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降雨条件下的滑坡防治：案例研究与有限元分析
摘要：
目的---本文的目的是为了降低山体滑坡的风险而提出一种新的控制危险边坡的措施。
设计/方案/技术路线---在伊朗北部的Alasht山谷的案例中，为确定可能发生的山体滑坡并制定合理的治理措施，我们搜集了当地的岩土和地质特征资料，并进行了不同的有限元分析。砾石排水桩因在地震荷载下能有效地减小孔隙水压力而被用作一种治理措施。研究结果也清楚地表明了砾石排水桩的影响及其提高安全性能的作用。
结果---由于地下水位情况对稳定性有重要影响，因此目前的研究致力于对伊朗北部的Alasht山谷的不同边坡使用渗流控制系统及该系统对安全系数的影响。我们对容易滑坡的地段做了一些有限元分析，在调查区域内不同边坡的有限元分析结果表明，该地区存在6个容易滑坡区域。设置无纺土工布包围的砾石排水桩能提高抗滑安全系数。因此，为控制强降雨时地下水位的升降而在边坡上部设置砾石排水桩后，静载和地震荷载下的抗滑安全系数都得到显著提高。
创新/价值---文章认为通过控制渗流来降低滑坡风险是有限的。本文通过搜集和分析Alasht山谷的岩土和地质数据为例，表明容易滑坡地区存在着高风险。
关键词：山体滑坡、建模、案例分析、伊朗
论文类型：案例分析
在此，作者对遭受毁灭性地震灾害的人民表示深切同情。
引言
滑坡是指大量的岩石、碎片或泥土从边坡滑落。滑坡通常发生在频繁或长时间降雨的山区，常导致显著的地形变化。它们对人类生活和建筑环境构成了潜在的高风险。因此掌握滑坡特征及其力学性质对土工技术大有裨益，尤其是在评估潜在的缓解策略方面（例如Takahashi，1991，Iverson，1997）。另外，山体滑坡还与地形，地质气候，土地利用，植被等环境因素有关（Chen和Lee，2003）。在像伊朗北部的Alasht等亚热带季风气候带，有山丘或多山地形区，降雨通常是引起山体滑坡的最常见原因。降雨会导致如下结果：
- 当边坡上发生渗流时，边坡自重会增加（渗流现象）；
- 滑面浸泡软化，且在径流渗透到地下并改变地下水条件时，会导致边坡的抗剪强度降低；
- 边坡的干湿变化会导致岩土体破裂，并且会引起节理发育；
- 孔隙水压力的增加会导致处于极限平衡状态的边坡产生滑动。
由于只有在边坡岩土体含水量达到一定阈值的情况下，降雨才有可能引起滑坡，所以应该控制通过岩土体的渗流量（Cornforth，2005）。现普遍认为，降雨引起的滑坡是由于强降雨期间孔隙水压力和渗流力增加引起的（Sitar et al., 1992; Anderson and Sitar, 1995; Wang and Sassa, 2003）。孔隙水压力的增加使土壤中有效应力降低，进而降低了土壤的抗剪强度，最终导致了边坡失稳（Brand, 1981; Brenner et al. 1985）。进一步的研究表明，在一些降雨引起的山体滑坡案例中，沿着滑动面的运动会导致土颗粒破碎，从而引起滑动面的液化，最终导致滑坡速度加快和滑坡距离增加（Sassa, 1996）。因此，高孔隙水压力是滑动面剪切运动的结果（Wang and Sassa, 2003）。本论文的目的是对位于伊朗北部容易发生滑坡的Alasht进行考察。此外，还分析了强降雨期间渗流控制系统对滑坡安全性的影响。
影响滑坡的因素
影响边坡稳定性的因素可以分为两类：
- 地质条件
- 外部诱因
地质条件主要包括岩土结构，岩性，地形，构造结构，水文地质条件和地应力等。即滑坡的基本物质条件和内部原因（Cornforth, 2005）。例如，在湿季，黏土边坡的地下水位一般会上升，并在风暴期间和风暴之后迅速上升（Dai et al., 2002）。此外，以边坡自重、降雨、温度变化、地震、外荷载、边坡开挖和人工爆破等为主的外部诱因，为滑坡提供了外部动力条件。大多数山体滑坡发生在特定地质条件和外部诱因的联合作用下（Jixin et al., 2006）。
研究区域
研究区位于Alasht，是北纬36°4′6Prime;东经52°50′16Prime;的北Alborz和Allah两颠覆性断层之间的一个广泛的盆地。Alasht高地的地势（如图1所示）平缓，其高度可达1500米。此外，由于亚欧板块与阿拉伯之间的挤压，使得Alborz山区的地质运动较活跃。这些山脉位于伊朗北部，且遭受过破坏性地震侵袭。碰撞引起的浅层滑坡或碎石土滑坡极为普遍，并且可能发展成为快速滑坡或潜在破坏性泥石流。浅层滑坡通常为6-7米，常发生在崩积层和更加固结的下卧层的交界处附近（Tubbs, 1975; Miller, 1991; Baum et al., 2000）。由于强降雨和冰雪快速融化引起的冬季降水导致的地下水过量，已经被确定为引发广泛浅层滑坡的主要水文条件（Baum et al., 2000）。Alborz山区降雨诱发的山体滑坡几乎全部发生在冬季雨季。1600至1950年间记录的滑坡，有81％发生在10月1日至3月30日之间。
图 1
研究区域地质条件
该地区位于阿尔卑斯-喜马拉雅山活动带内。许多活动断裂带影响着Alborz，其中大部分走向与坡面平行并且适应了当前的倾角。从古至今，这个地区已经受到过许多次地震侵袭，这也进一步证明了地震灾害评估的重要性（Liotard et al., 2008）。图2显示了伊朗北部及里海南部地区的地质构造。
表I显示了Alasht山体滑坡材料最常见的岩土性质。滑坡材料是由淤泥质黏土或粉质粘土组成，其中还混合着由砂质岩、泥质灰岩和白云岩组成的砾石或块体。钻探核心样本的原位试验和室内试验确定的岩土参数变异范围见表I.
