降雨條件下某滑坡堆積體穩(wěn)定性研究

魏寶龍 徐衛(wèi)亞 王如賓

（1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學 巖土工程科學研究所，南京 210098）

滑坡指位于邊坡上的堆積體在重力作用下沿坡向發(fā)生整體或局部崩滑的運動形式及過程［1］.大量針對堆積體穩(wěn)定性的研究表明，降雨是促使其穩(wěn)定性降低的重要影響因素［2－4］.

考慮非飽和邊坡滲流的堆積體穩(wěn)定性研究顯示，由于降雨入滲、裂隙水補充導致的淺層土體含水率、地下水位線上升，基質(zhì)吸力減小（即孔隙水壓力增大），堆積體潛在滑動面的有效抗剪強度不斷減小直至堆積體破壞.暴雨條件下的邊坡穩(wěn)定性由多種因素控制，其中首先要考慮的是降雨強度和滲透參數(shù)，林鴻州等［4］采用模型試驗評價降雨特征對堆積體穩(wěn)定性的影響，最后選取雨強和總降雨量作為堆積體穩(wěn)定性雨量預(yù)警的基準參數(shù)；邱路陽等［5］關(guān)于路堤滑坡機制的研究中針對暴雨滲透參數(shù)的分析，得出滲流靠近原地面處易形成軟弱滑動面的結(jié)論，這從一個側(cè)面佐證了本文中堆積體易從古滑坡滑面處復(fù)活的推測.而巖土體物理力學參數(shù)的影響也不能忽視，謝守益等［6］提出水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要性，并得出結(jié)論：承壓水型堆積體易由暴雨誘發(fā)滑坡，而潛水型和層間水型的堆積體的失穩(wěn)則更傾向于久雨.

為了深入探究降雨誘發(fā)堆積體失穩(wěn)的機制，一些研究人員通過試驗分析、模型試驗等進行研究［7－9］，取得了很多成果.王偉等［4］通過對降雨影響下土坡內(nèi)測點的位移監(jiān)測，得出降雨條件下是土體損傷和土體微結(jié)構(gòu)能量耗散引發(fā)堆積體的蠕變，而土坡的滑移是瞬時發(fā)生的結(jié)論.堆積體穩(wěn)定性影響因素中降雨時間、雨型的研究中，國內(nèi)學者中張玉成等［10］以謝守益［6］的研究為基礎(chǔ)，進一步提出降雨誘發(fā)滑坡的機制中滑坡與降雨時間、頻次的關(guān)系；林孝松等［11］的對于雨型和滑坡關(guān)系的研究則僅針對籠統(tǒng)的暴雨型和久雨型降雨進行研究；而 Tung－Lin Tsai［12］進一步研究了四種雨型對邊坡的影響，發(fā)現(xiàn)在雨量、時間相同但是雨強線性減少的雨型對邊坡穩(wěn)定性影響最大；接著Arezoo Rahimi［13］研究發(fā)現(xiàn)，雨型對于低滲透的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響要更大.周創(chuàng)兵等［2］指出雨型、堆積體內(nèi)滲流場與應(yīng)力場耦合的有限元實現(xiàn)方法，是研究暴雨誘發(fā)滑坡的時間效應(yīng)和穩(wěn)定性評價方法的重要方面.

本文結(jié)合研究現(xiàn)狀，采用最可能導致本文研究的堆積體失穩(wěn)的降雨類型，對其引發(fā)堆積體失穩(wěn)的滲透、應(yīng)變變化規(guī)律、穩(wěn)定性變化趨勢進行分析，最后提出了治理這類滑坡災(zāi)害的一些建議.

1 非飽和滲流與孔壓應(yīng)力耦合理論

滑坡堆積體主要由塊、碎石夾粉質(zhì)粘土和碎裂巖體組成，滑帶土透水性強，為了研究降雨條件下該堆積體的破壞機制及治理方案，本文采用非穩(wěn)態(tài)非飽和滲流和孔壓應(yīng)力耦合方法來進行穩(wěn)定性計算.

因水位線會穿過部分潛在滑動面，該堆積體潛在滑動面會部分處于非飽和土區(qū)域.暴雨工況會引起堆積體地下水位上升、內(nèi)部孔隙水壓力增大，巖土體非飽和區(qū)趨于飽和.本文基于飽和、非飽和土的滲流理論，將其簡化為各向同性材料的飽和、非飽和問題，滲流控制方程為

式中，kx、ky代表x、y向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為施加的邊界流量；mw表示比水容量，即土－水特征曲線中孔隙水壓力的斜率；γw為水的重度；t為計算時間.方程顯示了同區(qū)域同時段流入、流出的總凈流量與體積含水率增量相同.

