滑坡運(yùn)動(dòng)中滑體變形解體研究綜述

周海清，彭國(guó)園，周淑玲

(1.后勤工程學(xué)院 a.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.軍事土木工程系，重慶 401311；2.總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院，北京 100850)

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

滑坡運(yùn)動(dòng)中滑體變形解體研究綜述

周海清1a,1b，彭國(guó)園1a,1b，周淑玲2

(1.后勤工程學(xué)院 a.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.軍事土木工程系，重慶 401311；2.總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院，北京 100850)

從滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程出發(fā)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外滑坡運(yùn)動(dòng)全過(guò)程及滑體運(yùn)動(dòng)變形解體的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑體變形解體的機(jī)制進(jìn)行了初步探討，指出了滑坡運(yùn)動(dòng)變形解體需要進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容和今后的發(fā)展方向。

滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程；滑體解體；綜述

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，滑坡災(zāi)害一直是地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型中很?chē)?yán)重的災(zāi)害之一，它常常中斷交通、摧毀廠礦、堵塞河道、掩埋村鎮(zhèn)，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失[1]。邊坡只要處于穩(wěn)定狀態(tài)，就不會(huì)發(fā)生滑坡災(zāi)害，因此滑(邊)坡的穩(wěn)定分析是巖土工程中的重要研究課題之一[2]?；率且粋€(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，也是一個(gè)集滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、張拉等運(yùn)動(dòng)方式的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程[3]。隨著研究的深入，滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程也成為滑坡研究的熱點(diǎn)。一旦滑坡發(fā)生，最重要的是估計(jì)滑坡的致災(zāi)范圍及預(yù)防滑坡次生災(zāi)害的發(fā)生，因此希望加強(qiáng)對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究，從而到達(dá)預(yù)測(cè)滑體滑速和堆積范圍等。巖土體是一種特殊的材料，其結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，從理論上分析滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程常常把滑體看成連續(xù)可變的塊體運(yùn)動(dòng)[4]。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理計(jì)算滑體的速度、加速度、運(yùn)動(dòng)距離，應(yīng)該考慮滑體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于內(nèi)外部因素的作用產(chǎn)生變形、解體、分離等，因?yàn)榛w的運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，并不是簡(jiǎn)單的整體下滑。因此，在對(duì)滑坡下滑過(guò)程進(jìn)行模擬分析時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮滑體的運(yùn)動(dòng)變形破壞解體。由于目前對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑體的破壞模式尚不清楚，使得準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滑體的運(yùn)動(dòng)仍存在一定難度。當(dāng)明確滑體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生解體破壞的模式和破壞準(zhǔn)則時(shí)，就可以將滑體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和破壞過(guò)程有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的精確分析。

1 滑坡運(yùn)動(dòng)物理理論模型研究

滑坡過(guò)程是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，研究人員基于運(yùn)動(dòng)學(xué)理論經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化假設(shè)建立滑體的運(yùn)動(dòng)模型，雖然這些模型多是針對(duì)特定的滑坡建立的，其簡(jiǎn)化假設(shè)條件具有一定的局限性，但對(duì)推動(dòng)理論模型的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

最早的滑坡運(yùn)動(dòng)模型為Heim于1932年提出的雪橇模型，該模型假定滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只受到摩擦力，能量的耗散全部由摩擦引起，該模型雖然忽略了很多其他耗能因素，但其形式簡(jiǎn)單，與運(yùn)動(dòng)學(xué)理論相合。Sassa[5]改進(jìn)了滑板模型，基于水力學(xué)基本原理，把滑坡體假想成流體，推導(dǎo)出滑坡和崩塌運(yùn)動(dòng)距離的預(yù)測(cè)公式。劉忠玉等[6]將滑體的運(yùn)動(dòng)形式看成是連續(xù)可變的塊體運(yùn)動(dòng)，建立了可預(yù)測(cè)滑坡最大滑速和滑距及模擬滑坡發(fā)生后滑體運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的滑坡運(yùn)動(dòng)模型。楊海清等[7]通過(guò)簡(jiǎn)化建立了三維彈簧變形塊模型，定量預(yù)測(cè)滑體運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，建立了任意時(shí)刻滑體的加速度、速度和位移計(jì)算公式，計(jì)算出滑體在三維運(yùn)動(dòng)過(guò)程的最大距離、最大速度及滑動(dòng)時(shí)間等。肖莉麗等[8]基于滑坡氣墊層學(xué)說(shuō)，分析了大型巖質(zhì)滑坡高速滑動(dòng)的成因和整體滑動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，提出了庫(kù)岸高速巖質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析模型。吳鐘騰[9]以云南省彝良縣麻窩滑坡為研究對(duì)象，以野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為基礎(chǔ)，對(duì)該滑坡工程地質(zhì)條件、變形破壞特征和形成機(jī)理進(jìn)行了探討，建立了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和能量守恒的滑坡運(yùn)動(dòng)距離的計(jì)算模型。廖小平等[10]探討了高速遠(yuǎn)程滑坡的形成條件和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為滑坡運(yùn)動(dòng)是一種連續(xù)可變的塊體運(yùn)動(dòng)，提出了沖擊性碰撞作用機(jī)理和連續(xù)可變的塊體運(yùn)動(dòng)理論。另外，其他相關(guān)學(xué)者[11-13]也提出了滑體運(yùn)動(dòng)的理論模型，用于計(jì)算滑體的滑速、滑距等。

