1、1降水对滑坡发生的诱发机制1 概述滑坡是山区常见的自然灾害，因为我国所处的地质构造较为特殊，2/3 为山地，滑坡灾害的严重程度和分布广泛性在世界少有。诱发滑坡产生的因素很多，滑体失稳破坏与内在自身力学特性及外界触发因素密切相关，外界条件包括降雨、融雪、地下水渗透作用、火山喷发作用、地震作用及人类工程活动。很大部分滑体失稳是由降雨引起的，降雨入渗对边坡稳定性的影响程度受降雨强度、降雨持续时间、土体初始含水率以及饱和渗透系数等因素的影响。滑坡是山地与丘陵地带常见的突发性表生地质灾害，经常压埋村庄城市，摧毁工厂矿山，堵塞江河湖泊，破坏农田水库，还可能引发泥石流等次生灾害。长期以来，频繁发生的滑坡灾害
2、给人民生命财产和工农业生产建设带来了严重威胁和危害，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，严重制约着国民经济的发展和人民群众的正常生产生活。2 降雨作用大量的滑坡都发生在大雨、持续长降雨及特大暴雨之后，所以，降雨对于滑坡的发生是有很大影响的。水的作用主要表现为对岩土的软化、泥化作用、水的冲刷作用、静水压力和动水压力作用等。2.1 降雨入渗原理降雨入渗过程是指降水从地表进入非饱和带，又从非饱和带渗入饱和带的过程。如( 图1)所示，在积水前，降水全部被吸收到地下，随着降雨的持续，土壤层的含水率逐渐增加。在到达积水点后，降水强度大于非饱和土吸水强度，则降水量一部分转化为地表径流或积水，一部分入渗到地下，入
3、渗率由高到低，直至饱和土的导水率k，渗入到地下的水量又有两个去向：一部分水量储存在地下水面以上土层的孔隙中，超过土壤持水率部分的水量才渗入补给地下水，地面附近土壤所持水份部分以蒸发的方式直接转化为大气水。2图1 降雨入渗过程2.2 降雨量的一般规律图 2 降雨量分布一般规律的模拟图3 大气降水对黄土滑坡的诱发机制3.1 大气降水及地下水暴雨对坡体稳定性影响主要表现在：雨水通过黄土垂直和侧向渗透，坡体的空隙水压力增大、容重增加、基质吸力减小和产生击打力。分析发现，斜坡变形破坏与年降雨量的季节变化有明显对应相关，其活动强度与降雨量大小呈滞后的正相关关系。在黄土滑坡的形成条件中，地下水的活动为斜坡变
4、形破坏提供了十分重要的动力条件。地下水沿裂隙面下渗并常在沟底部溢出，改变了斜坡的水文地质条件，一方面增加了斜坡土体的重量，对不稳定土体产生静水3压力或动水压力及向上的浮托力；另一方面降低了斜坡体中软弱结构面的抗剪强度，并起着溶解、冲刷的作用，使不稳定土体和稳定土体之间的侧向摩擦力减小，降低了黄土斜坡土体的稳定性。3.2 降水对黄土滑坡的诱发机理滑坡机理研究是开展滑坡灾害预测预报和进行防治的基础，黄土滑坡的形成过程可分为以下几个过程：（1）蠕动拉裂阶段在自然和人为双重因素的影响下，斜坡部分土体的强度逐渐减弱，最终因抗剪强度小于剪切应力而发生变形，在自重作用下，坡体开始向临空方向蠕动，其后缘处于拉
5、应力状态。当拉应力超过后缘坡体的抗拉强度时，便产生拉裂，坡面表现为断续的拉张裂缝，为地表水的渗入提供了条件，导致蠕动变形加剧，拉裂向下逐渐加深。随着坡体的进一步蠕动，坡面上的拉张裂缝不断扩展、加长，坡体两侧也相继出现剪切裂缝，滑体的雏形基本形成。在铜川地区，大多数黄土滑坡处于蠕动一拉裂阶段，从其地貌上能够清晰地判断出滑坡的一般特征。如金华山矿风井后坡地带的黄土滑坡，其后壁已形成一个0.5m 高的半环形轮廓，目前处于孕育不稳定的状态；在铜川地区市委党校后坡和药王山吕祖庙等地段，也分布有大量的类似黄土滑坡。（2）滑动破坏阶段拉裂逐渐加深，待坡体的软弱带全面贯通后，坡体后缘段便以一定推力推动主滑段。