邊界條件需要滿足

1）流量邊界：

2）水頭邊界：

求解式（1）～（3），得到滲流計算的孔壓變化量后，相應(yīng)于孔壓改變的體積變化接著被計算，涉及到的耦合方程為

式中，［L］為耦合矩陣，Δd為增量位移，Δu表示孔壓增量.

2 工程概況及模型

2.1 工程概況

本文研究的堆積體緊鄰某水電站庫區(qū)，位于該庫區(qū)上游.水庫蓄水后，堆積體于2007年7月下旬出現(xiàn)裂縫.裂縫主要分布于堆積體西側(cè)后緣高程較高部位，沿一定方向發(fā)育，個別裂縫具一定規(guī)模，同時沿裂縫分布范圍還存在有房屋地面裂縫，木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋榫頭有拉脫等變形現(xiàn)象.

根據(jù)當?shù)貧庀笳举Y料顯示，該地區(qū)屬副熱帶季風氣候區(qū)，暖濕多雨，多年平均降雨量為1 280.5mm，最大1d降雨量為133.3mm，4～8月份降雨量較集中.

勘探成果表明，該工程地質(zhì)構(gòu)成從上到下可分為5層：粉質(zhì)粘土夾少量碎塊石（透水性較差，為相對隔水層，持水性相對較好）；中、強風化破碎巖塊夾粉質(zhì)粘土層（透水性良好但局部夾雜透水性差、持水性相對較好的粉質(zhì)粘土層）；碎裂巖體；含礫粉質(zhì)粘土層構(gòu)成的滑動帶（前緣透水性較好，滲透系數(shù)平均值在10－4cm／s≤K＜10－2cm／s之間，屬于中等透水等級；勘察報告顯示中后部透水性較差）；滑床（主要成分為變余凝灰質(zhì)砂巖、條帶狀凝灰質(zhì)粉砂質(zhì)板巖和灰色中厚層狀變余層凝灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖類）.

該堆積體歷史上經(jīng)多次削坡處理，堆積體面常有落塊現(xiàn)象.堆積體前緣巖體結(jié)構(gòu)與主剖面圖如圖1～2所示.

圖1 堆積體前緣巖體結(jié)構(gòu)

圖2 堆積體主剖面圖

2.2 計算參數(shù)的選取

Seep／W中滲透系數(shù)曲線、土－水特征曲線可分別由飽和體積含水率、土體的滲透系數(shù)實現(xiàn).因試驗條件受限，本文未測試土樣的土－水特征曲線，而是采用樣本函數(shù)方法進行估算.滲透系數(shù)方程則是根據(jù)滲透系數(shù)和土－水特征曲線、采用Fredlund法得出.滑坡體各層巖土體的土－水特征曲線和滲透性函數(shù)如圖3～4所示［14］.

圖3 各層土的土水特征曲線

由勘察人員提供的地質(zhì)條件、原狀土樣進行分析，得到滑坡堆積體各土層的物理力學性質(zhì)參數(shù).結(jié)果見表1.

圖4 各層土的滲透函數(shù)

表1 各土層物理力學性質(zhì)

2.3 計算剖面與邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場勘探成果，建立簡化的堆積體主滑剖面有限元模型，如圖5所示.圖中標出的推測滑弧與裂縫的位置，其中裂縫采用局部滲透性參數(shù)相對較大來進行模擬.A、B、C點分別為同一橫坐標下推測滑面附近點、堆積體中部點以及滑帶內(nèi)點.

圖5 堆積體有限元模型

本文針對實際工程，結(jié)合歷史最大降雨量，采用最不利的線性減少雨型，如圖6所示，并分析該雨型下的邊坡穩(wěn)定性.

圖6 雨型

2.4 計算方案

本文通過GeoStudio公司的Seep／W軟件首先得到降雨入滲下的邊坡滲流場，然后再把Seep／W中得到的水力邊界條件，代入到Sigma／W模塊中去求解耦合方程，最后Slope／W根據(jù)上一步的結(jié)果，采用基于有限元應(yīng)力的極限平衡安全系數(shù)分析法對邊坡的穩(wěn)定性進行評價［15］.

