摘要：边坡形状是影响崩塌的因素之一，通过现场统计资料分析认为坡度、坡高和坡面形态对边坡崩塌的影响很大，故利用崩塌模拟实验进行不同坡度、不同坡面形态的对比试验，观测了边坡内部孔隙水压力随时间的变化过程和土体移动量随时间的变化规律，并对崩塌的形式和部位进行了定性描述。从而为进一步建立边坡崩塌预测模型和确定防灾对策提供了科学依据。
关键词：边坡形状 崩塌 孔隙水压力 土体移动量
1 前言
重力侵蚀的形式主要有滑坡、崩塌、泻溜三种，常成灾的是滑坡与崩塌。因暴雨引起的崩塌、滑落等山地灾害非常普通，为了减少山地灾害必须合理使用坡地，文献[１]从社会效益、生态效益、经济效益同步发展出发，提出我国山区土地利用的方向，并按坡度大小划分为平坡、缓坡、斜坡、陡坡、急坡。从定性上讲大于25°的陡坡应限制开发，大于35°的急坡应禁止开发使用。由于人类活动的影响，陡坡地常常被开发利用，所以有必要对边坡崩塌产生的机理进行研究。当然要清楚边坡崩塌的发生机理必须对影响的因素有足够的认识。影响边坡崩塌的因素很多，其中最直观的是边坡形状。在其它条件相同情况下坡度越大越危险，坡高越高越容易产生崩塌。一般侵蚀多半发生在有一定倾角的山坡，随着坡度的增加侵蚀加剧，促使边坡崩塌形成。影响边坡崩塌的地形因子很多，如坡度、坡长、坡高、坡向、表面形态等。边坡地形是边坡崩塌发生的最基本条件，表征地形的主要指标是坡度和坡高及表面形态。为此，研究坡形对崩塌产生的影响有助于认识崩塌形成的条件和机理以及认识过度开发陡坡地的危害性。
2 边坡崩塌的形式
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图1 半无限边坡上的崩塌形式 |
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自然界形成的边坡呈现各种形态， 按边坡上部有无土层可分为半无限边坡和有限边坡， 半无限边坡常见的崩塌形式有三种[2]，第一是受平行基岩面的限制，破坏面为沿基岩的平面， 如图1(a)； 第二种是受上下基岩面的限制，破坏面呈现圆弧状，如图1(b)；第三种是均质边坡上发生的圆弧状破坏，如图1(c)， 当然也存在破坏面介于上述崩塌形式之间的复合破坏面。而有限边坡常见的破坏形式也有三种[2]，第一是均质边坡上的平面型崩塌，如图2(a)；第二种是单斜基岩面上的圆弧状崩塌，如图2(b)；第三种是复合基岩面上的圆弧状崩塌，如图2(c)所示。通常崩塌的部位在沟谷或山坡上，如图3所示[2]。 |
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山地灾害就是边坡的失去塑性平衡，产生破坏、位移和堆积，使人类活动、土地利用受到影响。据四川攀西调查资料[3]，方量在10×104m3以上的滑坡和崩塌有816处，按平均坡度分级进行统计如表1所示，坡度在36°～45°之间，边坡发生破坏的类型多为崩塌性滑坡。表1说明坡度10°以下没有滑坡产生，一般滑坡大多发生在10°～30°之间，崩塌多数出现在坡度大于30°的边坡。 |
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为了掌握边坡崩塌现场实际情况，文献[2]对过去30年间的2238处崩塌资料进行了统计，大约80%的崩塌事例的坡度为30°～50°，其中边坡坡度在40°时最多。如图4所示。文献[4]根据统计资料表明，多数崩塌都发生在坡度30°～50°的陡峻边坡上，从构成边坡的土壤性质分析，一般土质边坡的坡度要缓于岩质边坡，且土质边坡崩塌时的坡度多数为30°～40°，而岩质边坡崩塌时坡度为30°～50°之间。
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4 坡高对边坡崩塌的影响
文献[4]根据统计资料表明，绝大多数崩塌发生在坡高大于20m的边坡上，坡高越高崩塌的概率越大。表2为凤州工务段崩塌次数与坡高的关系。日本对坡高对崩塌的影响也进行了统计，文献[5]的资料表明：坡高为10～20m的边坡发生崩塌的概率最大，占总数的32.9%，其次是20～30m占15.8%，平均坡高35.5m。如图5所示。从表2和图5可知，不同地区出现崩塌的坡高不一样，这主要与土质状况有关，岩质边坡高而陡，土质边坡低而缓。
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5 坡面形态对边坡崩塌的影响
崩塌块体的运动与滑坡有差别，崩塌体从地面开裂→向临空面倾倒→到瞬间撕裂脱离母体高速运动，整个运动过程表现出自由落体、滚动、跳跃、碰撞和推动等多种方式并存的复合过程。运动中由于跳跃、碰撞使大的岩土块碎裂、解体成小块。