6、当此推力加上主滑段自重分力的复合作用，使主滑带面上的剪切力大于其自身的抗剪力时，坡体便开始整体向下滑动，前一级牵引着后一级，同时后一级滑体( 楔形体) 也推挤前一级滑体口。铜川地区地区黄土滑坡的主滑带面的产状平缓，倾角仅为612 ，与其内摩擦角相近；加之古地形的影响，起伏不平，坡体产生不同程度的解体。同时，后缘坡体由拉裂面构成的滑面倾角大，产生以垂直位移为主的位移；自后缘向下，滑面倾角逐渐减小，滑体的水平位移逐渐增大，垂直位移则逐渐减小。（3）逆掩压密阶段在滑体滑移的过程中，前缘坡体选择最能消除剪应力的面，以最易散能的方式不断挤出。由于前缘地形平缓，不具有明显的临空高度，所以大多数坡体选择坡内
7、缓倾的面，以逆掩形式，沿最小阻力的地带挤出，表现为地面隆胀、路面缩窄等破坏形式。其中，以川口黄土滑坡最为典型，其表部及前舌被黄土4覆盖，前舌一带出现地面鼓胀隆起变形，楼房及马路被堆挤破坏，古河道推移改道，由昔日的大河曲变成现在的小河曲。经历上述三个过程后，坡体在滑动面摩擦阻力的作用下，逐渐趋于稳定。滑动面附近的土体，由于压密，固结程度提高，整个滑坡的稳定性也有所提高。3.3 黄土滑坡实例分析（1）铜川地区黄土滑坡现状铜川地区位于陕北黄土高原与关中盆地的交接地带，地区地质灾害类型多、分布广。据2002年调查发现，整个地区现有滑坡175处，崩塌115处，地面塌陷22处，不稳定斜坡7处，地裂缝3条，
8、泥石流3条。其中，黄土滑坡尤为常见，危害大、致灾重，受自然和人为双重因素的影响和控制。由于地质环境、人口密度和人类工程活动等方面的差异，黄土滑坡的分布具有明显的地域特点，中等规模以下的黄土滑坡主要分布在黄土塬区，而基岩山区则多发育较大规模的黄土滑坡。这些黄土滑坡，在当地已造成巨大的经济损失，生态环境逐年恶化，严重影响了社会和经济的可持续发展。图3 铜川黄土滑坡（2）灾变机理分析分析发现，铜川地区绝大多数黄土滑坡之间，存在相互制约或叠加的链状关系，其发育、分布在时空上环环相扣、彼此影响；同时，与人类工程活动有着明显的成生关系，表现为灾害的分布范围与工程分布范围、发生时间与工程活动时间存在比较明显
9、的一致性和滞后同步性。这两种关系相互作用，共同决定着黄土滑坡的类型、规模、分布和发展趋势。54 降水引起水库水位变化对滑坡的诱发机制4.1 水库水位水库工程为完成不同时期不同任务和各种水文情况，需控制达到或允许消落的各种库水位称为水库特征水位。水库的规划设计，首先要合理确定各种库容和相应的库水位。具体讲，就是要根据河流的水文条件、坝址的地形地质条件和各用水部门的需水要求，通过调节计算，并从政治、技术、经济等方面进行全面的综合分析论证，来确定水库的各种特征水位及相应的库容值。这些特征水位和库容各有其特定的任务和作用，体现着水库利用和正常工作的各种特定要求。它们也是规划设计阶段确定主要水工建筑物的
10、尺寸（如坝高和溢洪道大小） ，估算工程投资、效益的基本依据。这些特征水位和相应的库容，通常有下列几种：图 4 水库特征水位（1）蓄水位水库在正常运用情况下，为满足兴利要求在开始供水时应蓄到的水位，称正常蓄水位，又称正常高水位、兴利水位，或设计蓄水位。它决定水库的规模、效益和调节方式，也在很大程度上决定水工建筑物的尺寸、型式和水库的淹没损失，是水库最重要的一项特征水位。当采用无闸门控制的泄洪建筑物时，它与泄洪堰顶高程相同;当采用有闸门控制的泄洪建筑物时，它是闸门关闭时允许长期维持的最高蓄水位，也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。正常蓄水位至6死水位之间的水库容积称为兴利库容，即以调节库容。用以调节
