水利工程論文-邊坡形狀對崩塌的影響.doc

水利工程論文-邊坡形狀對崩塌的影響摘要：邊坡形狀是影響崩塌的因素之一，通過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)資料分析認(rèn)為坡度、坡高和坡面形態(tài)對邊坡崩塌的影響很大，故利用崩塌模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不同坡度、不同坡面形態(tài)的對比試驗(yàn)，觀測了邊坡內(nèi)部孔隙水壓力隨時(shí)間的變化過程和土體移動(dòng)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對崩塌的形式和部位進(jìn)行了定性描述。從而為進(jìn)一步建立邊坡崩塌預(yù)測模型和確定防災(zāi)對策提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：邊坡形狀崩塌孔隙水壓力土體移動(dòng)量1前言重力侵蝕的形式主要有滑坡、崩塌、瀉溜三種，常成災(zāi)的是滑坡與崩塌。因暴雨引起的崩塌、滑落等山地災(zāi)害非常普通，為了減少山地災(zāi)害必須合理使用坡地，文獻(xiàn)從社會(huì)效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益同步發(fā)展出發(fā)，提出我國山區(qū)土地利用的方向，并按坡度大小劃分為平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡。從定性上講大于25的陡坡應(yīng)限制開發(fā)，大于35的急坡應(yīng)禁止開發(fā)使用。由于人類活動(dòng)的影響，陡坡地常常被開發(fā)利用，所以有必要對邊坡崩塌產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究。當(dāng)然要清楚邊坡崩塌的發(fā)生機(jī)理必須對影響的因素有足夠的認(rèn)識(shí)。影響邊坡崩塌的因素很多，其中最直觀的是邊坡形狀。在其它條件相同情況下坡度越大越危險(xiǎn)，坡高越高越容易產(chǎn)生崩塌。一般侵蝕多半發(fā)生在有一定傾角的山坡，隨著坡度的增加侵蝕加劇，促使邊坡崩塌形成。影響邊坡崩塌的地形因子很多，如坡度、坡長、坡高、坡向、表面形態(tài)等。邊坡地形是邊坡崩塌發(fā)生的最基本條件，表征地形的主要指標(biāo)是坡度和坡高及表面形態(tài)。為此，研究坡形對崩塌產(chǎn)生的影響有助于認(rèn)識(shí)崩塌形成的條件和機(jī)理以及認(rèn)識(shí)過度開發(fā)陡坡地的危害性。2邊坡崩塌的形式圖1半無限邊坡上的崩塌形式自然界形成的邊坡呈現(xiàn)各種形態(tài)，按邊坡上部有無土層可分為半無限邊坡和有限邊坡，半無限邊坡常見的崩塌形式有三種2，第一是受平行基巖面的限制，破壞面為沿基巖的平面，如圖1(a)；第二種是受上下基巖面的限制，破壞面呈現(xiàn)圓弧狀，如圖1(b)；第三種是均質(zhì)邊坡上發(fā)生的圓弧狀破壞，如圖1(c)，當(dāng)然也存在破壞面介于上述崩塌形式之間的復(fù)合破壞面。而有限邊坡常見的破壞形式也有三種2，第一是均質(zhì)邊坡上的平面型崩塌，如圖2(a)；第二種是單斜基巖面上的圓弧狀崩塌，如圖2(b)；第三種是復(fù)合基巖面上的圓弧狀崩塌，如圖2(c)所示。通常崩塌的部位在溝谷或山坡上，如圖3所示2。圖2有限邊坡上的崩塌形式3坡度對邊坡崩塌的影響山地災(zāi)害就是邊坡的失去塑性平衡，產(chǎn)生破壞、位移和堆積，使人類活動(dòng)、土地利用受到影響。