滑坡

landslides

  滑坡是全球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,也会损毁河堤、大坝和堤防等人造建筑设施。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位移,其体积从几十立方米到几千万立方米不等。滑坡厚度从几米到几十米不等,表面积可以达到几平方公里。因此,滑坡有极大的不确定性,从导致道路封闭,到完全改变场地地形的滑坡。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。

  本文讨论的滑坡主要指松散或硬化土壤[1]的运动,包括自然土壤、粘土、沙土和所有松散的土壤。这些土壤组成的斜坡可以是自然坡体,也可以是人造坡体,如堆积的挖掘材料、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 一处位于博蒙地区拉萨尔(La Salle en Beaumont)的滑坡
该处滑坡发生于2004年8月1日,沿崩积层红色表面运动,面积约7公顷,厚约10m。滑坡堵塞了RN85公路,摧毁了部分村庄,造成4人死亡。[图片来源: 米尔( Mill)和哈特(Hat),参见注释[2]]

  研究人员比较滑坡前后的地形参数发现,滑坡过程中存在以下几种典型运动。第一种类型的滑坡在位移后,可以识别一个或数个由摩擦力导致的破坏面。滑坡体的几何形状可以近似圆形,由不同的移动体组成,或者最终形成一个平面块。这些滑坡体的上部有裂隙,下部为颗粒状,如发生在博蒙地区拉萨尔(La Salle en Beaumont)(图 2)的滑坡便属于这一类型[2]。 第二种类型的滑坡是泥石流,其中,滑移物质被转化为流体,借助斜坡或山谷的构造实现长距离流动。第一种类型的滑坡也可以转化为这一类型:例如发生在 意大利/坎帕尼亚(Sarong)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]):然后呈现为难以察觉的的缓慢移动(每年几厘米或几十厘米)。确定滑坡类型后,就可以对这些斜坡进行追踪监测,直至其运动演变为破裂。

3. 如何开展滑坡研究?

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意大利佩塔恰托市(Petacciato)滑坡的网格大小-平均坡度为6°
图片来源:弗洛伦特·布鲁尼耶(Florent Prunier)的博士论文,格勒诺布尔国家科学研究院,2008年https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00355769/document]

  边坡稳定性研究或滑坡后的反馈分析包含以下基本步骤。首先,对研究区进行完整地质调查,如几何结构、地层、地质历史等,识别已复活的古滑坡。其次,水文地质研究,主要涉及所研究斜坡的水循环,因为水通常是运动的驱动力(见本文5节)。第三,对边坡材料的水力和力学性能进行表征,尤其是渗透性和剪切强度,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诱因来分析滑坡产生的原因:根据平衡方程中驱动力和阻力的数量,可以很容易地列出这些影响因素。

  在土方工程中,加固斜坡、顶部过载、斜坡回填、边坡底部的开挖材料,都是为了增加驱动力。另一种情况是地震,紧急道路网受到影响时,水平加速度产生的不稳定性足以致损。此外,如果在曾经发生过滑坡但目前表现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。水在斜坡上流动所产生的压力降能传递至地面,也能成为滑坡发生的驱动力。所以,边坡的水文地质分析同样必不可少,水还能通过影响土壤机械阻力发挥作用。

  库仑定律能表示断裂时土壤的力学行为,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,因此可以考虑对总应力(考虑土壤单相)或有效应力(考虑土壤孔隙中的水压)进行分析。改造边坡的几何形状之前,一定要分析其自然稳定性。该分析应包括地质和水力条件。还可能涉及研究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10°到20°,残余内聚力几乎为零。这也解释了只要有水的作用,即使浅层斜坡也可能发生滑坡。

5. 水在滑坡中的作用是什么?

  水在滑坡中作用颇多。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作用时,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(反映边坡的超稳定性)会随着滑坡流接近地表而降低。这也解释了为什么暴雨后会发生山体滑坡,导致滑坡流上升。基于此,水对非饱和土壤力学行为的作用得以增加。不饱和土壤会在土壤颗粒间产生吸力(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,有助于边坡稳定性,但此现象会在土壤饱和时消失,导致滑坡。

  最后,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. 如何以及为什么需要检查边坡?

  对边坡的诊断分析目的各不相同,为达到不同目的应使用相应的检测方法。首先,有必要提供数据,理解和分析滑坡,以便监测和预警可能的处理或加固工作。

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,所有方法都可用于确定滑动表面的 x、y、z 位移(从传统地形到激光雷达( LiDAR) [4]或全球定位系统(GPS)技术……)。测量裂缝间距或地标的裂缝计也用处颇多。这些表面测量可提供滑移表面范围相关信息。在某些情况下,监测位移的演化,尤其是运动的加速度,可以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变化以及移动发生表面的确定,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。倾斜仪是植入滑道的垂直管,用于固定滑道底部,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。进行测量是必要的,首先要测量现场或附近地区的降雨量。为获得边坡的水力特性,可通过水压力计[5]测得流量和孔隙压力数据。

7. 如何加固边坡?

  确定滑坡成因和几何结构后,地质工程师可采取措施加固边坡。鉴于水在滑坡过程中起到主要作用,控制渗透水是重中之重。这包括修建排水沟、排水槽等水利措施以收集雨水,并利用对地面形变不敏感的管道将雨水输送至排水口。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),优化此类工程。

  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,降低润滑作用时会受管道剪切作用影响,结果适得其反,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。

  土钉法防护技术在过去几年得到大力发展。这些钉子(直径32 mm的钢筋)长几米到几十米,按照每1到4 m²一个钉子的网格要求,在其整个长度上用水泥浆密封。它们可在正常应力、剪切或弯曲条件下工作。该构筑的完成需要喷射混凝土罩后排水,并用网格加固。计算该边坡防护的稳定性通常采用常规边坡稳定性软件。

  以前的边坡滑坡中,通常使用大直径桩(直径约1至2米)稳定滑坡。这种体积庞大且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,这些结构的目的不一定是完全固定滑坡,而是要将观测到的滑坡位移速度减缓到一个较低值,恢复边坡的正常使用。

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,这类桩的惯性、弯曲、拉伸和压缩作用更好。它们垂直放置,因此需要更大的钻床平台。对于通常处于稳定边缘的边坡,使用钻孔桩再合适不过。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]即可完成设备安装。

 


参考资料及说明

封面照片:位于法国尚邦市(Chambon)的一处滑坡,图片来源:仅戴维·蒙尼亚奥(David.Monniaux) [经维基共享资源],更多信息见参考资料[7].

[1] 硬化土壤是指抗性土壤或软质、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] 拉动台体:稳定基岩中由拉杆锚固的钢筋混凝土梁

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

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


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 (2024年1月29日), 滑坡, 环境百科全书,咨询于 2024年4月21日 [在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/landslides/.

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