滑坡机理与斜坡稳定性的研究成果与展望

李瑞宽，梁庆国，李 璐，赵多银，张 丹

(1.兰州交通大学 土木工程国家级实验教学示范中心，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；3.中国地震局 兰州地震研究所 黄土地震工程重点实验室，甘肃 兰州 730000)

滑坡是指岩土体受到外界因素(降雨、地震、人为活动等)影响，沿一定的软弱面(带)做整体运动的现象。滑坡机理研究揭示了滑坡发生、运动、停止的整个过程[1]，为深入了解滑坡并开展滑坡灾害防治打下了基础。斜坡稳定性研究是滑坡灾害问题的一个重要研究方向，随着土力学的发展，相关理论和方法的研究更加深入。多年来大量研究成果表明，专家学者更加偏重于斜坡稳定性的定量研究，理论和技术不断完善，定性与定量综合研究的分析方法应用越来越广泛。

1 滑坡机理研究

1.1 研究概况

鉴于滑坡灾害的巨大危害性，国内外学者对滑坡的形成机理开展了大量研究。国外的研究起步较早。TERZAGHI首先将土力学的理论运用到滑坡形成机制的相关研究中，他认为孔隙水压力变化会影响滑带土的性质，从而对滑坡的形成产生重要的促进作用[2]。随后，SKEMPTON[3]研究了黄土变形过程中孔隙水压力对黄土有效强度的影响。近年来国内有关滑坡机理的研究得到了迅速发展。戴福初等[4]分析了滑坡的发生机理，在降雨入渗条件下，按照土体应力应变特性的不同，把潜在滑动面的类型分为剪胀型和剪缩型，认为突然失稳型滑坡没有明显变形和破坏征兆，渐进破坏型滑坡在滑坡产生前抗剪强度逐渐降低，复活蠕滑型滑坡则存在软弱滑动面。胡广韬[5]对滑坡机理做了深入阐述，认为滑坡是滑动面上滑体推滑力与抗滑力矛盾发展的结果，当推滑力大于抗滑力时滑动产生，滑坡的产生与其本身特质及所处的应力场或力系密切相关，他将滑坡的启动方式分为剧动和缓动两种，将运动速度分为高速、中速和低速三级，同时还对滑坡按照不同的运动特征进行了详细的分类。

1.2 几种特殊的滑坡机理

(1)地震动触发滑坡机理研究。地震动滑坡具有分布广泛、一次性快速滑动的特点，是震区内常见的次生灾害。毛彦龙等[6]对地震动滑坡的触发作用做了详细介绍，认为地震波的持续作用使变形积累并最终导致破坏(累进破坏效应)，使岩土体由静止状态变为运动状态(启发效应)，并在滑块运动过程中提供加速度(启程加速效应)，还提出了启程剧发速度计算公式，当启程剧发速度达到一定数值时，短程低速滑坡可转化为远程高速滑坡。周维垣[7]认为地震荷载对土质斜坡的影响多体现在与其他因素(如水)的共同作用上。黄润秋等[8]调查了大量海原地震诱发的黄土滑坡，总结了地震影响耦合机制，包括地震波与构造力的耦合、与地形地貌特征的耦合、与场地土性质的耦合、与盆地效应的耦合及与突发水异常的耦合，在此基础上结合黄土微结构参数，考虑地震液化，综合分析了黄土滑坡的形成机理和分布规律。徐舜华等[9]对岷漳地震灾区永光村和堡子村滑坡进行调查并采样开展相关室内试验，对地震与降雨两者对滑坡的共同诱发作用进行了具体分析。

(2)高速远程滑坡机理研究。关于高速远程滑坡，国内的相关研究起步较晚，但从20世纪末开始取得了一系列研究成果，如：姜云等[10]认为滑体与山包的碰撞、山包与平面之间的深沟、V形沟谷等条件综合作用产生气垫，为滑体的运动提供了良好的通道；胡厚田等[11]分析了碎屑流与泥石流在形成条件、动力机制和运动过程等方面的特点，结合固液、固气两相流的理论推导了碎屑流的运动方程；还有学者从理论上陆续提出了气垫层说、孔隙气压力说、无黏性颗粒流说、颗粒流说、摩擦系数说、自我润滑说、强度降说、诸多效应说等假说。特别是中国地质大学的张明副教授在最新的研究成果中利用 X光衍射、扫描电镜和 DNA测试等多种高科技手段进行综合测试，创新性地综合研究了滑带土有机物组分与无机矿物成分，认为酸雨的溶解作用及微生物的繁殖与分解作用会对矿物成分的改变及对土体强度产生重要影响，从而对滑坡的形成产生促进作用。

(3)中国大型滑坡机理研究。我国大型滑坡极为发育，以规模大、机理复杂、危害大等特点著称。黄润秋对中国大型滑坡的发生机理做了全面系统的阐述，认为中国大型滑坡的发生机理主要包括受坡脚近水平结构面控制的滑移-拉裂-剪断“三段式”机理，整体松弛中下部完整、坚硬的“挡墙溃屈”机理，地下水的静水推力和孔隙水压力联合作用的近水平地层的“平推式”滑坡机理，常见于西南高山峡谷地区的大规模反倾向层状岩体倾倒变形机理，以及顺倾向层状岩体边坡的滑移(弯曲)-剪断机理；揭示了边坡坡角和岩层倾角对倾倒变形的影响，临界坡角与倾角都是60°；按照潜在滑动面倾角大小，区分了简单顺倾坡与隐伏型顺倾坡，前者坡角大于倾角，滑动面往往出露，后者则相反，滑动面隐藏而难以被识别，常常孕育大型滑坡。