據(jù)四川攀西調(diào)查資料3，方量在10104m3以上的滑坡和崩塌有816處，按平均坡度分級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1所示，坡度在3645之間，邊坡發(fā)生破壞的類型多為崩塌性滑坡。表1說明坡度10以下沒有滑坡產(chǎn)生，一般滑坡大多發(fā)生在1030之間，崩塌多數(shù)出現(xiàn)在坡度大于30的邊坡。圖3邊坡崩塌的位置示意圖為了掌握邊坡崩塌現(xiàn)場實(shí)際情況，文獻(xiàn)2對過去30年間的2238處崩塌資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，大約80%的崩塌事例的坡度為3050，其中邊坡坡度在40時(shí)最多。如圖4所示。文獻(xiàn)4根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，多數(shù)崩塌都發(fā)生在坡度3050的陡峻邊坡上，從構(gòu)成邊坡的土壤性質(zhì)分析，一般土質(zhì)邊坡的坡度要緩于巖質(zhì)邊坡，且土質(zhì)邊坡崩塌時(shí)的坡度多數(shù)為3040，而巖質(zhì)邊坡崩塌時(shí)坡度為3050之間。表1邊坡崩塌的坡度坡度()數(shù)量(個(gè))比例(%)類型10沒有0滑坡1020607.4滑坡213053265.2滑坡3022427.4崩塌圖4不同坡度崩塌產(chǎn)生的概率分布4坡高對邊坡崩塌的影響文獻(xiàn)4根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，絕大多數(shù)崩塌發(fā)生在坡高大于20m的邊坡上，坡高越高崩塌的概率越大。表2為鳳州工務(wù)段崩塌次數(shù)與坡高的關(guān)系。日本對坡高對崩塌的影響也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，文獻(xiàn)5的資料表明：坡高為1020m的邊坡發(fā)生崩塌的概率最大，占總數(shù)的32.9%，其次是2030m占15.8%，平均坡高35.5m。如圖5所示。從表2和圖5可知，不同地區(qū)出現(xiàn)崩塌的坡高不一樣，這主要與土質(zhì)狀況有關(guān)，巖質(zhì)邊坡高而陡，土質(zhì)邊坡低而緩。表2崩塌次數(shù)與坡高關(guān)系坡高(m)崩塌(次)比例(%)201119.3301017.5401119.3502340.4圖5不同坡高崩塌產(chǎn)生的概率分布5坡面形態(tài)對邊坡崩塌的影響崩塌塊體的運(yùn)動(dòng)與滑坡有差別，崩塌體從地面開裂向臨空面傾倒到瞬間撕裂脫離母體高速運(yùn)動(dòng)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程表現(xiàn)出自由落體、滾動(dòng)、跳躍、碰撞和推動(dòng)等多種方式并存的復(fù)合過程。運(yùn)動(dòng)中由于跳躍、碰撞使大的巖土塊碎裂、解體成小塊。一般山地坡面的形態(tài)呈凹凸不平的不規(guī)則形狀，但不管怎樣復(fù)雜的地形都可分為平面、凹面、凸面三種最基本情況，由于縱橫斷面凹凸變化以及不同曲率半徑的組合可以形成各種各樣的邊坡。但基本的坡面形態(tài)可分為九種，其中有三種組合在現(xiàn)場出現(xiàn)的概率較小或者沒有。根據(jù)文獻(xiàn)6可將常用的六種坡面分為平面型、上升型、下降型、溪溝型、脊梁型、集水型。日本對坡面形態(tài)觀測的非常細(xì)，分別調(diào)查了縱向斷面和橫向斷面為各種形態(tài)時(shí)出現(xiàn)崩塌的概率。如圖6及表3所示。