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一般山地坡面的形态呈凹凸不平的不规则形状，但不管怎样复杂的地形都可分为平面、凹面、凸面三种最基本情况，由于纵横断面凹凸变化以及不同曲率半径的组合可以形成各种各样的边坡。但基本的坡面形态可分为九种，其中有三种组合在现场出现的概率较小或者没有。根据文献[6]可将常用的六种坡面分为平面型、上升型、下降型、溪沟型、脊梁型、集水型。日本对坡面形态观测的非常细，分别调查了纵向断面和横向断面为各种形态时出现崩塌的概率。如图6及表3所示。但需说明的是统计资料既有自然边坡也有人工整治后的边坡，从表3可知，横断面形状为平面型时出现崩塌的概率有60.1%，大于溪沟型和脊梁型，这是由于统计资料中人工整治过的平面型边坡较多的原因，如去除人为因素的话，文献中也进行统计，从三个不同区域比较了横断面形态对边坡崩塌的影响，其结果如图7所示。结果表明：溪沟型出现崩塌概率最高，脊梁型略多于平面型边坡崩塌的概率。 |
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下降型 |
平面型 |
复合型 |
上升型 |
平面型 |
溪沟型 |
脊梁型 |
其他 | ||||
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36.1 |
32.6 |
24.3 |
7.0 |
60.1 |
18.1 |
17.8 |
4.0 | ||||
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自然界的坡面形态多种多样，根据文献[7]的研究，边坡纵向形态上有凸型坡(本文的脊梁型)、凹型坡(本文的溪沟型)和顺直坡(本文的平面型)之分，其中，凸型坡较陡峭，利于崩塌的发育，凹型坡大多是古崩塌的残留后壁，利于地表水、地下水汇集，易诱发边坡崩塌。许多冲沟源头沟掌地形也属从缓坡到陡坡(本文的下降型)，由于强烈的沟头溯源侵蚀作用，使沟掌地极易产生滑动，而从陡坡到缓坡(本文的上升型)是河流宽谷段典型的坡面形态，一般不会有大量的崩塌发生。不同形态的坡面产生崩塌的时机和规模是不一样的。同样各种坡面形状能否产生崩塌的概率也大不一样。根据日本国内现场资料统计分析日本国土防灾技术株式会社，斜面崩塌实验计划书。1996年7月。，基本坡面形态中有3种坡面出现崩塌的概率很小，如表4所示。
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从表4中可知，九种坡型中容易出现崩塌的坡面形态有六种：
(I) 平面型坡面：坡面和基岩面都为平面且平行。
(II) 上升型坡面：坡面和基岩面的纵断面都为凹面，从最低处向上，坡度越来越大。
(III)下降型坡面：坡面和基岩面的纵断面都为凸面，从最高处向下，坡度越来越大。
(IV) 溪沟型坡面：坡面和基岩面的横断面为凹面，这种形态类似溪沟的形状。
(V) 脊梁型坡面：坡面和基岩面的横断面为凸面，这种形态类似山坡的脊梁。
(VI) 集水型坡面：坡面和基岩面的纵断面、横断面均为凹面，这种形状形成集水坑。
6 崩塌模拟实验
为了研究边坡产生崩塌的可能性，利用变坡试验槽进行了模拟试验。变坡试验槽长6m、宽2m、高1.3m，变坡试验槽上方设有降雨装置，最大降雨强度为100mm/h，雨量可以调节。人工降雨模拟试验槽如图8所示。试验用沙是由永定河上2 mm以下的天然沙与密云粉粘土(粘土含量约为24%)按一定比例混合而成。按粘土含量4%、8%、12%的比例配制试验用沙，永定河沙、密云粉粘土及粘土含量为8%的试验用沙的颗粒级配曲线如图9所示。由于土质边坡最容易崩塌，且出现崩塌时坡度为30°～40°，在坡面形态为平面情况下，选取坡度30°、35°、40°进行坡度对崩塌的影响的试验。并在坡度为35°的情况下进行了六种不同坡面形态的试验。三种坡度和六种坡形，因有一种重合，试验进行了8组。其它条件如表5所示。
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图8 人工降雨模拟试验水槽 |
图9 试验用沙的级配曲线图 |
试验过程中测量了孔隙水压力、土体移动量随累积雨量的变化规律。孔隙水压计探头设置在变坡槽中心线、末端以上1.5m处、距槽底5cm的地方，位移计设置在变坡槽中心线、末端以上4.0m处、距槽底40cm的地方。如图10、图11所示。
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表5 试验条件汇总表 | |||||||||
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试验 |
坡面 |
纵向 |
纵向 |
横向 |
横向 |
坡度 |
