滑坡

landslides

  滑坡是全球范围内最普遍的自然灾害之一,每年都造成巨大的人员伤亡和财产损失。滑坡不仅影响自然边坡,也会对如河堤、大坝和堤防等人造建筑设施造成损毁。本文讨论了滑坡的类型、成因、水的作用和稳定方法。

1. 滑坡

环境百科全书-滑坡-位于法国尚邦市(Chambon)的一处滑坡
图1 位于法国尚邦市(Chambon)的一处滑坡
[图片来源: SAGE, https://www.sage-ingenierie.com/glissement-de-terrain-du-chambon/]

  滑坡是大量土壤在重力作用下发生的位移,其体积从几十立方米到几千万立方米不等。滑坡的厚度可以从几米到几十米不等,其表面积可以达到几平方公里。因此,滑坡的可变性是极大的,包括从导致道路封闭的滑坡,到导致场地地形完全改变的滑坡。滑坡既可能发生在地表,也可能发生在水下。甚至火星上也存在滑坡的痕迹。

  我们在此文中讨论的滑坡主要指的是松散或硬化土壤[1]的运动,包括自然土壤、粘土、沙土和所有松散的土壤。由这些土壤组成的斜坡可以是自然坡体,也可以是人造坡体,如挖掘材料堆积、路堤、堤坝或水坝。

2. 滑坡有哪些运动类型?

环境百科全书-滑坡-一处位于La Salle en Beaumont的滑坡
图2 一处位于La Salle en Beaumont的滑坡
该处滑坡发生于2004年8月1日,沿崩积层红色表面发生,面积约7公顷,厚约10m。滑坡堵塞了RN85公路,部分摧毁了村庄,造成4人死亡。[图片来源: Mill & Hat,参见注释[2]]

  研究人员通过比较滑坡前后的地形参数,发现在滑坡发生过程中存在以下几种典型的运动。第一种类型涉及在位移后,可以识别一个或数个由摩擦力导致的破坏面的滑坡。滑坡体的几何形状可以是由不同的移动体组成的近似圆形,或者或者最终是一个平面块这些滑坡体的上部有裂隙,下部为颗粒状,如发生在 La Salle an Beaumont(图 2)的滑坡便属于这种类型[2]。 第二种类型的滑坡是泥石流,在这种类型的泥石流中,滑移物质被转化为流体,借助于斜坡或山谷的构造进行长距离流动。第一种类型的滑坡也可以转化为这一类型:例如发生在 Sarong(意大利/坎帕尼亚)的滑坡。最后,斜坡可能具有蠕动或泥流行为(浸水土壤表层的缓慢移动[3]):然后呈现相当浅的缓慢移动(每年几厘米或几十厘米)。当确定了滑坡的类型以后,就可以对这些斜坡进行追踪监测,直到它们的运动演变为破裂。

3. 如何开展对滑坡的研究?

环境百科全书-滑坡-用数值有限单元法研究Petacciato(意大利)滑坡的网格大小
图3 用数值有限单元法研究Petacciato(意大利)滑坡的网格大小-平均坡度为6°
图片来源: Florent Prunier博士论文,格勒诺布尔国家科学研究院,2008年https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00355769/document]

  边坡稳定性的研究或滑坡后的反馈分析包含以下几个基本步骤。首先,对研究区进行几何结构、地层以及地质历史等完整的地质调查,,包括对已复活的古滑坡的识别。其次,是水文地质方面的研究,主要涉及所研究斜坡上的水循环,这是由于水通常是运动背后的驱动力(见第本文5节)。第三,是对边坡材料的水力和力学性能进行表征,尤其是它们的渗透性和剪切强度,通常以扭矩(内聚力和内摩擦角)为特征。基于以上研究获取的信息和知识,可以建立边坡的力学模型和各种数值模型(由特定软件支持),通过比较驱动力(重量、水流力、地震)和阻力(内聚力、摩擦力、加固…),确定边坡的稳定性/不稳定性。

4. 如何理解滑坡?

