泥石流堆積物是泥石流活動(dòng)的產(chǎn)物，它的各種特征客觀(guān)地記錄了泥石流的基本性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)特性、暴發(fā)頻率、規(guī)模大小和沉積環(huán)境，它的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是泥石流體的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力特性和成巖作用三者的聯(lián)合效應(yīng)。前人對(duì)云南東川蔣家溝粘性泥石流堆積物作了大量的研究。今天學(xué)習(xí)啦小編要與大家分享：地質(zhì)災(zāi)害中泥石流及邊坡的穩(wěn)定性分析相關(guān)論文。具體內(nèi)容如下，歡迎參考閱讀!

地質(zhì)災(zāi)害中泥石流及邊坡的穩(wěn)定性分析

　　1 引言

　　在中國(guó)西部地區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地形起伏大，氣候多變，為泥石流發(fā)育創(chuàng)造了條件，造成了泥石流的廣泛發(fā)育，形成了不同規(guī)模的泥石流堆積扇體。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，鐵路和公路建設(shè)作為實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)的重要舉措，列入國(guó)家建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域。山區(qū)道路工程與城市建設(shè)常穿越泥石流堆積體，或在一些古老泥石流堆積體上開(kāi)挖，形成不穩(wěn)定邊坡，這些邊坡在各種觸發(fā)因素下，將形成滑坡或泥石流災(zāi)害。

　　本文內(nèi)容涉及現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、室內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析與計(jì)算機(jī)模擬等環(huán)節(jié)，全文所提供的研究思路、原位數(shù)據(jù)與研究結(jié)論，對(duì)促進(jìn)泥石流堆積體滑坡機(jī)制、滑坡轉(zhuǎn)化泥石流機(jī)理、泥石流起動(dòng)機(jī)理等學(xué)科前沿問(wèn)題的研究，均有一定的參考價(jià)值。

　　2 泥石流堆積體的特征

　　泥石流堆積物是泥石流活動(dòng)的產(chǎn)物，它的各種特征客觀(guān)地記錄了泥石流的基本性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)特性、暴發(fā)頻率、規(guī)模大小和沉積環(huán)境，它的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是泥石流體的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力特性和成巖作用三者的聯(lián)合效應(yīng)。

　　前人對(duì)云南東川蔣家溝粘性泥石流堆積物作了大量的研究。粘性泥石流的堆積過(guò)程介于稀性泥石流和塑性泥石流堆積過(guò)程之間的過(guò)渡形式。兩種典型泥石流沉積結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。圖1為粗化分層構(gòu)造，為不同場(chǎng)次泥石流堆積后的“水流粗化”的結(jié)果。圖2為反向粒級(jí)構(gòu)造，上部正粒級(jí)是重力分異的結(jié)果，下部的反向粒是層流剪切的結(jié)果。

　　3 試驗(yàn)研究

　　以云南省小江流域泥石流分層粗化構(gòu)造土層堆積體(圖2)為對(duì)象，進(jìn)行滑坡起動(dòng)試驗(yàn)。

　　對(duì)堆積區(qū)原狀土取樣，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。顆粒分析使用篩析和比重計(jì)法。試驗(yàn)儀器為4.0～1.0 mm分析篩和甲種比重計(jì)，分散劑為六偏磷酸鈉。試驗(yàn)表明，礫石呈次磨圓角礫狀，最大礫徑φ60 mm，為殘坡積物，礫石含量43.2%，粘粒含量4.7%，均勻系數(shù)uC= 972.4，表明泥石流堆積區(qū)原狀礫石土樣為極為不均勻，但在較高圍壓下，細(xì)顆粒充填于粗顆粒所形成的空隙中，可形成高密度和較好的力學(xué)特性。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

　　三軸試驗(yàn)使用TSZ30-2.0應(yīng)變控制式三軸儀。按儀器規(guī)格，去除>5 mm的泥石流堆積土，并保持<2 mm的土料與原狀土料級(jí)配不變，用等量替換法配制接近原狀土級(jí)配的試樣，保證試驗(yàn)用礫石土的礫石含量和粘粒含量不變。對(duì)同一級(jí)配土樣配制成含水量10%、密度約為2.0 g/cm3的試樣，進(jìn)行抽真空飽和48 h，再上機(jī)進(jìn)行反壓力飽和使試樣達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，最后進(jìn)行不固結(jié)不排水剪UU試驗(yàn)，施加圍壓分別為50，100，200，300，400，500，600 kPa，共7組靜三軸試樣。由于試樣的不均勻性，飽和度無(wú)法完全達(dá)到100%，造成測(cè)試過(guò)程中孔隙比有區(qū)別，無(wú)法得到=uu 0的強(qiáng)度參數(shù)，考慮到強(qiáng)度參數(shù)uu 和uuc在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，因此，試驗(yàn)結(jié)果按飽和度和軸向應(yīng)變5% 為破壞標(biāo)準(zhǔn)整理出不同飽和度和相同密度試樣的靜三軸強(qiáng)度參數(shù)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