干密度 |
粘粒含量 |
雨强 |
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组次 |
形状 |
形状 |
曲率 |
形状 |
曲率 |
(°) |
(g/cm3) |
(%) |
(mm/h) |
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No.1 |
平行 |
平面 |
R=∞ |
平面 |
R=∞ |
30 |
1.55 |
4 |
40 |
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No.2 |
平行 |
平面 |
R=∞ |
平面 |
R=∞ |
35 |
1.65 |
8 |
60 |
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No.3 |
平行 |
平面 |
R=∞ |
平面 |
R=∞ |
40 |
1.75 |
12 |
80 |
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No.4 |
下降 |
凸面 |
15m |
平面 |
R=∞ |
30 |
1.65 |
12 |
60 |
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No.5 |
上升 |
凹面 |
15m |
平面 |
R=∞ |
35 |
1.65 |
4 |
80 |
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No.6 |
溪沟 |
平面 |
R=∞ |
凹面 |
2m |
35 |
1.75 |
12 |
40 |
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No.7 |
脊梁 |
平面 |
R=∞ |
凸面 |
2m |
35 |
1.55 |
8 |
80 |
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No.8 |
集水 |
凹面 |
5m |
凹面 |
5m |
35 |
1.55 |
12 |
60 |
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图10 各组试验的孔隙水压力随累积雨量变化 |
图11 各组试验的土体位移量随累积雨量变化 |
7.1 边坡崩塌的部位
各种坡面形态对崩塌的发生有一定关系，特别是边坡崩塌的部位不同。上升型坡面崩塌位于上半部；下降型坡面崩塌位于下部；溪沟型坡面崩塌位于上半部两侧；脊梁型坡面崩塌位于下部两侧[6]。
7.2 边坡崩塌的形式
下降型坡面的崩塌过程首先在底部开始，然后渐渐向上方发展，从崩塌后的形态分析，可以认为是台阶形崩塌；脊梁型坡面中间较高，具有散水的作用，两侧首先局部崩塌，然后中间再崩塌，可称为八字形崩塌；溪沟型坡面由于中间低，具有集水的作用，中间先局部崩塌，然后两侧再崩塌，可称树枝形崩塌。而集水型坡面由于四周高，中间低，水流向中间聚集，崩塌形态类似勺状；上升型坡面由于上部的坡度大于下部，崩塌从上部开始，崩塌后的形态有点象马蹄的形状；平面型坡面由于表面平整，崩塌后的形态接近平面形状。如图12所示。
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图12 边坡崩塌形式 |
7.3 边坡崩塌的速度及崩塌量
边坡崩塌的时机不但与构成边坡土体的物质密切相关，而且与累积雨量有关。雨水入渗后土体内产生孔隙水压力，当孔隙水压力达成一极限时土体失去平衡而破坏。崩塌的规模是由于崩塌层的厚度及位置的不同而变化，但崩塌规模直接影响治理方案。试验中利用摄像机观测雨水下渗状况、崩塌过程以及崩塌位置。各组试验崩塌的时机和规模如表6所示。表中峰值孔隙水压力是设置在变坡槽中心线、末端以上1.5m、距槽底5cm处的探头的最大值；崩塌时间按设置在变坡槽中心线、末端以上4.0m、距槽底40cm处的位移计计算。崩塌规模按试验结束时崩塌范围和平均深度估算，崩塌类型按崩塌体积大小分类，小于1.0m3为局部崩塌，小于3.0m3为表层崩塌，大于3.0 m33为整体崩塌。
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表6 边坡崩塌时机及规模统计表 | ||||||||||||||||
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试验组次 |
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雨量 |