图 2
降雨的影响
目前，该地区的气候可被定义为科本C组，1977-2003年间平均年降水量约为765毫米，且集中在冬季和春季（cf. Figure 3）。
要完成对滑坡下滑的估计，取决于对控制位移的一般因素的充分理解。需要考虑的相关参数包括边坡特征、滑坡机理和碎屑运动模式、滑坡路径和剪切带的残余强度。
有限元建模（FEM）
图4a显示了Alasht区2009年11月强降雨之后发生的推移式滑坡的例子。应该提到的是，在没有地震荷载作用下发生的滑坡是由于地下水位上升至饱和状态引起的超载导致的。此外，图4b显示了该滑坡的二维模型，该模型通过基于有限元方法的Slide 5.0（Rockscience Software Group）软件计算分析。由于滑坡事件通常与诸如地震、大风暴、快速融雪或火山喷发等触发因素有关，因此计算时同时使用了地震荷载和静载。如图5所示，为显示强降雨时地下水位的上升，使用了土工合成材料和土钉墙加固两种不同的渗流路径。必须提到的是，选择加固系统的目的是要达到一个特定的安全系数，因此要考虑两种类型的加固系统（即土钉墙和土工合成材料）。假设道路由土工织物层加固，且只有最下层能够作为排水系统进行水处理。该模型在更好的实现滑坡支护的成本效益的同时提高了边坡安全系数。
表 1
图 3
图 4
图6显示了不同情况下的安全系数，如有无加固措施时的系数，以及有无排水控制系统时的系数。
很明显，通过安装适当的排水控制系统来控制降雨量，能够降低地下水位并防止地表径流的出现。因此，山体滑坡的安全系数将会增加。
讨论总结
在使用与其他滑坡对滑坡敏感程度相同的分析方法的条件下，观测到研究区域内部分边坡的抗滑能力是不安全的。如图7所示，为观察到通过Alasht山谷存在的几个易滑边坡。很明显，其中三个（图8）比较接近Alasht村。表II显示了图7所示的六个边坡的滑坡安全系数。
图 5
图 6
图 7
尽管为了估计滑坡安全系数，建立了两种不同模型的有限元分析方法，以显示在强降雨时控制渗流对项目成本及边坡稳定性的重要性（图5）。据观测，考虑沿着例如排水层这样特定方向的渗流路径，对于滑坡所需的加固量会急剧下降。如图6所示，与无渗流控制系统的滑坡相比，设置渗流控制系统的滑坡安全系数有着显著差异。应该指出的是，对于静载和地震荷载共同作用下且无渗流控制系统的边坡，其安全系数小于1（见表III）。这类边坡在强降雨时仅在自重作用下就会发生滑坡。
图 8
表 2
表 3
图 9
如图9所示，为更多的了解安装砾石排水桩对降雨时减小地下水位的影响，进行了两次不同的分析。考虑地震荷载作用下的水平分量为0.3g，计算所得安全系数是合理的时，即排水桩系统的安全系数为0.966，无排水桩系统时为0.771，二者均为强降雨条件下分析所得。应该提到的是，这种荷载（强降雨和地震荷载水平分量为0.3g同时作用）通常不会同时发生。
结论
山体滑坡多发生在软弱岩石出露和基床混乱的地方。在地层分界明显处，滑床倾角平行于坡面线时极易滑坡（Guzzetti et al., 2008）。有大量的参数会对滑坡产生影响，而此处讨论的是强降雨条件下对山体滑坡的控制。所以，为提高山体抗滑安全系数，应考虑采取适当对策。本次研究通过布设砾石排水桩实现了若干结果，如提高安全系数，减少了建设挡土结构所需加固材料的数量，以及对地震荷载的充分响应。本文还对Alasht进行了一项案例分析，并通过Slide 5.0（Rockscience Software Group）对几个易受滑坡影响的区域进行了建模分析。据观测，在该地区各种局部断层中，存在着几个需要支护的边坡。
具有滑坡倾向的湿陷性黄土边坡稳定性分析
