基于地貌过程的三峡地质灾害防治策略

第五节　基于地貌过程的三峡地质灾害防治策略

滑坡是一种常见的且危害性极大的地质灾害，近年来，滑坡地质灾害在发生频率及所造成的损失方面呈明显增加的趋势（黄润秋，2007；殷坤龙等，2000）。目前，滑坡仍然是危害人类生命财产安全的一种主要灾害，滑坡治理也是治理灾害的重要任务。滑坡（边坡）治理首先要研究滑坡成因机制及滑坡稳定性。不同的研究者从诸如坡度、高程、岩性、坡型、水系、植被等多个方面对滑坡稳定性的影响进行了探索（李天斌等，1999；杨为民等，2007；赵信文等，2009；温铭生等，2006）。通过深入研究，多种滑坡成因机理也得以揭示。在这些研究的基础上，产生了多种边坡治理方法，主要有削方减载、排水、支挡结构、坡体内部加固等工程措施（罗丽娟等，2009）。然而，现行的多种滑坡治理方案依然存在如下两个方面的问题。

（1）把滑坡体看作是孤立的对象。目前，滑坡治理工程研究多集中在从滑坡剪出口到滑坡

后缘之间的滑坡体部分，而对这一部分以外与其有物质和能量交流的地貌单元考虑较少，更鲜有研究涉及这些地貌单元与滑坡体的相互作用过程及其在滑坡治理工程设计中的作用和效果。实际上，滑坡体自形成时开始，就从未停止过与周边的地貌单元的物质能量交换。一方面，滑坡体后缘会通过崩塌、小型滑坡、坡面流水侵蚀、土层蠕动等方式不断向滑坡体提供新的碎屑物质来源；大气降水、坡面汇流也不断向滑坡体提供新的水体。这两个部分都会使滑坡体的荷载增加。另一方面，滑坡体物质也通过滑坡体前缘剪出口向外排泄物质。但是，在滑坡治理时，许多支护工程却人为地阻断了滑坡体物质的外泄通道，使滑坡体的方量有增无减，或增多减少，支护工程承受的荷载逐渐增加，从而使挡墙、抗滑桩被破坏的危险性增加，最后可能导致支护工程寿命缩短。

（2）把滑坡体看成一个静止的对象。现行的许多滑坡治理方案以滑坡体当前状态为计算对象，不能反映滑坡体与相邻地貌单元物质能量交流过程。实际上，滑坡体自形成时开始，其物质的组成、方量等就一直处于动态的变化过程之中。这个变化的过程对滑坡治理工程的使用年限有较大的影响。

因此，滑坡治理工程要求对滑坡进行系统的研究，研究滑坡体的现状，也要研究滑坡体与周边地貌体的物质能量交换过程，要基于滑坡地貌系统来设计治理方案。

一、滑坡地貌系统的组成与特征

1.滑坡地貌系统的组成

滑坡是斜坡地貌过程的形式之一。按照斜坡地貌过程理论，滑坡地貌系统应该是由可直接与滑坡体进行能量和物质交换，并直接影响到滑坡稳定性的斜坡地貌单元所组成。滑坡系统由坡上、滑坡体及坡下三个子系统组成（图6-55）。从本质上来说，滑坡系统是一个受岩土体条件控制，并受地形、地貌、地下水、人类工程活动等多种因素影响而发展演化的非线性耗散动力系统（秦四清，2000；朱维申等，2000）。

2.滑坡地貌系统的特征及其在滑坡治理中的意义

滑坡地貌系统具有整体性、层次性、开放性和动态性的特点。

滑坡地貌系统的整体性决定一个滑坡地貌系统远比滑坡体本身复杂得多。三个子系统组成一个完整的滑坡地貌系统，从系统论的观点来看，系统整体性的内涵是指系统的功能并不是组成系统各子系统功能的简单叠加。因此，尽管三个子系统在物质及能量交流等方面各自具有较简单的过程，但三个子系统整合成的滑坡地貌系统在物质及能量流动方面则远比其子系统复杂。

滑坡地貌系统的层次性赋予三个子系统间平等的地位。就层次间的关系而言，同层次子系统之间存在的是“交流”关系，具有从属的上下级别的系统间则是“贡献”关系。由此可见，同属一个滑坡地貌系统的坡上、滑坡体及坡下这三个子系统间处于同级关系，三个子系统间在物质和能量上为一种交流关系，这种特性也就要求在滑坡治理工程中要将它们放在同等重要的地位加以考虑，三者缺一不可。

