出后，高速滑入头寨沟，并迅速转变为顺沟奔腾而下的土石流，将头寨沟沟谷及沟口的村舍全部掩埋。这一重大滑坡灾害事件共造成216人死亡，毁坏耕地2105m2，直接经济损失约1200万元。,2000年4月9日20时，西藏自治区波密县易贡乡扎木弄沟发生易贡滑坡，约3107m3的岩体从高程5000m的山顶崩滑，落距约1500m后，以强大的冲击力撞击扎木弄沟内沉积百年的碎屑物质，并迅速转化为超高速块石碎屑流，冲击谷口两侧山体。此次崩塌滑坡总垂直落差达3000m，水平最大运距约8500m，最大速度超过44m/s，如图所示。如此超高速、远距离运移的巨大滑体及滑坡后留下的一些独特现象在中国乃至世界都是罕见的。,云南昭通头寨滑坡-土石流堆积,西藏易贡滑坡,(2)工程边坡(地面开挖致滑),地面开挖是最为常见的滑坡诱发因素。2001年5月1日，重庆武隆县城发生大型滑坡，致使一幢9层楼房被摧毁掩埋，79人死亡、7人受伤。滑坡体体积约1.6万m3，岩性为三叠系上统须家河组砂岩，夹泥岩互层，为层状碎裂岩体，形成大小不等的分离块体，最大体积达10m3，如图所示。,1996年12月2日10时，位于贵阳市沙冲路南段西侧一山体突然发生大面积滑坡，如图所示，正在山脚路基上施工的部分工人和几辆行驶车辆，被从山顶下滑的约27000m3岩石埋没，造成38人死亡、16人重伤、110m路基被冲垮的惨痛后果。,重庆武隆县城“5.1”滑坡,贵阳沙冲路滑坡,(2)工程边坡(地下开挖致滑),地下开挖也是诱发岩质边坡滑坡的重要原因，由于地下开挖导致地面沉陷，部分岩体失去支撑，拉裂缝向深部发展，从而诱发滑坡。地下采矿引发了多类严重地质灾害，主要表现形式包括3种：地面沉降塌陷、斜坡变形和水文地质变化，其中，地下煤矿采空引发的地表滑坡灾害在世界各地分布最为广泛，例如加拿大Frank滑坡、斯洛伐克Handlov采区滑坡、英国SouthWales采区滑坡等。中国典型煤矿工程滑坡主要包括重庆武隆鸡冠岭崩塌和鸡尾山滑坡、陕西韩城电厂滑坡等，此外，还包括盐池河磷矿岩崩等其它金属、非金属矿产地下开采诱发的滑坡灾害等。,(3)地质环境边坡(地震诱发滑坡),地震是诱发滑坡的重要因素，我国有关地震引起的滑坡可在4000年前的记载中找到。2008年5月12日14时28分在四川西部龙门山断裂带上发生的里氏8.0级汶川特大地震，是中国内陆近百年来发生在人口密集山区震级最高、破坏性最大的地震。这场强震触发了数以万计的崩塌滑坡，尤其是百余处大型滑坡，一直被国内外地质学家关注。其中，代表性的就是大光包滑坡，其以规模巨大、成因机理独特和运动过程复杂而成为国内外专家研究的焦点和热点。,大光包位于四川绵阳市安县高川乡泉水村西北侧，安县、绵竹、茂县三县交界部位，东距安县县城32km。大光包滑坡由汶川大地震触发，滑动距离4.5km，堆积体宽度2.2km，滑坡-碎屑流面积10km2，估算体积7.5亿m3，上图所示为地震发生后拍摄的大光包滑坡全貌。,大光包滑坡全貌,大光包滑坡局部图,(3)地质环境边坡(古滑坡体诱发),在自然界演变的长期过程中，发生过无数次的滑坡，如果滑坡体没有彻底解体，则形成古滑坡体，古滑坡体可能是堆积物，也可能基本保持了岩体的原始结构。古滑坡体在外部触发因素作用下可能复活，地震、暴雨等自然因素和边坡开挖、水库蓄水等人类活动，均可能成为这样的触发因素。