本文通过案例讨论了边坡滑动过程、造成滑坡的原因、用来评估边坡稳定性的方法以及防滑措施。
随着城市和工业用地的发展扩大，对于易滑边坡的开发利用也不断增长。因此，在此类地质条件下，为保证施工或使用中的结构的稳定性问题也随之出现。
有滑坡倾向的地带包括直接发生滑坡的地区，以及未在坡顶和滑坡舌附近发生位移的相邻区段，即沿着坡顶或坡脚的条块。（图1）。这些区域的划分对解决已经处于倾斜地区的结构稳定性发展和防治起着至关重要的作用。
所有计算边坡稳定性的方法都是基于极限平衡理论的，这一理论解决的土的应力状态问题。在计算模型中采用了一系列的相似理论。
然而，尽管有了这些假设，这些方法也只适用于计算简单的评估边坡和路堤稳定性的工程，包括所谓的下滑力。根据G. M. Shakhunyants的建议，后者被理解为从具有滑坡倾向的边坡上部不稳定土体传递到下层土体的主动土压力。
下滑力是在确定最危险滑动面时定义的。假设下滑力在计算深度内呈三角形分布（见图1），其最大值出现在滑面断裂处，即下降段和上升段的交点处。
由于对滑坡机理及滑坡动力学研究的不足，即使在最简单的情况下，也无法预先确定滑动面的精确构造。自然的滑坡现象是及其复杂的，其成机理今还未被完全掌握。
现存的大部分分析边坡稳定性的手段都是计算其稳定性系数。在这些情况下，边坡被垂直划分为一些条块，在精度允许范围内滑面被等效为一个平面，且土体状态、边坡结构、外力影响等因素均被假定位均匀的。
稳定性系数是边坡内部抗滑力或力矩与外部剪切力的比值。当下滑力被认为是剪力时，稳定性系数的有效性会得到提高。必要时，计算下滑力要考虑水动力及地震荷载的作用。计算下滑力时还应考虑抗滑结构的作用。
图 1
已知对处于平衡状态的边坡扰动后的稳定性计算取决于如下因素：
1）主动剪力或其力矩的增加，例如，由于上部A区域的卸荷作用，或边坡自身的结构较陡。
2）土体抗滑力或其力矩的减小，例如斜坡挖方的作用。
3）主动剪力及其力矩增大的同时，抗滑力及其力矩减小。
在大多数情况下，第三个因素是具有滑坡倾向结构物的决定性因素。与地表和地下水压力作用方式相关的因素对路基边坡的影响不大。对于这一点，还应加上由于黏土的蠕变，其强度随时间的推移而减小。
即使在最困难的条件下，也可确保位于具有潜在滑坡可能性的边坡上结构的稳定性。然而，防滑措施往往是复杂、昂贵且难以实施的。因此，在这些部分的施工中，有必要研究以下几个基本问题：
-通过考虑边坡地质构造特征、边坡土体特征、人类工程活动以及扰动生态平衡的后果来预测滑坡进程。
-消除包含在路堤黏土中额外水分的影响
-考虑在蠕变条件下（并且更不必说渐进式蠕变）边坡或路堤的强度随时间变化的可能性。
-使路堤中土体假设的剪应变稳定的可能性
-在不使用防滑措施的条件下，对边坡下部挖方。
在解决以上列举的问题时，组织对边坡状态和已经建立的结构物进行长期监测具有重要意义。
以下几点应被归于湿陷性黄土滑坡运动的基本因素：额外的水分和抗滑力的降低（如粘聚力降低至0）；坍落型沉降现象的发生；水的悬浮效应导致有效应力的降低和抗剪强度减弱；地下水流动对包围它们的土体产生强运输效应（水动力学和渗流压力）；在相对较短的时间内表现出蠕变；在规划发展较差的具有滑坡倾向边坡的上部和下部，常伴随着边坡的削弱；以及明显较陡的边坡。
在此通过实例来说明湿陷性黄土的蠕变过程及抗滑措施的应用。
1．1976年，在Dnepropetrovsk的Aptekarsk Ravine，一发育的边坡失稳。一座9层工业大厦位于距边坡
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