2 斜坡稳定性研究

2.1 研究概况

在斜坡稳定性研究的发展历程中，新的假定与理论不断被提出，主要有通用条分法、瑞典法、毕肖普简化法、滑楔法等，特别是极限平衡理论得以长足发展。陈祖煜[12]曾对斜坡稳定性研究的常用方法进行了具体分析。但在我国的实际工程应用中，传递系数法(剩余推力法)应用比较广泛。黄显贵等[13]认为地震力的影响是斜坡稳定性评价中必须考量的一个重要因素，因此在剩余推力法条块力学模型中加入了地震因素，研究地震荷载对稳定系数的影响，为评价地震作用下的斜坡稳定性提供了依据。同时，随着有限元法、离散元法、差分方法、边界元法等在静动力学方面的应用日趋成熟，出现了大量相关研究成果。DUNCAN和GOODMAN应用有限元方法，为斜坡稳定性研究开启了数值模拟计算的大门。王乐华等[14]利用已有的工程地质资料，采用模糊数学方法对巴东地区的斜坡稳定性进行了评价，建立了多级模糊综合评判标准。近年来，强度折减法的研究成果逐渐增多。张士兵等[15]结合弹塑性大变形有限元理论，运用强度折减法分析降雨对黄土斜坡的影响，认为降雨会引起坡体质量增加、土体抗剪强度降低，从而导致失稳发生；费康等[16]对强度折减法的原理进行了概括，并将其引入ABAQUS软件进行计算。

2.2 新技术、新方法的应用

(1)振动台试验。针对数值分析方法在物理基础方面的局限性，振动台模型试验由于地震波作用过程的可再现性、观察边(斜)坡破坏特征的直观性与便利性、检测内部土体应力与加速度响应的直接性，因此得到了越来越广泛的应用。常用的振动台试验仪器设备及试验过程见图1。关于振动台设备的应用，WARTMANA采用小型振动台试验，重点关注边坡模型产生的位移，用NEWMARK滑块法进行相应计算，并对试验结果与计算结果进行了比较；LIN et al.[17]利用振动台试验研究了砂土边坡在地震作用下的响应，认为地震作用下，砂土边坡的破坏面只存在于边坡的表面；赵文琛[18]结合有限元数值模拟与大型振动台试验，研究黄土层内地震滑坡和黄土接触面型地震滑坡，得出了黄土斜坡的一般失稳破坏特征，阐述了强震作用下黄土斜坡的动力响应及失稳演化过程，并对斜坡地震失稳机制进行了验证。

图1 振动台试验仪器及试验过程

(2)“3S”技术。随着人工神经网络应用系统、地理信息系统(GIS)、自适应神经模糊推理系统(ANFIS)等的广泛应用，斜坡稳定性研究逐步走上了系统化、智能化的发展道路，特别是以“3S”技术为依托的地震滑坡研究正在快速发展，其中RS技术多用于数据的收集与处理，GIS技术为制图提供了便利，GPS技术则主要用于大型滑坡监测。相较于传统评价方法，采用“3S”技术的优势在于：数据采集全面而高效，可利用高分卫星遥感技术等对滑坡进行三维识别，包括滑坡边界、规模、方向、影响范围及大小等基本信息，为区域滑坡分布图绘制及滑坡微地貌类型与活动性判别提供了数据基础，同时也为现场救援和灾情分析提供了准确的第一手资料；数据解译速度快、精度高、自动化，利用计算机后台对大量数据进行综合处理，高程度信息化为研究滑坡及其影响因素之间的关联提供了便利，为斜坡失稳的评价与危险性预测提供了技术支持。

3 展 望

“数字滑坡”的概念正被越来越多的人所接受和应用。“数字滑坡”技术是采用RS、GIS等技术与手段，将滑坡地学特征及变化情况(变形、位移等)等遥感信息数字化，从而对滑坡情况进行深入调查。其工作模式为：利用高科技手段如无人机航摄、GPS测量、飞机搭载三维激光扫描系统等获取三维空间数据，基于滑坡实例库、模型库、预报判据库等基础信息数据库对滑坡体的空间分布、位置形态、物质和结构特征等进行数字化描述，建立信息平台，并最终应用到滑坡机理与斜坡稳定性的相关研究中。近年来，“数字滑坡”技术受到了国内外专家学者的广泛关注，在汶川、芦山、舟曲等地震滑坡灾害应急调查和恢复重建中得到了应用，在挽回损失及维护地区稳定方面发挥了巨大作用，为实施国家防灾减灾战略提供了保障，推动了我国滑坡灾害调查技术的进步。随着数据获取能力的提高和评价方法的改进，斜坡稳定性传统的评价方法不断完善，并且与高速发展的科学技术结合更加紧密。

(1)GIS不再只适用于单一的危险性评价，基于大量数据信息的收集与存储，其应用逐渐向定量化评价过渡，尤其是GIS在定性与定量相结合的评价方法中应用效果良好。

(2)随着技术方法的不断改进，监测手段日益多样化，GPS干涉测量技术、三维摄影技术等监测手段的运用将大大提高斜坡时空稳定性监测的效率，为精准评价斜坡稳定性提供保障。

(3)随着计算机运行速度、数据收集与处理能力的提升和计算机平台建设的不断完善，结合滑坡基础数据库与空间数据库，滑坡信息系统将更加综合化，信息收集处理将更加迅捷、准确。