砂性土边坡浅层滑溜的机理研究与防治

周凯敏

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

山区架空线路的砂性土边坡塔位边坡，若受到降雨的影响，经常发生坡体浅层滑溜事故，发生滑溜事故的塔位大多为近两年刚投产的或尚未完工的线路。施工单位在开挖铁塔基础基坑时为图方便，将施工弃土随意丢弃在铁塔的下边坡方向，在长时间降雨以及基面排水尚未完善的情况下，大股水流直接冲刷塔腿下边坡弃土，造成施工弃土带动边坡表层土一起向下滑动，滑动过程形成的强大动量，切削植被并冲毁树木。这种向下滑动的距离可以达到数十米甚至更远，形成类似流滑现象[1]。滑溜造成基础外露和保护土体流失，给线路的正常运行带来危害，必须采取相应的工程补救措施。然而，山区架空线路杆塔均地处偏远、交通不便，发生事故的塔位，后期的治理非常困难。本文主要从砂性土的土性角度入手，对由降雨诱发的山区架空线路坡体的浅层滑溜机理进行研究，并提出相应的防治和预警措施，以尽可能地消除或减轻滑溜造成的危害，保障线路的运行安全。

由降雨引起的边坡土体滑溜的启动机理很多种理论。Yang WM等[2]认为，土体滑溜主要产生在坡率大于40°，残积土厚度小于2m的斜坡上；在降雨前，土体处于非饱和土状态，由于基质吸力的作用，土体的抗剪强度比较高，坡体就处于稳定状态；降雨入渗使得残积土饱和软化，基质吸力、土体的粘聚力和内摩擦角不断降低；如果土体剪切强度大于抗剪强度这一临界状态时，土体将会向下滑动、分离，最后在重力和雨水携带下，形成流动下滑状态。Iverson等[3]认为，在滑溜时土体孔隙率对孔压上升有重要影响，伴随着剪切面上的颗粒重分布现象，孔压的快速升高使得土体有效应力降低，土体处于流态状，进而使得破坏土体产生较大的滑动距离。朱颖彦等[4]认为，当发生短时强暴雨时，上层堆积土的渗透系数较大，坡顶与坡脚形成较大的水力梯度，渗透力推动细颗粒向深度运移，在坡脚形成渗流出口，使得浅层土体最先发生重力剪切，进而引起失稳破坏。

综上可知，由降雨诱发土体滑溜现象受到很多因素影响，如地形地貌、土性因素、降雨强度、土水运动学特征、动力条件等方面，其启动机理复杂，由降雨诱发坡体浅层滑溜是一种复杂的土水相互作用过程[5]。

1 不同土性的滑溜试验现象

图1～图2为试验所采用的两种不同粒径土体在降雨作用下的破坏形态[5]，两种土体呈现出不同的土体破坏和滑动类型。平均粒径较大的中粗砂，主要发生从坡脚渗透破坏开始，向后逐级分层分块滑动破坏类型(retrogressive toe sliding)，呈渐进式破坏，如图2所示。而平均粒径较小的粉砂、细砂主要发生快速的流滑型破坏(flowslide failure)，即后部土体先发生流态化后推动前部土体快速下滑，如图3所示。

图1 塔位发生坡体浅层滑溜事故

(a)坡脚发生渗透破坏 (b)分层分块滑动破坏图2 渗透系数较大土体破坏模式[5]

(a)渗透压密过程 (b)流滑型破坏图3 渗透系数较小土体的破坏模式[5]

分析原因：渗透系数较大的土体(k≥3.0×10-2cm/s)[5]，降雨水体能够快速到达坡脚，使得坡脚先形成渗透破坏，而后上部土体因下部土体下滑失去支撑，并在内部水体渗透力和重力等作用下，造成自身土体分层分级破坏，并在水体的携带作用下发生流动，类似于牵引式滑溜。而对渗透系数较小(k<3.0×10-2cm/s)的土体，降雨水体来不及达到坡脚时，上部土体在水体渗透作用下，导致孔压升高，强度降低，土体呈流态化后推动前部土体一起快速向下滑动，类似于推移式滑溜，显然后者的突发性和破坏性更大。

2 滑溜的土水相互作用

降雨诱发型砂性土坡体浅层滑溜的机理主要表现在两个方面：一是降雨的外部动能作用；二是降雨入渗后土体内部产生的相关作用[6]。降雨的外部动能作用主要是指雨水下落时形成的径流冲刷作用，引起土体颗粒分散、搬运、迁移、局部沉积等现象，冲毁土体表面植被层，并在坡面形成错综复杂的冲蚀沟，改变土体结构，最终导致土体失稳，破坏后的土体随着雨水的径流而产生流动下滑。