图6-55　滑坡地貌系统的组成

滑坡地貌系统的开放性要求建立和完善坡上子系统、滑坡体子系统及坡下子系统间物质交流渠道。显然，长期以来的滑坡治理工程割裂了三个子系统间的联系，使物质流动在三个子系统中缺乏通畅的交流通道，与系统的动态变化过程相冲突。

滑坡地貌系统的动态性要求建立长时段的滑坡观察时间序列。滑坡监测时间序列（如位移、应力等）反映了滑坡的原因量（环境与荷载等）作用下产生的效应量的动态演变，蕴藏着参与动态变化的其他全部变量的痕迹（秦四清，2000；朱维申等，2000）。由于各子系统频繁的物质能量交流过程会受到地形、气候及人类活动等因素的影响，处于一个动态的变化过程中，因此，滑坡治理工程的设计也应考虑到这个变化的过程。

综上所述，各种地形、地貌、地下水等因素的变化都会综合作用于整个滑坡地貌动力系统。现代非线性科学研究发现，动力系统在非线性的条件下可能会表现出一种非常特殊的性质，即系统对初始条件的敏感依赖性，也就是通常所说的混沌效应。如果系统具有这种性质，只要系统的初始条件有微小的变化，随着时间的推移，混沌运动将把初始条件的微小差异迅速放大（李端有等，2005）。正因为如此，滑坡地貌系统各子系统之间物质能量交流过程在滑坡治理研究中应得到更多的重视。

二、滑坡系统地貌过程

图6-56　滑坡系统地貌过程

滑坡系统是一个动态地貌过程，坡上子系统中物质不断加入到滑坡体中。当地面坡度大于45°时，一般以崩塌作用为主（大部分崩塌作用分布在大于60°的斜坡上，地形切割越强烈，高差越大，形成崩塌的可能性和能量也就越大）。随着地面坡度的减小，坡上子系统中的物质的进入方式逐渐演变为滑坡作用、面流洗刷及蠕动变形。在理想状况下，坡上子系统初始面为t₀，随着滑坡系统不断演化至t₁、t₂、t₃，地面坡度不断减小，坡上物质进入滑坡体的形式也逐渐由崩塌演化为以蠕动变形为主，此时坡上子系统与滑坡体逐渐趋于平衡。与此同时，滑坡体与坡下子系统之间也经历类似的物质与能量交换过程，由t₁逐渐演化至t₃（图6-56）。因此，滑坡体系统应为由坡上子系统、滑坡体子系统及坡下子系统所构成的一个整体，并且不同的子系统，即坡上子系统与滑坡体子系统、滑坡体子系统与坡下子系统之间存在着连续的物质和能量交换。

三、基于滑坡地貌系统的滑坡治理对策（一）基于滑坡地貌系统的滑坡治理原则

基于滑坡地貌系统的特征，我们提出以下滑坡治理的原则。

（1）整体性原则。滑坡地貌系统是一个不可分割的整体，滑坡治理应从长期以来的针对滑坡体的研究与治理转向对滑坡系统的研究与治理，将滑坡体子系统、坡上子系统和坡下子系统三者视为一个统一的整体进行稳定性评估和治理规划、设计和施工。

（2）平等性原则。由滑坡地貌系统特征分析可见，各子系统之间具有平等的重要性。这就要求我们改变以往只专注滑坡子系统的做法，在滑坡研究和治理中，要给予滑坡系统的三个子系统以同等的关注度。

（3）动态性原则。滑坡地貌系统是不断发展演化的，对滑坡的治理既要着眼于系统的现状，又要关注其演化历史，更要重视其发展趋势。要在对滑坡地貌系统地现状调查、历史分析、趋势预测的基础上制定治理的对策。特别要重视各子系统之间物质和能量交换的定量评价。

（4）开放性原则。滑坡地貌系统是一个开放的系统。在滑坡研究和治理中，还应将其置于更大的地质环境系统中去考虑。应充分关注可能引起系统稳定性变化的其他自然和人为因素，如河道演化、水位变化、构造活动性、气候变化以及人类活动等对滑坡系统的影响。

