雨水入渗引起的土坡失稳

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  边坡稳定分析是土木工程领域的热门研究课题之一,在土木工程中占据相当重要的地位。多年来,许多学者致力于这方面的工作,边坡稳定分析理论具有了十分丰富的内吝。本文主要针对雨水入渗引起的边土坡失稳做简要分析。
  地球表面的土大多是非饱和土,典型的非饱和土包括失陷性黄土、膨胀土、热带残积土和人工填土。从力学角度来说,非饱和土与饱和土最主要的不同是土中存在负的孔隙水压力。降雨入渗引起的负孔隙水压力的变化是造成许多土坡失稳产生滑坡的原因。
  工程实际中的土坡包括天然土坡和人工土坡。天然土坡是指天然形成的山坡和江河湖海的岸坡;人工土坡则是指人工开挖基坑、基槽、路堑或填筑路堤、土坝形成的边坡。
  土坡失稳的原因一般有以下两类情况:
  (1)外界力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态 。如基坑的开挖、路堤的填筑、土坡顶面上作用外荷载、土体内水的渗流、地震力的作用等也都会破坏土体内原有的应力平衡状态,导致土坡坍塌。
  (2)土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低,促使土坡失稳破坏。如外界气候等自然条件的变化、土坡附近因打桩、爆破或地震力的作用引起土的液化或触变,使土的强度降低。
  降雨入渗诱发的滑坡在世界上分布最广,发生频率最高,危害相当大,引起了各国政府和机构的广泛重视。
  大量统计资料表明,绝大多数的滑坡是发生在降雨期间或降雨之后。1982年1月3日至5日美国加利福尼亚旧金山湾地区34小时内降雨616mm,在10个县内诱发了数千处滑坡、泥石流,造成25人死亡,6千6百万美元直接经济损失。1982年我国四川万县地区普降暴雨,仅在云阳县就发生滑坡2万多处,并形成数百处较大规模的裂缝,造成数万间房屋的毁坏。我国香港地区处于亚热带丘陵地区,暴雨经常诱发灾难性滑坡,1966年6月中旬,香港地区连续普降大雨,发生了数百处滑坡,1972年6月中旬,暴雨强度达到新的记录,24小时降雨强度达560mm,诱发的滑坡致使250多人伤亡,1982年香港地区降雨量再创记錄,达3248mm,总计发生滑坡1500处。1981年雨季宝成铁路宝鸡至广元段共发生滑坡289处,使该路段37个区间断道32次,中断行车两个月,抢建工程费达2.56亿元。
  降雨入渗诱发的滑坡不仅与降雨强度有关,还与降雨历时、地表径流排泄条件、初始地下水位、滑坡岩土体的渗透特性等因素关系密切。在有膨胀土、残积土等特殊土的山区,雨季时常会发生各类大小不一的滑坡。降雨入渗对土坡稳定的影响主要是考虑由于降雨导致渗流场的变化而引起的土体的动水荷载和静水荷载的增大,以及由于土体中基质吸力的变化而引起的土体抗剪参数的降低。水的渗入使土体质量增大,岩土因被软化而抗剪强度降低,并使孔隙水压力升高,基质吸力下降,都容易导致土坡的失稳。因此,建立降雨入渗引发土坡失稳的数学模型,对降雨入渗条件下的非饱和土坡的饱和-非饱和渗流问题进行定量分析,并结合非饱和抗剪强度理论对土坡的稳定性进行分析,对于评估土坡的稳定性、预报滑坡灾害具有重要的理论价值。
  另外,暴雨对土坡稳定的影响也是很大的,暴雨(特大暴雨)高速击打在坡面会产生一个持续的作用力,由于该力作用的范围大,因此暴雨也是一个不容忽视的促滑因素。暴雨强度越大,持续时间越长,这种效应越明显。关于这一点,可以用久雨和暴雨时期滑坡发生的数量来说明。虽然久雨也能促进坡体滑动,甚至在某些方面比暴雨更大,但是在暴雨特别是特大暴雨时期发生的滑坡和坍塌要比久雨情况下多的多,尽管暴雨与久雨对滑坡的影响的区别不仅仅在此,但暴雨对坡体表面的击打力对坡体的稳定性的影响是不容质疑的。暴雨时,洪水或泥石流从坡脚经过,浸蚀坡体,改变坡体的结构,促进坡体滑动。
  暴雨对土坡稳定性的影响是从多方面进行的,主要有裂隙水压力、容重、基质吸力和表面击打力。土坡中起主导作用的主要是基质吸力和容重变化,但是一些特殊坡体,坡脚的浸蚀、裂隙水压力或者承压力可能成为坡体滑动的关键因素。
  从暴雨对坡体稳定性影响的分析可知,要防止坡体在暴雨情况下滑动,需要从阻止坡体在暴雨时裂隙水压力增加、容重增加、基质吸力减小、产生击打力等方面入手。因此,可以采取如下措施制止或减小暴雨的促滑作用。
  (1)填平后缘裂隙,防止裂隙中集水产生水压力。
  (2)在坡面及周围适当地区加不透水覆盖层,阻止雨水的渗入。
  (3)加固易受浸蚀的坡脚,防止坡体结构的改变。
  由此看来,很多地区的斜坡失稳与降雨入渗有密切的关系,降雨会引起土体吸力锐减,地下水位上升,或出现暂时性地下水。然而由于土的入渗能力、土体的初始饱和度、降雨强度、降雨持时曲线、暴雨前降雨量、间歇性降雨以及坡面防渗情况等诸多因素的影响,斜坡强度受降雨影响的范围和时间差异巨大,难以找到一个统一的相关性规律。较为可行的办法是针对具体的边坡、具体的降雨过程用数值的方法分析其渗流场随时间变化的规律。饱和-非饱和的数值分析已较成熟地运用在堤坝问题上.然而用在边坡上还有一些困难,如边坡不像堤坝那样规则的边界,而地下水从补给到排泄的区域很大,计算不可能取全部区域,只能截取感兴趣的部分来计算,因此存在未知的饱和-非饱和边界,需要进行合理的假设和处理。
  本文并不能从岩土力学专业的角度定量分析土坡失稳的原因,只能提供一点边坡失稳方面浅显的认识,尤其是雨水入渗引起的边坡失稳,目的只是希望能引起大家对坡体失稳分析以及环境土工方向的兴趣。
  几十年来,经过人们的不断努力,土坡稳定理论得到了丰富和发展,目前在实际工程中应用得比较成熟。随着工程的建设发展和人居条件的提高,环境土工中的坡体稳定问题越来越多。由于环境土工学科刚刚起步,城市废物填土的性质又非常复杂,使得在城市废物堆填坡体稳定分析方面的研究工作基本处于空白状态,因此,在相当长的一段时间内,环境土工中的坡体稳定问题将成为我国乃至世界上土坡稳定研究领域的热点课题。
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