水位 |
渗速 |
雨量 |
速度 |
范围 |
宽度 |
深度 |
体积 |
崩塌类型 | |||||||
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(mm) |
(cm) |
(cm/s) |
(mm) |
(cm/min) |
(m) |
(m) |
(m) |
m3 | ||||||||
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No.1 |
256.4 |
21.4 |
2.5×10-3 |
- |
- |
1.5～3.0 |
2.0 |
0.2 |
0.6 |
局部崩塌 | ||||||
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No.2 |
230.0 |
15.7 |
4.3×10-3 |
225.0 |
37.8 |
0.0～4.0 |
2.0 |
0.4 |
3.2 |
整体崩塌 | ||||||
|
No.3 |
- |
- |
- |
207.0 |
32.5 |
0.0～5.0 |
1.0 |
0.3 |
1.5 |
表层崩塌 | ||||||
|
No.4 |
320.0 |
28.9 |
2.7×10-3 |
342.0 |
38.8 |
0.0～4.0 |
2.0 |
0.5 |
4.0 |
整体崩塌 | ||||||
|
No.5 |
387.0 |
29.0 |
6.3×10-3 |
389.3 |
35.0 |
0.0～4.0 |
2.0 |
0.2 |
1.6 |
表层崩塌 | ||||||
|
No.6 |
319.7 |
14.5 |
2.9×10-3 |
206.0 |
33.0 |
0.0～4.5 |
2.0 |
0.3 |
2.7 |
表层崩塌 | ||||||
|
No.7 |
500.0 |
28.2 |
1.0×10-2 |
468.0 |
12.2 |
0.0～6.0 |
2.0 |
0.6 |
7.2 |
整体崩塌 | ||||||
|
No.8 |
530.0 |
28.6 |
1.1×10-2 |
536.0 |
9.8 |
2.5～6.0 |
2.0 |
0.1 |
0.7 |
局部崩塌 | ||||||
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8 结语
从崩塌模拟试验结果和现场观测资料分析可知：
1. No.1坡度为30°的试验过程中只有局部崩塌，而No.2坡度为35°产生了整体崩塌，这说明了坡度越大越容易产生崩塌，而No.3坡度虽为40°，由于干密度和粘土含量都大，雨水不易入渗，尽管没有产生孔隙水压力，由于坡度较陡，还是产生了表层崩塌。
2. 各种坡面形态对崩塌影响的试验结果表明：对于相同大小、相等曲率半径(平面型除外)、相同土质条件的不同边坡，其危险性是：No.4的下降型&>No.5的上升型，No.2的平面型&>No.8的集水型，No.6的溪沟型与No.7的脊梁型相差不大。
3. 边坡崩塌大多都是由于土体内孔隙水压力达到最大时发生的，如No.2和 No.4～No.8，孔隙水压力急剧增加是产生崩塌的内在动力，No.1 虽然有孔隙水压力，但由于坡度为30°，所以没有产生崩塌，而No.3虽没有孔隙水压力，但坡度为40°，所以也产生了崩塌，可见坡度也是边坡稳定的关键因子。
4. 土体位移量与累积降雨有关，当累积降雨达到或超过某一极限时才使土体失去稳定产生崩塌。
5. 对于溪沟型坡面和脊梁型坡面来说，溪沟型坡面由于中间低，具有集水的作用，脊梁型坡面中间较高，具有散水的作用，从崩塌形式上观测，溪沟型坡面中间先局部崩塌，两侧后崩塌，而脊梁型坡面两侧首先局部崩塌，中间后崩塌。
参 考 文 献
[1] 关君蔚，张洪江。山区建设和可持续发展。海峡两岸山地灾害与环境保育研究集。四川科技出版社，1998年9月。
[2] 申润植主编。坡面框架工程设计与施工方法。日本三海堂，1995年5月。
[3] 谭万沛，王成华等。暴雨泥石流滑坡的区域预测与预报—以攀西地区为例。四川科技出版社，1994年。
[4] 唐邦兴主编。山洪泥石流滑坡灾害及防治。科学出版社，1994年8月。
[5] 日本建设省土木研究所。关于崩塌灾害实态(50～52年资料集)土木研究所资料第1375号，1978年。
[6] 徐永年， 匡尚富等。坡面形态对崩塌产生的影响初探。海峡两岸山地灾害与环境保育研究集，四川科技出版社，1998年9月。
[7] 吴积善，王成华，程尊兰。中国山地灾害防治工程。四川科技出版社，1997年。
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