上述學(xué)者針對(duì)特定滑坡通過(guò)合理簡(jiǎn)化假設(shè)等建立了基于滑坡運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論模型，對(duì)滑坡致災(zāi)范圍和致災(zāi)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)有重要的意義，但建立的模型都基于運(yùn)動(dòng)學(xué)或能量守恒理論，假定土為連續(xù)可變性材料，忽略了土的非連續(xù)大變形性質(zhì)，這也是目前理論研究常常不能很好地應(yīng)用于工程實(shí)際的原因，對(duì)此研究人員常常將單純理論模型的推導(dǎo)與數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)建立符合實(shí)際的滑坡動(dòng)力學(xué)模型。

2 滑坡運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的模擬

通過(guò)理論建立的滑坡運(yùn)動(dòng)模型由于不能夠完全反映實(shí)際情況，將其推廣到工程應(yīng)用還存在一定的難度。為了探究滑體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一般規(guī)律，需要再現(xiàn)滑坡運(yùn)動(dòng)全過(guò)程，但實(shí)地滑坡發(fā)生由于時(shí)間、地點(diǎn)等不確定因素使得通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在難度，而數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)卻可以對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程進(jìn)行模擬。

數(shù)值模擬及仿真方面，Hung[14]開(kāi)發(fā)了模擬滑坡運(yùn)動(dòng)的分析軟件DAN，并對(duì)一些典型的滑坡進(jìn)行了全過(guò)程模擬。趙川等[15]利用離散元理論模擬滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程，模擬了不同時(shí)刻滑體的速度分布。鐘登華等[16]運(yùn)用三維極限平衡法分析了滑坡失穩(wěn)的誘發(fā)機(jī)制，提出了庫(kù)岸滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算和可視化動(dòng)態(tài)模擬分析流程，實(shí)現(xiàn)了滑坡運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的統(tǒng)一和三維可視化動(dòng)態(tài)表達(dá)。王宇等[17]運(yùn)用基于離散元法的顆粒流(PFC)程序，引入平行粘結(jié)模型，通過(guò)模擬，確定了滑帶土細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，據(jù)此建立滑坡模型，運(yùn)用顆粒流離散元法對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)破壞全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。張龍等[18]利用三維顆粒流軟件PFC3D對(duì)重慶武隆雞尾山巖質(zhì)滑坡進(jìn)行全過(guò)程模擬，研究表明：雞尾山高速遠(yuǎn)程滑坡滑源區(qū)的巖體首先發(fā)生破碎化，然后碎屑物在斜坡上經(jīng)加速運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步解體，最終形成碎屑流。殷坤龍等[3]應(yīng)用非連續(xù)變形分析方法對(duì)長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)新灘滑坡的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，很好地再現(xiàn)了新灘滑坡發(fā)生的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。譚冬生等[19]應(yīng)用 Open GL 軟件開(kāi)發(fā)出滑坡三維可視化軟件，實(shí)現(xiàn)滑坡模型的建立、滑坡數(shù)據(jù)管理、穩(wěn)定性計(jì)算、三維動(dòng)態(tài)模擬，解決滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及動(dòng)態(tài)仿真模擬問(wèn)題。吳德彬等[20]利用三維建模軟件Multigen Creator建立滑坡體仿真模型，提取正常情況和連續(xù)降雨情況下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用三維虛擬仿真軟件Vega分別模擬了這兩種情況下整個(gè)滑坡體的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)過(guò)程。另外，許多學(xué)者[21-23]利用數(shù)值模擬對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，取得了不少成果。

模型試驗(yàn)?zāi)M滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程方面，劉涌江等[24]采用模型試驗(yàn)，以塑料塊模擬巖體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互碰撞、破碎的過(guò)程，得到了不同速度段巖體體積的分布規(guī)律。郝明輝等[25]利用自行設(shè)計(jì)的滑槽模型試驗(yàn)裝置開(kāi)展室內(nèi)物理模型試驗(yàn)對(duì)滑坡破壞解體后形成的碎屑流的顆粒運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了研究。季憲軍等[26]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，再現(xiàn)了黏性碎屑物質(zhì)坡面運(yùn)動(dòng)過(guò)程及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的滑體不連續(xù)變形現(xiàn)象。在模型試驗(yàn)?zāi)M滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題方面很多學(xué)者也做了相關(guān)研究[27-28]。