11、径流，提供水库的供水量。（2）死水位水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位，称死水位，又称设计低水位。死水位以下的库容称为死库容，也叫垫底库容。死库容的水量除遇到特殊的情况外(如特大干旱年)，它不直接用于调节径流。（3）限制水位水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，也是水库在汛期防洪运用时的起调水位，称防洪限制水位。防洪限制水位的拟定，关系到防洪和兴利的结合问题，要兼顾两方面的需要。如汛期内不同时段的洪水特征有明显差别时，可考虑分期采用不同的防洪限制水位。正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积称为重叠库容，也叫共用库容。此库容在汛期腾空，作为防洪库容或调洪库容的一部分。（4）高水位水库遇到下游
12、防护对象的设计标准洪水时，在坝前达到的最高水位，称防洪高水位。只有当水库承担下游防洪任务时，才需确定这一水位。此水位可采用相应下游防洪标准的各种典型洪水，按拟定的防洪调度方式，自防洪限制水位开始进行水库调洪计算求得。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。它用以控制洪水，满足水库下游防护对象的防洪要求。（5）洪水位水库遇到大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位，称设计洪水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高洪水位。也是挡水建筑物稳定计算的主要依据，可采用相应大坝设计标准的各种典型洪水，按拟定的调度方式，自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。它至防洪限制水位之间的水库容积称为拦洪
13、库容。4.2 水库水位变化诱发滑坡机制我国水力资源主要分布在西南地区的高山峡谷区。随着国家西部开发战略的逐步实施，未来几年内将陆续建成或已建成的三峡、溪洛渡、向家坝、小湾、紫平铺、洋房沟、乌冬德等大中型水库。这些水库的建设无疑会缓解我国的电力紧张局面，促进国民经济建设和社会发展。但水库建设的负面影响之一便是可能会诱发滑坡。水库库区一旦发生滑坡，除了能直接破坏建筑物，还会造成7水库淤积，减少水库的有效库容，此外，滑坡体高速滑入水库，造成巨大的涌浪，直接危及下游的大坝及人民生命财产安全。因此，水库诱发滑坡越来越成为目前国内外学者研究的焦点。4.3 水库库岸滑坡失稳实例虽然水库库岸滑坡具有相当大的危
14、害性，然而这一问题直到1963年瓦伊昂滑坡事件才引起工程界的足够重视，这次灾难造成2600人死亡。实际上，在1941至1953年间，美国大古力水库业已引发了大约500处岸坡失稳，造成耕地丧失和交通中断。1965至1969年在奥地利Gepatsch坝蓄水及水库运行初期，紧邻大坝的上游几处岸坡出现了十多米的变形。在俄罗斯及捷克近代沉积盆地进行的大坝工程都引发了一系列岸坡变形失稳事件。在加拿大及新西兰，这一问题使水利工程投资大幅提高。我国多数水库都曾发生过规模较大的滑坡（表1） 。塘岩光滑坡作为我国第一个规模最大的岩质库岸滑坡，下滑后，不仅淹没了下游施工基坑，冲毁了已建成的构筑物，造成巨大的经济损失