降雨入渗在土体内部产生的相关作用，指的是雨水进入土体内部孔隙后，在土体内部发生复杂的土水化学、物理和渗透等土水相互作用，土水间的共同作用使得土体破坏和流动，并造成坡体的浅层滑溜。将降雨入渗后土水间的相互作用归纳如下：

(1)水土化学作用

降雨入渗后，在不同的土体内会产生不同的水土化学作用：包括溶解与沉淀、交换与吸附、氧化与还原以及水解、崩解、软化等作用，导致土体的孔隙率、固体颗粒的排列方式等细观结构发生变化，并产生土体的渗透、强度、变形指标变化的宏观表象，进而导致土体塌陷或失稳。

(2) 水土物理作用

水土物理作用，主要是指水体入渗到土体内，土体内部含水量增加，水体的存在导致土体性质改变，使得土体稳定性下降。从极限平衡理论角度来看，水土物理作用包括两个方面[7]：一是水体的入渗增加了土体本身的重量，导致土体产生较大的下滑力；二是土体含水量(饱和度)的增加，导致土体的物理力学性质产生变化，如土体的粘聚力和内摩擦角降低，进而引起抗滑强度的降低。

(3)渗透力学作用

渗透力学作用，是指水体在土体内产生的渗流静水压力与动力压力等，它对土体颗粒产生的不平衡力是导致土体运动，最终引起土体失稳下滑流动的原因[8]。

渗流作用在颗粒表面的力ff可分为两种：垂直于颗粒周界表面的水压力fp和颗粒表面相切的水流摩阻力ft，如图4所示。前者表现为流体的静水压力，当水体进入土体内部，饱和度逐渐增大，静水压力也随之升高，引起颗粒间的有效应力降低和土体的抗滑能力下降。后者表现为流体的动水压力，动水压力(渗透力)是颗粒产生运动的直接原因，它将导致土体的渗透破坏。一般为了计算方便，也可将渗流作用力ff分解为铅直向上分布的浮力fu与沿流线分布的渗透力fs，如图4(d)所示。渗透力是由土体内部不同位置间存在水头差(水力梯度)引起的，根据静力平衡推导出：

fs=-γwJ

(1)

式中：J为水力坡降；

γw为水体容重。

(a)静水压力 (b)动水压力

(c) 水体作用合力 (d) 作用力分解图4 渗流作用在单一颗粒上的力及分解

对砂性土边坡水体的渗流作用引起土体的渗透破坏，渗透破坏使得土体颗粒松动、脱离、运移甚至流失，进而引起土体失稳。渗透破坏与土性密切相关，不同的土体渗透系数导致不同的渗透作用和渗透机理，从而产生不同的破坏和下滑形态。

图5 滑溜的土水作用机理

综上所述，要弄清坡体浅层滑溜，就要弄清土水相互作用机理。降雨入渗引起坡体浅层滑溜的土水相互作用是一个极其复杂的过程，水土化学作用、水土物理作用以及渗透力学作用之间是相互影响、相互制约、相互转换、周而复始的，如图5所示。

3 土体滑溜启动机理分析

对渗透系数较大的土体启动机理，主要是水体的渗流作用引起土体的渗透破坏。水体在土体孔隙中流动，只有当流体产生的渗透力足够大，使得渗透力和其它下滑力大于抗滑力时，颗粒才会发生运动破坏，并引起土体骨架破坏。最后在持续降雨作用下，与流体一道形成粘滞性混合体后快速向下移动。

对渗透系数较小土体引起滑溜的启动机理：降雨入渗过程中，一方面，土体受到雨水渗透作用，基质吸力降低，当下渗力足够大时，颗粒开始克服骨架间作用力而发生错动、压密，宏观上表现为出现较大的表层沉降，并认为表层沉降是渗透压密和基质吸力降低造成的，如图6所示。另一方面，当土体渗透系数较低，当浸润面到达土岩交界面后，由于水体不能自由流出，导致水位面重新上升，并使砂土孔隙逐渐被水充满，此时下部土体近似认为处于饱和不排水状态。

图6 渗透压密示意图

土体的压密和饱和不排水特性，使得土体所受的超载由固体颗粒转移至孔隙水中，进而导致土体内部孔压上升，其中孔压上升表达式见式(2)。即在不排水条件下，由于固体和水体在低应力条件下的不可压缩性，土体在渗透压密过程中所受到的剪应力将转化为孔隙水压力；当孔隙水压力大到足够抵消颗粒间有效应力时，土体强度衰减直至丧失，并形成流态化性质，出现类似静力液化现象[9]。