數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)是巖土工程研究中常用的技術(shù)手段，在模擬滑坡運(yùn)動(dòng)方面更是發(fā)揮了重要作用，但數(shù)值模擬的成敗取決于模型參數(shù)的選取和邊界條件的確定，而模型試驗(yàn)相似材料的選取、相似比的確定是整個(gè)模型是否能正確反映原型的關(guān)鍵。

上述學(xué)者對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的模擬，采用了先進(jìn)的數(shù)值模擬和較為可靠的模型試驗(yàn)方法，對(duì)推進(jìn)滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究起到了重要作用，但還存在一定的問(wèn)題。數(shù)值計(jì)算是基于一定的理論模型，目前的離散元模型很適合模擬土體大變形的問(wèn)題，但土體的破壞準(zhǔn)則在離散元理論中的實(shí)現(xiàn)很難做到與實(shí)際情況相符。

3 滑體運(yùn)動(dòng)變形解體機(jī)制研究

滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑體在內(nèi)外部因素作用下，會(huì)發(fā)生不同程度的變形和解體。滑體解體這一現(xiàn)象在滑坡中很常見(jiàn)，只要是滑坡就會(huì)發(fā)生解體，只是解體程度大小不同，目前關(guān)于滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的解體現(xiàn)象缺乏系統(tǒng)全面的研究，大多運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的宏觀分析，并沒(méi)有對(duì)解體程度、影響因素、影響規(guī)律進(jìn)行深入探討。

胡廣韜[29]指出滑坡的后緣受拉而形成與滑坡運(yùn)動(dòng)方向大體垂直的張裂縫，滑坡體前緣由于受擠壓產(chǎn)生方向接近于滑動(dòng)方向的壓縮裂縫。因此，在前后擠壓帶與拉張帶之間的坡體上，常形成多級(jí)滑坡臺(tái)地使滑體沿橫向解體；在滑坡體的兩側(cè)及底部，由于滑動(dòng)面的抗滑阻力，常形成許多羽狀剪切裂縫。由于沿滑動(dòng)方向各部分的阻力和滑速不同也可使滑體產(chǎn)生縱向解體。這是關(guān)于滑坡解體的較早描述，可認(rèn)為是宏觀上的解體，表現(xiàn)為滑體主體被分解成多個(gè)宏觀尺寸較大且相對(duì)完整的次級(jí)部分滑體。陳自生[30]指出多數(shù)巖質(zhì)滑坡和土質(zhì)滑坡在高位剪出時(shí)能轉(zhuǎn)化為碎屑流動(dòng)，其轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是滑體要經(jīng)過(guò)充分的解體，即滑體要由整體向碎屑乃至更細(xì)小的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。陳曉清[31]指出滑坡在轉(zhuǎn)化為泥石流的過(guò)程中首先發(fā)生滑體解體，這是滑體整體向最小尺寸碎屑轉(zhuǎn)化的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是由于滑體非連續(xù)變形引起的各種形式的解體。謝洪等[32]在研究標(biāo)水巖溝滑坡型泥石流時(shí)指出，動(dòng)力條件是形成泥石流必不可少的條件，充足的動(dòng)力能使巖土體具有較高的能量，巖土體在高速過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)容易產(chǎn)生解體。朱云波等[33]認(rèn)為滑體在滑出后碎屑化沿途主要經(jīng)歷了鏟刮、碰撞、剝離解體等過(guò)程，這些都是滑坡體解體的重要原因。吳越等[34]利用模型試驗(yàn)研究滑體下滑過(guò)程中沖擊受災(zāi)體的能耗規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)考慮滑體內(nèi)部耗能的結(jié)果要合理得多。內(nèi)部耗能包括滑體崩解耗能。另外，相關(guān)文獻(xiàn)[35-36]也提到了滑體運(yùn)動(dòng)解體現(xiàn)象。

滑體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中解體對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大的影響，會(huì)影響滑體的速度、運(yùn)動(dòng)距離等，解體后的物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)轉(zhuǎn)化成泥石流、碎屑流等滑坡次生災(zāi)害，因此摸清滑坡解體的規(guī)律，能夠提高預(yù)測(cè)滑坡致災(zāi)范圍的準(zhǔn)確性。