15、，还死亡40余人。后经国内专家学者研究发现，不利的地质结构面组合、不利的构造条件、软弱的岩性条件是滑坡发生的内因，雨水和库水位上升所引起的水文地质条件的变化和由水岩相互作用而引起的岩体强度的降低则是滑坡发生的诱发因素。1994年，世界上最大的水利工程项目三峡工程正式开工。据统计在其长达5927km的水库库岸线内，共分布有大小滑坡2500余处（表 2） ，各类变形体更是广泛分布，为此国家特别拨出了40亿元专款用于滑坡及库岸整治。表 1 国 内 早 期 水 库 库 岸 滑 坡 实 例名 称 所 在工 地地 点 变 形 破 坏 形 式苏 州崖 滑坡刘 家峡甘 肃黄 河结 晶 片 岩 倾 向 河 床
16、， 倾 角 204 0,1952年 即 发 现有 平 行 岸 坡 的 直 立 裂 缝 ， 且 逐 年 加 宽 ， 1957年 发生 滑 动 ， 垂 直 落 距 10m， 1968年 水 库 蓄 水 ， 滑 坡未 动 。 滑 坡 总 体 积 约 60104m3。公 牛石 滑坡黄 龙滩湖 北堵 河1974年 蓄 水 。 古 滑 坡 体 积 厚 26m， 体 积2001045 00104m3。 当 水 位 升 至 高 程 219m 时 ，在 滑 坡 214m 以 下 出 现 坍 滑 。马 头山 滑坡黄 龙滩湖 北堵 河1974年 蓄 水 ， 2a 后 ， 当 水 位 削 落 4.13m 时 ， 风
17、化破 碎 基 岩 及 上 覆 松 散 堆 积 物 沿 顺 坡 向 基 片 理 面 急 速滑 落 ， 体 积 40104m3。刺 桐溪 滑坡风 滩 湖 南阮 元1976年 蓄 水 ， 水 位 从 120m 升 至 160m 时 ， 坡 脚1/3被 淹 没 ， 顶 缘 拉 开 。 1977年 暴 雨 后 发 生 滑 动 ，体 积 161041 9104m3。8龟 石滑 坡龟 石 广 西富 川滑 坡 体 为 砂 页 岩 互 层 ， 倾 向 河 床 ， 倾 角 30。1960年 蓄 水 ， 水 位 抬 升 20m 后 ， 风 化 页 岩 砂 岩 顺层 面 滑 动 ， 体 积 135104m3。塘 岩光
18、 滑坡柘 溪 湖 南资 水细 砂 岩 夹 板 岩 ， 倾 向 河 床 ， 倾 角 344 2， 板 岩层 间 错 动 面 上 有 黏 土 充 填 ， 1961年 蓄 水 ， 连 续 8d降 雨 岩 体 沿 层 面 急 速 滑 动 ， 滑 体 总 厚 度203 5m， 总 体 积 165104m3,涌 浪 达 对 面 岸 浪 高21m,随 后 逐 渐 稳 定 。小 黄崖 滑坡乌 江渡贵 州乌 江由 巨 层 灰 岩 组 成 高 达 200m 的 陡 崖 ， 蓄 水 前 在 顶 缘即 出 现 裂 缝 。 1979年 蓄 水 后 ， 变 形 急 剧 增 长 ， 估计 不 稳 定 岩 体 体 积 701
19、041 00104m3。表2 三峡库区库岸滑坡实例名 称 地点变 形 破 坏 模 式名 山 滑坡丰都滑 体 主 要 由 第 四 系 残 、 坡 积 物 组 成 ， 滑 床 遂 宁 组 泥 岩 、 砂 质泥 岩 为 主 。 该 滑 体 自 70年 代 中 期 以 来 就 出 现 了 种 种 破 坏 迹象 ， 水 库 蓄 水 后 滑 体 变 形 加 剧 ， 蠕 滑 速 度 加 快 ， 局 部 区 段 出现 失 稳 。天 台 乡滑 坡天台滑 坡 主 要 发 生 在 侏 罗 系 遂 宁 组 红 层 中 ， 滑 动 倾 角 7。 水 库蓄 水 后 ， 坡 体 有 明 显 变 形 ， 2004年 ， 在