式中：u0为初始孔隙水压力；

v0为初始固相体积百分比；

K为液相体积模量；

v为固相占总体积百分比；

v=Vs/V；

V为试样体积；

Vs为固相体积。

当土体发生渗透压密时，体积V减少，导致Δv增大。因为液相体积模量Kw很大(K=2.067GPa)，当Δv出现轻微变化，Δu的变化响应将非常灵敏，即当土体总体积出现细微减少时，孔隙水压力也有较大提升。

(a)流滑型破坏形成前

(b)流滑型破坏典型轮廓断面图7 流滑型破坏示意图

图7为渗透系数较小土体在降雨过程中形成滑溜现象示意图。降雨入渗过程中后部土体基本呈流态化(矩形区域)，土体强度基本丧失；而前部土体仍处于非饱和阶段(三角形区域)，呈现近固体物质状态，前部土体底部的摩阻力阻止后部土体下滑，持续的降雨，水体不断渗透到坡脚附近，使得前部土体的强度下降。当前部土体和底部土岩摩擦力，不能对后部土体提供足够支撑时，就会发生流滑破坏现象，宏观表现为后部土体推动前部土体以一个整体快速下滑。在下滑的过程中，土体的破坏形态轮廓发生变化，逐渐向典型类似于泥石流断面过渡型态。

上述说明，在特定土质环境和排水条件下，流滑破坏是降雨诱发山区架空输电线路坡体浅层溜坡的主要原因。

4 工程防治与预警

对架空输电线路降雨诱发坡体浅层滑溜的防灾减灾，要以防为主、防治并举的边坡滑溜的防治思路[10]。

4.1 防治措施

(1)对渗透系数较大的土体，水体能够快速入渗到土岩交界面和坡脚位置，不易在坡表层产生暂态饱和，当雨水渗透到坡脚时，只要渗透力足够大，就会使坡脚土体率先发生渗透破坏。因此，预防渗透系数较大的砂土发生滑动，除加强截水外，可考虑在土体内部，尤其是坡脚位置加强排水，降低水位达到降低渗透力的目的。具体可在土体内部设置土工合成材料或排水管。同时，要注重对坡脚土体的保护，如设置排水凌体和过滤网等，这样既可保证排水又可阻止土体流失。

(2)对于渗透系数较低的坡体，高强度降雨的入渗将产生渗透压密和孔压升高过程，并引起土体强度降低，土体呈流态性质，易发生浅层滑动。对于这类土质由于滑动深度较浅，建议加强截排水，并对坡面进行表面防护，防止水体进入坡体内部，防止因坡面冲蚀与表层滑动所造成的土体滑溜现象；同时也要注重配合整体的抗滑稳定措施与排水设施。

4.2 预警措施

(1)边坡土体发生浅层滑溜的破坏类型与降雨强度、降雨历时、土性、含水量、地形等有关，这些因素影响土体基质吸力场和孔压变化特性，影响滑溜破坏的类型和发生滑动的时间。因此，在土体合适的位置监测土中含水量(基质吸力)或孔压的变化规律，将有助于预测边坡滑溜破坏的时间与规模。

(2)发生滑溜时，无论在试验和现场均能观测到张拉裂缝，出现即将滑溜的土体与基础分离现象。因此，架空输电线路在运检过程中，尤其要注重对土体张拉裂缝的调查，特别是在强降雨过后的例行巡查，观察基础周围土体是否存在脱开现象。当出现上述险情时，应及时将裂缝夯实充填，并及时将基础周围土体卸载外运，防止灾害的发生。

5 结论

(1)由降雨诱发坡体浅层滑溜是一种复杂的土水相互作用过程，水土化学、物理以及渗透力学作用之间是相互影响、相互制约、相互转换、周而复始的。

(2)对于渗透系数较大的土体，主要发生从坡脚开始的分层块体滑动，渗透破坏是诱发滑动的主要机理。

(3)对于渗透系数较小的土体，降雨入渗将发生渗透压密、孔压上升过程，并最终导致流滑破坏。流滑破坏具有突发和破坏性强特点，这是架空线路坡体浅层滑溜的主要原因。

(4)对滑溜的土体要采取以防为主的思路，除了结合工程措施外，对渗透系数较大的土体，应采用排水措施；对渗透系数较小的土体，尽量采用防水措施，降低水对土体的影响。