  科学家们通过寻找不同的触发因素来分析滑坡发生的原因:这些影响因素可以很容易地从平衡方程中存在的数量中列出,包括驱动力和阻力两方面。

  在土方工程中,加固斜坡、顶部过载、斜坡回填、边坡底部开挖材料,都是驱动力增加的例子。另一种情况是地震,当紧急道路网受到影响时,水平加速度会产生足以致损的不稳定性。此外,如果在曾经发生过滑坡但当前稳定的地点进行小规模的土方工程,也可能导致重大山体滑坡。水在斜坡上的流动过程中的所产生的压力降能够传递到地面,也是一种滑坡发生的驱动力。所以,边坡的水文地质分析同样是必不可少的,水也通过其对土壤机械阻力的影响发挥作用。

  断裂时土壤的力学行为可以由库仑定律表示,剪切强度包括与法向应力成比例的内聚力和摩擦力。由于土壤是两相或三相物质,存在间隙压力,因此可以考虑在总应力(考虑土壤单相)或有效应力(考虑土壤孔隙中的水压)中进行分析。在对边坡的几何形状进行改造之前,对其自然稳定性进行分析是必不可少的。该分析应包括地质和水力条件。它还可能涉及研究可能被重新激活的古化石滑坡:事实上,在古滑坡上,先前大位移产生的残余摩擦角可能只有20°到10°,残余内聚力几乎为零。这解释了在水作用下,即使浅层斜坡上也会发生滑坡。

5. 水在滑坡扮演了什么角色?

  水在滑坡中具有多种作用。流入的水可以是来自上游的雨水或地下水。雨水不仅会导致地表侵蚀,还会渗入地下水。

  下面这个例子有助于理解水的作用。只要坡度角小于摩擦角F,完全干燥的砂质材料中的斜坡是稳定的。在相同条件下,同样的全淹水无水流边坡是稳定的。当边坡受到自由面与地形面重合的水流时,极限平衡角约为F的一半。对于平行于边坡的滑坡流,安全系数(反映边坡的过度稳定性)随着滑坡流接近地表而降低。这便解释了暴雨后发生的滑坡导致滑坡流上升的原因。基于此,增加了水对非饱和土壤力学行为的作用。不饱和土壤会在土壤颗粒之间产生吸力(参见沙堡及其垂直“墙”效应!)这种现象可以解释为毛细内聚力,对边坡的稳定性非常有利,但此现象在土壤饱和时会消失,导致滑坡。

  最后,当粘土在滑动面上受到剪切时,其含水量会增加,从而降低其抗剪强度。

6. 如何及为什么检查边坡?

  对边坡的诊断分析具有不同的目的,为了达到相应的目的应该使用不同的检测方法。首先,有必要提供理解和分析滑坡所需的数据,以便对可能的处理或加固工作进行监测和预警。

环境百科全书-滑坡-断裂演化过程中的位移
图4. 断裂演化过程中的位移
(rupture:断裂;crises:危险阶段)[图片来源: SAGE]

  边坡的非侵入性表面测量基于地形地标,所有方法都可以用于确定滑动表面的 x、y、z 位移(从传统地形到 LiDAR [4] 或 GPS 技术……)。测量裂缝间距或地标的裂变计也很有用。这些表面测量提供了关于滑移表面范围的信息。监测位移的演化,尤其是运动的加速度,可以在某些情况下成功预测断裂的发生。

  另一个要测量的重要参数是深度位移的演变情况以及确定移动发生的表面,基于此可以计算滑坡体的体积,并对滑坡过程进行追溯分析。倾斜仪是一种植入滑道的垂直管,固定滑道的底部,可以测量滑坡体随时间的形变。

  前文已经强调了水在滑坡中的重要作用。一些测量是必要的,首先要测量的是现场或附近地区的降雨量。为了获得边坡的水力特性,流量和孔隙压力的数据可以通过水压力计[5]获得。

7. 如何加固边坡?