（二）基于滑坡系统地貌过程的滑坡治理对策

1.工程治理后滑坡系统地貌过程分析

图6-57　工程治理后地貌过程示意

现有的滑坡工程治理对策，其核心是提高抗滑力和减小下滑力。常采用的工程有改变滑坡应力平衡类、拉滑支挡工程类、滑坡锚固体系等（唐辉明，2008）。其中，挡土墙、抗滑桩、锚索等和表里排水工程的结合是最常用而有效的手段。但对工程治理后地貌过程进行分析（图6-57），挡土墙、抗滑桩等工程措施虽然提高了滑坡体抗滑力，却隔断了滑坡体子系统与坡下子系统之间的物质和能量流动，使滑坡体处于不断接受坡上子系统物质和能量的输入但不能有效地输出从而处于不断加载的状态。挡土墙的设计是基于滑坡体当前方量设计的，即使在建设时留有余地，随着坡上子系统物质的不断加载（从t₀到t₁），物质能量的累积，直至会超出挡土墙的承载能力，造成更大的破坏。

2.基于滑坡系统地貌过程的治理对策

基于上述滑坡系统的地貌过程分析，现就滑坡的治理对策谈几点看法。

（1）“疏堵结合，以疏为主”的治理对策。滑坡治理的目的是增强其稳定性，按照滑坡系统的地貌过程，治理的措施应该包含两个方面：一是“加固”，即通过抗滑桩、挡土墙等工程措施加固滑坡体，从滑坡系统的地貌过程（物质流）来说，这实际上是“堵”，是目前常用的方法；二是“减载”，即使滑坡体的物质不断外泄释放其能量，也就是“疏”，这种方法很少被采用。“疏”的结果不仅可给滑坡体子系统减载，使之趋于稳定，而且随着滑坡体子系统物质流入坡下子系统，也增加了滑坡体的稳定性。因此，从滑坡系统的地貌过程来看，“疏”应该是滑坡最治本、最有效的方法。为此，我们认为滑坡治理应坚持“疏堵结合，以疏为主”的治理方针。

（2）“着眼整体，分而治之”的治理对策。即着眼于这个滑坡系统，对三个子系统进行分别治理。如在采用当前常用的“加固”治理措施时，应从对滑坡体的治理，转向对滑坡系统的治理，对坡上子系统采取“护首（坡）”，对滑坡体子系统采取“固体”，对坡下子系统采取“保脚”。对那些大型的、复合型的滑坡体，也可采取分段或分级的“加固”措施。

3.基于滑坡系统地貌过程的抗滑墙设计的思考

抗滑挡土墙是滑坡防治中最常见的工程措施，如前文论述，抗滑挡土墙的修建应基于将滑坡体系统视为一个完整的动态地貌过程。

（1）关于抗滑挡土墙的工程设计。目前，抗滑挡土墙的工程设计是以滑坡体的现状工程地质条件为依据的。根据滑坡体系统的地貌过程，建议将坡上子系统的物质输入量（t/a）也考虑在内。这就需要对坡上子系统的风化剥蚀产生的物质流量进行调研。

（2）关于抗滑挡土墙的高度。由于滑坡系统是一个动态的地貌过程系统，来自坡上子系统的物质不断加入到滑坡体中，同时滑坡体中的物质不断外泄至坡下子系统。如果抗滑墙不破坏滑坡系统已有的地貌过程，就需要保证坡上子系统的物质能够及时外泄。当滑坡系统已处于平衡时，即W1＝W2，抗滑挡土墙的高度应与滑坡体表面一致（图6-58a），保证外来物质能及时外泄。当外来物质注入量大于滑坡体排泄量时，即W1＞W2，抗滑挡土墙的高度应低于滑坡体表面，且应与理论上滑坡系统演化至平衡状态时滑坡表面保持一致（图6-58b）。

图6-58　抗滑挡土墙的高度

（3）关于抗滑挡土墙的形状。基于前文论述，滑坡系统属于一种动态地貌过程，因此抗滑墙的修建也应该保证滑坡系统的动态平衡，抗滑墙的形状设计值得考虑。建议应考虑以下两个方面（图6-59）：一是抗滑墙顶部应为垛状，以保证滑坡体物质的及时外泄；二是抗滑墙墙体中间应布有孔隙，以保证滑坡体中水体的及时外泄。

图6-59　抗滑挡土墙的形状