　　礫石土的滲透系數(shù)試驗(yàn)使用TST?70型滲透儀。土體密度按1.56 g/cm3配制，用等量替換法制備成接近新近沉積弱固結(jié)的土體。平均滲透系數(shù)為0.006 cm/s，結(jié)果與細(xì)砂的滲透系數(shù)0.001～0.006 cm/s較接近，由于松散原狀土中的孔隙率應(yīng)大于試驗(yàn)配制土，則可推測(cè)，滲透性應(yīng)略大于0.006 cm/s，是屬于強(qiáng)滲透系數(shù)的土類(lèi)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

　　現(xiàn)場(chǎng)人工降雨滑坡起動(dòng)試驗(yàn)于2004年8月～10月期間完成。野外人工降雨試驗(yàn)設(shè)備由人工降雨裝置與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集設(shè)備組成。含水量測(cè)量采用美國(guó)產(chǎn)的TRASE TDR時(shí)域水分儀，測(cè)試數(shù)據(jù)以體積含水量參數(shù)表示，由美國(guó)產(chǎn)的CR10X完成數(shù)據(jù)采集。設(shè)置TRASE的采樣頻率為2 min/次，CR10X的采樣頻率為5 s/次。傳感器在不同土層深度進(jìn)行埋設(shè)。傳感器埋設(shè)布置見(jiàn)圖4。圖4中點(diǎn)劃線(xiàn)是實(shí)地測(cè)量的土體大致滑動(dòng)線(xiàn)。

　　試驗(yàn)中放置雨量筒2個(gè)，測(cè)得的降雨量分別為140.9和142.6 mm，平均為141.75 mm，降雨總歷時(shí)141 min，實(shí)際降雨強(qiáng)度為60.3 mm/h。試驗(yàn)步驟與現(xiàn)象如表4所示。

　　降雨停止后對(duì)坡面特征地形進(jìn)行測(cè)量與土體取樣。通過(guò)測(cè)量，形成沖溝的溝床坡度為45°～46.5°，頂部探頭處形成的崩塌的滑動(dòng)面坡度為47°，后壁坡度為81.5°，明顯的滑動(dòng)層厚度從下至上分別為27，24和17 cm。根據(jù)土層深度與坡體不同位置，實(shí)測(cè)土體發(fā)生破壞時(shí)體積含水量見(jiàn)表5。

　　4 穩(wěn)定性分析

　　在野外試驗(yàn)沒(méi)有實(shí)時(shí)測(cè)量孔隙水壓力，因此，對(duì)Spencert法[3]進(jìn)行修改，利用全應(yīng)力法分析泥石流堆積體邊坡穩(wěn)定。

　　如圖5所示，根據(jù)水平方向力的平衡與Mohr- Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，可導(dǎo)出基本平衡方程：

　　在本文中沒(méi)有考慮坡體后緣裂隙的水壓力，因此，從物理現(xiàn)象來(lái)看，表6中1#條塊計(jì)算值中出現(xiàn)負(fù)值是不合現(xiàn)實(shí)的。這也是基于SPENCER條分法分析坡體穩(wěn)定性的缺陷。表6中Microsoft Excel表單給出了最可能圓弧滑動(dòng)面計(jì)算數(shù)據(jù)與過(guò)程。計(jì)算所取用的參數(shù)見(jiàn)表2，5。在表6中單元$B：$D和$S：$T中分別輸入任意圓心坐標(biāo)、側(cè)壓力系數(shù)、安全系數(shù)值9c=x，R = 13，=aλ0，F(xiàn) = 1。激活Microsoft內(nèi)建的規(guī)劃求解器(Solver)，設(shè)定目標(biāo)單元格$U為最小值，約束條件$S：$T=0，Radius≥cy，0min=X，8c=y，F(xiàn)≥1，單擊求解器選項(xiàng)菜單，選中“自動(dòng)比例”，求解后可得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面F = 1.9，=aλ0.7。最可能的非圓弧滑面在已知圓弧滑面的基礎(chǔ)上，改變求解器自動(dòng)搜索選項(xiàng)，給定約束條件$D：$D≤$C：$C，$D=0，$O：$O≥0，$S：$T=0，F(xiàn)≤2，F(xiàn)≥0，設(shè)定可變單元格$T，$S，$B：$D，目標(biāo)單元格不變，求解后可得到最優(yōu)非圓弧滑面的安全系數(shù)F = 1.7，比圓弧滑面略小，側(cè)向推力系數(shù)=aλ0.8，大于圓弧滑面。圖6給出了3個(gè)從不同初始圓弧弧面程序搜索得到的非圓弧滑面，相對(duì)坐標(biāo)差值處于在千分位以后，因此，計(jì)算結(jié)果相當(dāng)穩(wěn)定。 　　將坡面坐標(biāo)減去0.5 m作為實(shí)際滑動(dòng)面坐標(biāo)，來(lái)取代表6中滑坡面坐標(biāo)$D：$D，進(jìn)行實(shí)際滑面上土體的穩(wěn)定性分析。在規(guī)劃求解器(Solver) 中，設(shè)定目標(biāo)單元格$U為最小值，約束條件$S：$T=0，可變單元格$S：$T，規(guī)劃求解器找不到精確解，但是給出了一個(gè)最接近的迭代值，F(xiàn) = 4.0，=aλ1.8。