准确地判断和定位古滑坡，是预防古滑坡复活灾害的重要工作，在工程建设中，则需重视工程因素可能诱发的古滑坡复活问题。2010年玉树地震，虽未引发大型灾难性滑坡，但沿玉树断裂带两侧的多处大型古滑坡遗迹和古崩塌地区因该地震被再次触发，在山体上部发生小型崩塌和在下部发育浅层滑坡，如图所示，由于这些古滑坡体大多形成时代较为久远，在植被覆盖下基本与周围山体融为一体，但仍可通过一些典型的滑坡地貌标志被识别出来，其中尤以郭烟央宋多的贡巴秀山体和结古镇的德治龙勤高山体两处比较典型。,青海玉树地震触发古滑坡体复活,(4)水环境边坡(降雨触发滑坡),暴雨是滑坡和泥石流的主要触发因素。2010年8月7日22时左右，甘南藏族自治州舟曲县城东北部山区突降特大暴雨，降雨量达97mm，持续40多分钟，引发三眼峪、罗家峪等四条沟系特大山洪地质灾害，泥石流长约5km，平均宽度300m，平均厚度5m，总体积750万m3，流经区域被夷为平地，如图所示。舟曲县城附近的岩性松软破碎，风化严重，易发生滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害，加之舟曲县为汶川地震的重灾区之一，地震导致舟曲县周边山体松动、岩层破碎，山体稳定性进一步下降，最终，在舟曲经历了相当长一段时间的持续干旱后，7日晚遭遇特大暴雨，形成泥石流，直接造成了此次特大山洪地质灾害的发生。,舟曲特大泥石流航拍图,在水库蓄水引起的滑坡中，三峡库区的千将坪滑坡是典型的灾难性事故案例。2003年7月13日0时20分，位于三峡水库区的湖北省秭归县沙镇溪镇长江南岸支流青干河左岸的千将坪村发生大规模滑坡，如图所示，高149178m，长约300m的滑坡坝将青干河完全切断，如图所示。7月14日，滑坡坝上下游水位差达3m，此后，由于持续降雨，青干河水位不断上涨，坡坝上下游水位落差最终增加到12m，20日17时，对滑坡坝实施爆破后，断流7天的青干河开始通流。此次滑坡造成14人死亡，10人失踪，346间房屋倒塌，毁坏农田71.2104m2，摧毁金属硅厂、页岩砖厂等4家企业和宜昌至巴东的省道，广播、输电、国防光缆等基础设施均受到严重破坏，经济损失惨重。,三峡库区千将坪滑坡,(4)水环境边坡(水库蓄水引起滑坡),(4)水环境边坡(泄洪雨雾导致的滑坡),泄洪雨雾诱发的滑坡是在水利水电工程中常见的一种特殊边坡失稳形式。水电工程枢纽常布置于狭窄河谷，通过溢洪道泄放的洪水强度超过自然界暴雨几百倍，承受泄洪雨雾的边坡可能失稳，属重大潜在危险源。目前已发生规模较大的由泄洪雨雾导致的滑坡，均发生于岩质边坡。龙羊峡水电站(青海共和县境内)在1987年和1989年汛期，曾两次开闸泄洪。1987年第一次泄洪后，受水雾影响，下游右岸虎山坡边坡大范围开裂，1989年泄洪时，7月17日至25日山体发生急剧变形，最终导致87万m3的岩体失稳坠入河床，如图132所示。位于龙羊峡电站下游的李家峡电站下游的“三一”滑坡，也是一例类似的由泄洪雨雾诱发的边坡失稳灾害。,龙羊峡库岸滑坡,1.4,我国边坡灾害及防治现状,1.4.1我国边坡灾害概况,1.4.2我国边坡灾害防治现状,板块构造运动,地形地貌,强震、极端气候条件,我国也是世界上板内构造活动最为活跃的地区，地壳内、外动力条件强烈的交织与转化，促使高陡边坡发生强烈的动力过程，从而促进了大型滑坡灾害的发育。,我国大陆大型滑坡发育最根本的原因是特殊的地形地貌和强烈的内、外动力条件(地震、降雨)，约