20、降 雨 作 用 下 发 生 滑动 。安 乐 寺滑 坡万县滑 坡 主 要 为 侏 罗 系 沙 溪 庙 组 砂 岩 ， 粉 砂 岩 等 ， 滑 床 为 粉 砂 岩夹 泥 岩 ， 倾 角 45 ， 体 积 约 2500万 m3。 水 库 蓄 水 后 ， 坡体 变 形 明 显 加 剧 。宝 塔 滑坡云阳滑 坡 主 要 由 第 四 系 残 、 坡 积 物 以 及 砂 、 泥 岩 组 成 ， 为 一 顺 层滑 坡 ， 岩 层 倾 角 为 152 0。 滑 体 约 7000万 m3。 1983年 由于 暴 雨 曾 出 现 了 拉 裂 缝 ， 从 此 水 库 蓄 水 以 及 暴 雨 作 用 下 变 形明 显
21、加 剧 。白 衣 庵滑 坡奉节滑 坡 主 要 发 育 在 三 叠 系 中 统 巴 东 组 灰 岩 ,泥 灰 岩 中 ， 岩 体 结构 较 松 散 。 滑 坡 体 积 约 3600万 m3， 自 水 库 蓄 水 后 ， 变 形 明显 加 剧 。白 鹤 坪滑 坡巫山主 要 第 四 系 崩 坡 积 物 ， 滑 床 为 二 叠 系 梁 山 组 灰 岩 、 泥 岩 ， 倾角 34， 为 顺 层 滑 坡 ， 体 积 约 300余 万 m3,自 水 库 蓄 水 后 ，出 现 明 显 滑 动 迹 象 。八 字 门滑 坡秭归主 要 第 四 系 崩 残 积 物 组 成 ， 滑 体 体 积 约 400万 m3,19
22、81年 坡体 层 出 现 拉 裂 缝 ， 水 库 蓄 水 后 ， 坡 体 变 形 明 显 加 剧 。4.4 库区边坡的特点库区边坡是在库区自然边坡的基础上形成的，当水库蓄水以后，原来处于临空状态的库区河谷边坡，其自然特点逐渐发生变化，首先是随着水库水位的上升，临空的河谷边坡自低而高逐渐被淹没于水下，改变了原来的边坡自然平9衡稳定状态；其次，随着库水的升高，边坡岩体的地下水位也相应抬高，由于边坡地下水位的变化，边坡岩体的物理化学性质也相应调整，再次，泄洪雾化现象成为库区边坡稳定性的一个重要影响因素，从雾化的降雨程度来看，部分库区的降雨强度能达到特大暴雨型，远远大于一般边坡所处地区的降雨量；最后，
23、水库修建后会诱发地震。虽然一般的水库诱发地震其震级较小，但由于其震源较浅，使得其烈度往往较高，对边坡稳定性影响较大。4.5 库区滑坡成因机制研究由此可见，水库库岸边坡除具有一般山地边坡的基本特征外，其特殊性在于水库蓄水及水库运营使滑坡所赋存的地质环境不断发生变化，主要表现如下几个方面： 水库蓄水以及强降雨后由于水岩相互作用而造成岩土体的强度软化效应和悬浮减重效应而可能改变滑坡体的稳定性态；库水位的骤然变化（升降）产生动水压力可能诱发滑坡体的变形与破坏；水库的蓄水可能会诱发地震，而地震可能触发滑坡的变形和破坏。为了对库岸边坡有更深的了解，国内外许多学者对库岸边坡的成因机制进行研究，并取得了诸多成
24、果。(1)在库水蓄水过程中以及强降雨时，库岸地带的水岩作用有多种形式（表3） ，但其中最重要的是软化、泥化、潜蚀，空隙水压力或悬浮减重，以及动水压力作用。软化、泥化的作用是显而易见的。对于天然状态下处于非饱和带的岩土体，蓄水后在浸泡条件下，松散黏性土强度降低归结于负孔隙压力（吸附力）的消失，砂性土强度降低归结于颗粒间润滑作用的增强，而岩石强度的降低则归结于颗粒间润滑作用的增强以及岩石矿物成分力学性质的降低。实验得出，黄土饱水后的C值只有干燥状态下的20%50%；一般黏性土饱和C值只有非饱和C 值的 40%60%；完整岩石在水的长期淹没下，坚硬结晶岩的强度降低10%以下，低强度的泥质岩类的强度降
25、低30%以上，有的达到40%50%；此外，通过实验还发现，岩（土）体在长期浸润条件下，内聚力降幅一般较大，对水的敏感性强，而内摩擦角相对降幅较小，对水的敏感性也小。例如塘岩光滑坡也是由于滑带土在库水的长期作用下使其物理力学参数显著降低而导致滑坡的发生；对台子上滑坡体进行分析发现，由于库水对坡体内部滑带的软化作用而使稳定性系数显著降低；而秭归县的千将坪滑坡则是在暴雨和库水位回升时发生的滑动。不过王士天曾指出，虽然在库水位上升过程中，软化、泥化始终起着降低库岸稳定性的重要作用，但值得注意的是：软化、泥化作用的效应具有一定的可逆性，即其降低岩土体强度的效应会随其含水情况的变化而增大或减10小悬浮减重
