孔隙水压力在滑坡泥石流起动和运动中的作用

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1、doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2014.05.(X)3孔隙水压力在滑坡泥石流起动和运动中的作用*周公旦副研究员，屮国科学院山地灾害和地表过程重点实验室，屮国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041*国家自然科学基金(41201012)资助关键词孔隙水压力；滑坡；泥石流摘要自然界重要的山地灾害一滑坡、泥石流都是由大量的颗粒物质和颗粒间孔隙水所构成的多相介质。颗粒间孔隙水压力的发展和消散直接影响颗粒间的作用，是导致边坡失稳、土体滑动、泥石流流动性加强的重要因素。全面综述孔隙水压力的定义和测试

2、方法，孔隙水压力的发展、消散过程，以及颗粒间有效应力的变化，以期进一步明确孔隙水压力对滑坡、泥石流起动和运动的重要性。滑坡、泥石流是世界范围内广泛存在的地质现彖，它们都是由大量固体颗粒和颗粒间孔隙水(非饱和情况还包括部分孔隙气体)所组成的多相介质。现阶段，人们一般认为边坡内部固体颗粒间的相互咬合作用的弱化是导致颗粒间明切滑移，以及由此进一步发展贯通所导致的大规模滑坡现象的关键因素。滑坡产生的大量松散固体物质和沟道洪水一起受重力的驱动很容易充分地掺混，且能在沟谷中或者坡地上快速地流动，形成高速远程的泥石流。颗粒间的摩擦、碰撞是影响

3、泥石流流动性的关键因素。由此可见，颗粒间的作用对滑坡、泥石流的形成和运动非常重要。对于多相介质而言，固体颗粒间的作用完全受制于颗粒间孔隙水的影响，其中尤以孔隙水压力(porewaterpressure)为第一要素。本文系统地介绍孔隙水压力的基本概念，全面冋顾人们认识孔隙水压力的发展和消散对滑坡产生重要影响的过程，进而分析孔隙水压力对泥石流流动性的影响，以期能够帮助人们认识常见的山地灾害一一滑坡、泥石流的自然规律。1孔隙水压力在土力学中的定义和作用有效应力(effectivestress)是现今被广泛接受的可用于描述土体力学行为的

4、基本概念，亦是现代土力学中最重要的力学概念。追溯现代土力学的发展历史，我们可以发现，Terzaghi在1920年左右率先提出了“有效应力”概念的雏形川，并且于1936年第一届国际土力学与基础会议(FirstIntemationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering)上进一步做了较为全面的阐述⑵。自此Terzaghi一举奠定了现代土力学的基础，同时也被尊称为“土力学之父”。Terzaghi解释道，土体中某一断面上任意一点的应力状态可以由作用于其上的三个主应力Si、S2

5、和S3(总应力)计算而得。对于土颗粒间孔隙由水所填充的饱和土，三个主应力可进一步分解为两个部分：其一，由孔隙间水承担的各向同性的孔隙水压力如另外则是由土颗粒间相互咬合所组成的颗粒体系所承担的应力。其三个主应力分别为S1'=S1-UV,S2‘=S2—U、v,S^r=S^-Uw(1)这部分直接由颗粒体系所承受的作用力(s/、s2Sj)，在土力学中称之为“有效应力”。由于孔隙水本身的压缩模量很大(--般可认为水这种流体是不可压缩的)，因此孔隙水受力而导致的变形量很小。这种微小的变形不会进一步影响到土颗粒体系结构的重新排布、受力变形

6、和破坏。同时，土颗粒体系中各个不同形状的颗粒亦可以被认为是本身不可压缩的，并且土颗粒和孔隙水的相互接触也可认为是完全光滑的。由此可知，土体本身的受力和变形只同其内部有效应力(s/、S2‘和S3’)的改变相关,尽管这些有效应力严格意义上只能算是假想量(deducedquantity),而不是真正的物理量，没有办法通过仪器直接测量。但显然，根据式(1)的解释，对土体的木构关系(stress-strainrelationship)>强度(strength)以及稳定性(stability)等的研究可以从分析土体外部受力状况(即总应力S2

7、‘和S3')和土体内部的颗粒间孔隙水压力％开始。在实际的岩土工程中，土体孔隙水压力％的计算往往会遇到以下儿类情况：(1)静止水压力土颗粒之间的孔隙完全由水充满，并且整个颗粒体系和孔隙水都保持平衡状态，孔隙水在土体内部没有流动的状况。此时的孔隙水压力完全等同于由水自身重力所引起的位置水头(elevationhead)。(2)动水压力土颗粒之间的孔隙完全由水充满，并且整个颗粒体系保持平衡状态(土体没有变形)，但是孔隙水在土体内部有恒定流动(steadyflow)的状况(图1)。任意地从图1试样土中选取上下相邻的两个点A和B,其两侧和

8、两支测压管相连。根据伯努利方程，且忽视孔隙水流动速度，可知A点孔隙水压力为%(A)=+(2)B点孔隙水压力为%B)=人(Z+吐+力+创)⑶则B点和A点的孔隙水压力的差值为Ww(B)-WW(A)+(4)式(4)包含两个部分：其一为A点和B点的位置水头的差值，即丫曲