4 展望

滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析一直是滑坡研究的難點(diǎn)，這是由于滑坡土各種各樣，滑坡發(fā)生地條件多種多樣，這使得不同滑坡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出不同的特性。通過(guò)分析和實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使得滑體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)不同的原因有內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素就是滑體本身的性質(zhì)，主要有：土的種類(lèi)、粒徑大小、應(yīng)力狀態(tài)等；外部因素主要是場(chǎng)地條件相關(guān)的因素，如滑動(dòng)面的情況、滑動(dòng)路徑等。

由前述可知：滑體的解體對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、致災(zāi)范圍及程度的預(yù)測(cè)、滑坡次生災(zāi)害的引發(fā)有影響。而目前相關(guān)研究很少，因此希望加強(qiáng)對(duì)滑體解體的基礎(chǔ)性研究，為此類(lèi)災(zāi)害的預(yù)報(bào)及針對(duì)性的治理提供依據(jù)?；w運(yùn)動(dòng)解體在動(dòng)力學(xué)上可解釋為：滑體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于組成滑體的各部分形成了速度差異而使滑體產(chǎn)生了相應(yīng)的“解體力”，當(dāng)這些部分之間的強(qiáng)度不足以抵抗“解體力”時(shí)，整體就會(huì)分解成若干部分。解體在滑體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一直發(fā)生，直至運(yùn)動(dòng)停止。不同運(yùn)動(dòng)階段滑體解體的程度不同。通過(guò)前期的研究可確定今后研究滑體解體的內(nèi)容及可行的方法。

在研究?jī)?nèi)容方面，滑坡的解體是在滑體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的，而之前相關(guān)的研究多沒(méi)有考慮此現(xiàn)象。因此，在研究滑坡運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)可以將滑坡的解體現(xiàn)象考慮進(jìn)去，這樣在模擬滑坡過(guò)程時(shí)可以對(duì)滑坡的解體狀態(tài)進(jìn)行研究。通過(guò)改變內(nèi)外部因素對(duì)解體的規(guī)律進(jìn)行探討，得出不同條件下滑體解體的規(guī)律，為預(yù)測(cè)滑體是否會(huì)發(fā)生解體及預(yù)測(cè)解體的方式提供依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比不同的影響因素，研究多因素耦合下的滑坡解體規(guī)律，確定影響滑體解體的主要因素。在研究方法方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬在巖土工程研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，以PFC顆粒流為代表的離散元數(shù)值模擬軟件能夠很好的模擬土大變形、運(yùn)動(dòng)中不連續(xù)可分離的特點(diǎn)，此可以利用此數(shù)值模擬軟件PFC對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)改變邊界條件、滑體材料的性質(zhì)等對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。物理模型試驗(yàn)也是研究滑坡問(wèn)題的重要手段，通過(guò)模型試驗(yàn)既可以對(duì)滑坡的原型進(jìn)行模擬，也可以根據(jù)需要調(diào)整至自己想要的條件進(jìn)行模擬。對(duì)比數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩種方法可以對(duì)滑體運(yùn)動(dòng)解體問(wèn)題進(jìn)行綜合對(duì)比分析，得到合理的滑體運(yùn)動(dòng)解體因素及規(guī)律。

5 小結(jié)

對(duì)滑體的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程及滑體運(yùn)動(dòng)解體的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述并對(duì)滑體解體的研究方向及可行的研究手段進(jìn)行了展望。滑體解體現(xiàn)象很常見(jiàn)但缺乏研究者的關(guān)注，系統(tǒng)化的研究成果很少，在滑體運(yùn)動(dòng)解體對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響及滑坡災(zāi)害的預(yù)測(cè)及防治方面需要研究的問(wèn)題還很多。

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

The Review of the Deformation and Disintegration During the Land-slide Process

ZHOU Hai-qing1a,1b,PENG Guo-yuan1a,1b，ZHOU Shu-ling2

(1.a.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection;b.Department of Civil Engineering, Logistical Engineering of University, Chongqing 401311, China;2.Beijing CanBao Institude of Architectural Design, Beijing 100085, China)

This paper summarizes the research process which is focus on the whole landslide process,the deformation and the disintegration.Besides,the paper also made preliminary discussion about the mechanism of the disintegration.The summarization points out new direction and new analysis points for further research about the deformation and disintegration in the landslide process.

landslide process；disintegration in landslide；review

2016-09-17；

2016-10-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272356)

周海清(1971—)，男，博士，教授，主要從事防災(zāi)減災(zāi)工程研究。

10.11809/scbgxb2017.02.040

周海清，彭國(guó)園，周淑玲.滑坡運(yùn)動(dòng)中滑體變形解體研究綜述[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(2):182-185.

format:ZHOU Hai-qing,PENG Guo-yuan,ZHOU Shu-ling.The Review of the Deformation and Disintegration During the Land-slide Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):182-185.

TU45

A

2096-2304(2017)02-0182-04