26、和动水压力对岸坡稳定性的影响，则是比较复杂的。岸坡部分淹没引起的浮力作用，当库水开始蓄水时，岸坡尤其对于处于水库两侧的滑坡体，其下部首先被淹没，淹没部分就会产生浮力作用，这种浮力作用抵抗滑坡体的重量，使得坡脚部分的有效重量减少，造成整个滑坡体的抵抗力变小、稳定性降低。特别是滑动面的下部比较平缓时，滑坡体淹没深度即使不多，但由于滑动面受到浮力作用的面积比较大，对坡体稳定性的影响也会相当大的。水库部位 作用类型 作用方式软化及泥化作用 提高土石的含水性而降低其强度的物理作用干缩湿涨与崩解 提高土石含水性而恶化其性质的物理作用渗透变形 水流带走土石中的细小颗粒而降低其承载力的物理作用冰冻膨胀作用 水
27、冻结成冰，产生体积膨胀而使裂隙劈裂的物理作用化学潜蚀与溶蚀 带走土中的可溶性成分，而恶化其工程性质的化学作用动水压力作用 水的渗流对土体施加一定推力的力学作用库岸及枢纽区岩土体空隙水压力效应 减小岩土体在破坏面上有效正应力而降低其强度的力学作用表 3 库 区 水 岩 作 用 的 类 型 及 方 式（2）水位骤降对坡体稳定性的影响（图5）越来越成为学者关注的焦点。琼斯等调查了Roosevelt湖附近地区19411953年发生的一些滑坡，结果发现，有30% 的滑坡发生在水位骤降时；而据中村浩一统计，在日本，大约60%的水库滑坡发生在库水位骤降时期。因此，水位骤降对坡体的稳定性产生重大影响。库内水位
28、骤降产生的坡体稳定性的降低主要是坡体内的渗透水压力。当水库水位长期保持在一个稳定水面后再急剧下降时，存在于库岸边坡中的地下水水位下降有一定的滞后，在这期间地下水位要高于水库蓄水前（自然条件下）的地下水位，此时在边坡中就产生渗透水压力即渗透体积力，且其方向是指向坡外的，这将造成边坡稳定性降低，容易诱发库岸滑坡。这种渗透水压力效应在松散介质中表现的并不十分明显，而在库岸边坡透水性小的时候，这种影响就十分明显。在这个方面国内外学者做了许多研究，取得了不少成果：通过红石包滑坡的研究表明，库水位下降对滑坡稳定性的影响受控于滑坡土的入渗能力和11滑坡结构形态；而通过对泄滩滑坡的模拟分析表明，库水水位下降时
29、，渗透压力指向坡外，并使坡体稳定性系数大幅降低。图5 水位骤降对坡体稳定性影响示意图（3）水库诱发地震是指在兴建水利水电工程中，由于水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生的地震。20世纪60年代以来，我国新丰江水库，赞比亚与津巴布韦界河上的卡里巴水库、希腊的克里马斯塔水库和印度的柯依那水库等都先后诱发了6级以上的上的地震。水库诱发地震不仅会破坏枢纽区的建筑物，还会对库区边坡的稳定性造成影响。地震动对边坡稳定性的影响表现为累积效应和触发效应。前者主要表现为地震动作用引起边坡岩土体塑性破坏和孔隙水压力累积上升等。后者主要表现为地震动作用诱发边坡的软弱层触变软化、砂层液化以及处于临界状态的边坡瞬间失稳等。从已有的认识来看，比较公认的看法是地震惯性力和孔隙水压力是导致边坡地震失稳的两大根本原因。由于水库库岸在蓄水后地下水位显著抬升，因此，在诱发地震的作用下水库边坡相较于一般山地边坡而言其其稳定性下降会更为明显。附录：资料收集：李彤 王辉 资料整理：刘长维 陆春映排版：王辉 刘长维图表制作：陆春映 李彤