　　5 滑坡失穩(wěn)的機(jī)理

　　由于在求解器約束條件中，限定圓弧滑面的剪出口在坡腳X = 0的位置，求解得到的最不穩(wěn)定圓弧滑面的后緣和剪出口坐標(biāo)位置與實(shí)際觀(guān)察一致。但是，條塊高度h ($K：$K)最大值為3.31 m，最小值為0.16 m，與實(shí)際觀(guān)測(cè)滑面位置(圖6中虛線(xiàn))不符。最可能的非圓弧滑面的位置較圓弧滑面線(xiàn)更接近邊坡側(cè)面，但是仍與實(shí)際觀(guān)測(cè)面位置有一定差距。

　　從實(shí)際滑面坐標(biāo)分析滑體的穩(wěn)定性，根據(jù)式(1)可知，滑動(dòng)面上抗滑力主要取決于滑動(dòng)面土體的抗剪強(qiáng)度，在抗剪強(qiáng)度降低4倍以下時(shí)，可得到2.0=ΣM，0=ΣF，且側(cè)推力系數(shù)達(dá)到3.4，坡體接近臨界狀態(tài)，才有可能形成不穩(wěn)定的滑動(dòng)面。當(dāng)實(shí)際滑面坐標(biāo)取為斜坡側(cè)面高程40 cm以下時(shí)，可以找到一解：7.4=F，8.1a=λ，并滿(mǎn)足所有約束條件與最優(yōu)狀況。分別減少土層厚度值，可得出不同的穩(wěn)定性系數(shù)，如表7所示。

　　(1) 隨著土層厚度的減少，滑面以上泥石流堆積體表層土體因含水量提高，相對(duì)重量增加，但是，平行坡面的切向力不能克服土體的抗力產(chǎn)生滑動(dòng)，并且穩(wěn)定系數(shù)隨上覆土層重量的減低逐步上升。

　　(2) 斜坡表層土體50 cm內(nèi)的滑動(dòng)不是由于滑面以上土體整體極限平衡破壞產(chǎn)生的。

　　(3) 整體極限平衡破壞主要發(fā)生在土層厚度大于1 m深度以上，最有可能的為非圓弧滑面，如圖6所示。

　　(4) 泥石流堆積體邊坡發(fā)生的機(jī)理不能完全歸之于滑動(dòng)面上土體抗剪強(qiáng)度原理，土力學(xué)中的條分法不能完全解釋破壞的機(jī)制。

　　(5) 推測(cè)表層土體主要是水力滲透力引起單個(gè)顆粒或團(tuán)塊發(fā)生移動(dòng)，然后相互影響到一定深度，形成相對(duì)穩(wěn)定的厚度的土體發(fā)生破壞。

　　由上述可知，處于弱固結(jié)狀態(tài)泥石流堆積土邊坡失穩(wěn)的機(jī)制可能是：當(dāng)發(fā)生短歷時(shí)強(qiáng)暴雨，泥石流堆積土地表形成超滲產(chǎn)流。上層松散泥石流堆積土的滲透系數(shù)較大，坡頂與坡腳高差形成較大的水力梯度，滲透力推動(dòng)細(xì)顆粒向深度運(yùn)移。由于不同場(chǎng)次泥石流堆積后的“水流粗化”的結(jié)果，在經(jīng)歷快速紊流滲透后，局部堵塞以至于形成相對(duì)不透水層，坡腳形成滲流出口，最先淺層土體發(fā)生重力剪切，相當(dāng)于處于不排水不固結(jié)條件下土體發(fā)生剪切破壞，礫石土在剪切中呈現(xiàn)體縮的趨勢(shì)，產(chǎn)生正值的孔隙水壓力，不斷增加直到穩(wěn)定值，相應(yīng)地，土中的有效應(yīng)力不斷減少，強(qiáng)度不斷降低，最后接近于0，以至于發(fā)生失穩(wěn)破壞，最后因?yàn)閯?dòng)力作用，連續(xù)牽連至下層含水量變化小的土層和溯源滑動(dòng)。

　　6 結(jié)論與討論

　　(1) 由于三軸儀的規(guī)格限制，采用等量替換法后的土體強(qiáng)度將與原級(jí)配有一定差距，本文沒(méi)有做更多的研究。

　　(2) 在用條分法作數(shù)值分析時(shí)，沒(méi)有考慮坡體后端張裂隙中水推力的力矩作用，在表6中1#條塊出現(xiàn)張力，與實(shí)際觀(guān)測(cè)不符。但是，對(duì)坡體的整體穩(wěn)定分析影響不大。

　　(3) 泥石流堆積土邊坡失穩(wěn)破壞可能主要取決于其弱固結(jié)狀態(tài)的細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)和非飽合狀態(tài)，因此，如何確定弱固結(jié)寬級(jí)配礫石土的強(qiáng)度，將值得更深入的研究。