  确定了滑坡的成因和几何结构后,地质工程师可以采取措施对边坡进行加固。鉴于水在滑坡过程中起到了主要作用,控制渗透水是需要首先采取的行动。这包括修建排水沟、排水槽等水利措施以收集雨水,并通过对地面形变不敏感的管道将其输送至排水口。排水设施(包括底部铺砌防渗漏底板、垂直于水平线的支沟、树枝状排水沟等)通过降低孔隙压力和增加剪切强度来提高边坡稳定性。此外,可以使用加筋饰面加固路堤(通过土工布,加筋土、土工格栅等)来优化此类工程的使用。

  带排水管的钻孔长度通常超过 100 米,可拦截地层界面处的深水供应或水流。这些排水管通常直径较小,容易堵塞。此外,在滑坡区域,降低润滑作用的过程中会受到管道剪切作用的影响,反而会产生适得其反的效果,即向剪切区域供水。因此,排水沟可以在滑坡体下方坑道,或通过对竖井近水平辐射钻孔形成。

  土钉法是一种在过去几年中得到大力发展的防护技术。这些钉子(直径32 mm的钢筋)有几米到几十米长,根据每1到4 m²一个钉子的网格,在其整个长度上用水泥浆密封。它们可以在正常应力、剪切或弯曲条件下工作。在喷射混凝土罩后进行排水,并用网格加固即可完成该构筑。这种边坡防护的稳定性计算通常采用常规边坡稳定性软件完成。

  在以前的边坡滑坡中,通常使用大直径桩(直径约1至2米)来稳定滑坡。这种体积庞大而造价昂贵的技术常用于保护道路、高速公路或铁路结构。然而,这些结构并非能够完全将滑坡固定,而是将观察到的滑坡位移速度减缓到一个较低的值,使得能够恢复边坡的正常利用状态。

环境百科全书-滑坡-利用桩群加固滑坡的原理
图5. 利用桩群加固滑坡的原理
(silt:泥沙;argile raide:硬质黏土;graviers:碎石层)

  这些桩由钢筋混凝土或金属制成。与传统的土钉技术相比,这类桩具有具有更高的惯性和弯曲、拉伸和压缩作用。它们被垂直放置,因此需要更大的钻床进入平台。在通常处于稳定边缘的边坡中,使用钻孔桩是一个具有普适性的解决方案。这些稳定桩安装在待保护边坡的下方和/或上方的一条或多条线路上。拉动台体[6]可以完成设备安装。

 


参考资料及说明

封面照片:Chambon山体滑坡By David.Monniaux (Own work) [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons],更多信息见参考资料[7].

[1] 硬化土壤是指抗性土壤或软质或蚀变的岩石,例如泥灰岩

[2] Mill, C., Hat C., Le glissement de la Salle en Beaumont. http://www.risknat.org/projets/riskydrogeo/docs/guide_pratique/Acivite1_Ateliers/Presentations%20Atelier2/A2P3-La%20Salle-%20Chapeau%20CETE.pdf

[3] Guilloux A. et al. Note on the definition of “Indurated Soils Soft Rocks SIRT” Revue française de Géotechnique, n°111, 2nd quarter 2005 pp 59-67

http://www.geotech-fr.org/sites/default/files/rfg/article/111-5.pdf

[4] LiDAR(光探测和测距,即激光雷达。通过发射反射激光束进行地形测量,可以获得三维数字地形模型)

[5] 压力计:用于测量土体内部深处水压的装置

[6] 在稳定基岩中的由拉杆锚固钢筋混凝土梁

[7] Dubois L. Le glissement du Chambon: evolution and crisis management

https://jngg2016.sciencesconf.org/browse/session?sessionid=21782


译者:崔屹峰          编审:崔岩山          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: FLAVIGNY Etienne (2021), 滑坡, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/landslides/.

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