但需說明的是統(tǒng)計(jì)資料既有自然邊坡也有人工整治后的邊坡，從表3可知，橫斷面形狀為平面型時(shí)出現(xiàn)崩塌的概率有60.1%，大于溪溝型和脊梁型，這是由于統(tǒng)計(jì)資料中人工整治過的平面型邊坡較多的原因，如去除人為因素的話，文獻(xiàn)中也進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從三個(gè)不同區(qū)域比較了橫斷面形態(tài)對邊坡崩塌的影響，其結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：溪溝型出現(xiàn)崩塌概率最高，脊梁型略多于平面型邊坡崩塌的概率。圖6各種形態(tài)時(shí)出現(xiàn)崩塌的概率表3斷面形狀出現(xiàn)崩塌的概率(%)縱斷面橫斷面下降型平面型復(fù)合型上升型平面型溪溝型脊梁型其他36.132.624.37.060.118.117.84.0自然界的坡面形態(tài)多種多樣，根據(jù)文獻(xiàn)7的研究，邊坡縱向形態(tài)上有凸型坡(本文的脊梁型)、凹型坡(本文的溪溝型)和順直坡(本文的平面型)之分，其中，凸型坡較陡峭，利于崩塌的發(fā)育，凹型坡大多是古崩塌的殘留后壁，利于地表水、地下水匯集，易誘發(fā)邊坡崩塌。許多沖溝源頭溝掌地形也屬從緩坡到陡坡(本文的下降型)，由于強(qiáng)烈的溝頭溯源侵蝕作用，使溝掌地極易產(chǎn)生滑動(dòng)，而從陡坡到緩坡(本文的上升型)是河流寬谷段典型的坡面形態(tài)，一般不會(huì)有大量的崩塌發(fā)生。不同形態(tài)的坡面產(chǎn)生崩塌的時(shí)機(jī)和規(guī)模是不一樣的。同樣各種坡面形狀能否產(chǎn)生崩塌的概率也大不一樣。根據(jù)日本國內(nèi)現(xiàn)場資料統(tǒng)計(jì)分析日本國土防災(zāi)技術(shù)株式會(huì)社,斜面崩塌實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書。1996年7月。，基本坡面形態(tài)中有3種坡面出現(xiàn)崩塌的概率很小，如表4所示。表4坡面的基本形狀基狀橫向平面凹形凸面縱向平面IIVVII概率常見常見常見凹形IIVVIII概率常見常見很少見凸面IIIVIIX概率常見很少見幾乎沒有圖7橫斷面形態(tài)對邊坡崩塌的影響從表4中可知，九種坡型中容易出現(xiàn)崩塌的坡面形態(tài)有六種：(I)平面型坡面：坡面和基巖面都為平面且平行。(II)上升型坡面：坡面和基巖面的縱斷面都為凹面，從最低處向上，坡度越來越大。(III)下降型坡面：坡面和基巖面的縱斷面都為凸面，從最高處向下，坡度越來越大。(IV)溪溝型坡面：坡面和基巖面的橫斷面為凹面，這種形態(tài)類似溪溝的形狀。(V)脊梁型坡面：坡面和基巖面的橫斷面為凸面，這種形態(tài)類似山坡的脊梁。(VI)集水型坡面：坡面和基巖面的縱斷面、橫斷面均為凹面，這種形狀形成集水坑。6崩塌模擬實(shí)驗(yàn)為了研究邊坡產(chǎn)生崩塌的可能性，利用變坡試驗(yàn)槽進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。變坡試驗(yàn)槽長6m、寬2m、高1.3m，變坡試驗(yàn)槽上方設(shè)有降雨裝置，最大降雨強(qiáng)度為100mm/h，雨量可以調(diào)節(jié)。人工降雨模擬試驗(yàn)槽如圖8所示。試驗(yàn)用沙是由永定河上2mm以下的天然沙與密云粉粘土(粘土含量約為24%)按一定比例混合而成。按粘土含量4%、8%、12%的比例配制試驗(yàn)用沙，永定河沙、密云粉粘土及粘土含量為8%的試驗(yàn)用沙的顆粒級(jí)配曲線如圖9所示。由于土質(zhì)邊坡最容易崩塌，且出現(xiàn)崩塌時(shí)坡度為3040，在坡面形態(tài)為平面情況下，選取坡度30、35、40進(jìn)行坡度對崩塌的影響的試驗(yàn)。并在坡度為35的情況下進(jìn)行了六種不同坡面形態(tài)的試驗(yàn)。