根據(jù)勘察時測得鉆孔地下水位，在軟件中繪出初始0水位線.假設(shè)堆積體表層土孔隙壓力為大氣壓，則基質(zhì)吸力在數(shù)值上等同于孔隙水壓力.模型邊界條件設(shè)定情況如下，上邊界：水位線以上為流量邊界，大小為降雨強度.水位線以下為定水頭邊界.右邊界：為模擬剖面后部山體對于水的補給，設(shè)其為水頭邊界.下邊界與左邊界：考慮為不透水邊界.

3 計算結(jié)果與滑坡機制分析

3.1 計算結(jié)果分析

3.1.1 天然工況下堆積體穩(wěn)定性

天然工況下邊坡穩(wěn)定性分析，考慮自動搜索的結(jié)果不滿足工程實際，以有限差分軟件Flac3d計算出的塑性區(qū)區(qū)域確定滑弧位置（如圖5所示），采用3.4節(jié)中提到的計算方案進行計算，計算參數(shù)見表1，計算得到的安全系數(shù)為1.041，安全儲備不足.

3.1.2 降雨邊坡穩(wěn)定性分析

在上述邊界條件下，采用Seep／W程序來模擬暴雨工況下堆積體瞬態(tài)滲流場，降雨過程分為72個步長，每步間隔1h.本文僅給出降雨36h時的堆積體孔隙水壓力和滲流場的分布情況，如圖7所示.孔壓力等值線即浸潤線，負孔隙水壓力大小表示基質(zhì)吸力的值.

圖7 降雨36h邊坡孔隙水壓力與滲流場分布圖

選取堆積體A、B、C點進行孔隙水壓力分析，結(jié)果如圖8所示.由圖可知，A、B、C點在降雨10h后，雖然降雨強度在不斷降低，但是孔隙水壓力均保持相對穩(wěn)定.其中A點孔隙水壓力逐漸上升接近于0，即土體已趨于飽和，而B、C點因土體中水流的運移，孔隙水壓力產(chǎn)生較小幅度的降低.

圖8 孔隙水壓力和降雨持續(xù)時間關(guān)系

由圖7～8的結(jié)果可知，在降雨初始階段，堆積體非飽和程度較高，降雨入滲較快，徑流沒有在坡體表面形成.隨著降雨的進行，堆積體表層飽和度的升高促使體內(nèi)滲流量增多.而隨著雨水入滲深度的漸趨穩(wěn)定，此深度以上土體基質(zhì)吸力趨近于0，接近飽和，也就意味著堆積體表面徑流開始出現(xiàn)；由圖7（b）可知，入滲影響深度之下的部分，因堆積體、滑帶后緣的透水性特征，在降雨條件下，36h時坡體內(nèi)的水流運移流線集中在裂縫和堆積體第二層土體區(qū)域，并由堆積體前緣排出，導致巖土體強度參數(shù)降低、內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱化，抗滑力降低，而坡體重度增加，即堆積體的下滑力增加，引發(fā)堆積體失穩(wěn)趨勢增加.

通過Sigma／W中有限元方法對堆積體進行應(yīng)力應(yīng)變分析，在72h降雨后，邊坡剪應(yīng)變的分布如圖9所示.結(jié)果顯示，隨著降雨的持續(xù)，堆積體表層土體隨著降雨影響深度內(nèi)含水率的增加而趨于飽和，上部坡體水分向塑性發(fā)展區(qū)運移，使指定滑面處孔壓增加，巖土體強度的降低，最終堆積體局部應(yīng)力集中.由圖可知，其最大應(yīng)變位于滑舌部位，而指定滑面附近的剪應(yīng)變也處于較高的范圍，進而引發(fā)邊坡的穩(wěn)定性降低.

圖9 降雨72h邊坡剪應(yīng)變分布

由3.4節(jié)提到的邊坡穩(wěn)定性計算方法，得到計算結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明暴雨對堆積體穩(wěn)定性的影響非常明顯.降雨影響下，堆積體安全系數(shù)持續(xù)降低.降雨開始時，堆積體安全系數(shù)略大于1.04，堆積體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；降雨初期，因雨強較大，雨水滲入裂縫后導致堆積體安全系數(shù)驟降，隨著降雨持續(xù)，堆積體安全系數(shù)降低到1.014左右，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，這主要是由于堆積體坡降較大，后緣滑帶位于淺層，后部滑體滲透性相對較大，雨水入滲后較快地積聚于堆積體前部，使滑帶土體軟化，滑弧處土體強度大幅降低，最后內(nèi)滯水經(jīng)由滑舌滲出坡體，產(chǎn)生動水壓力，導致堆積體穩(wěn)定性降低.

圖10 安全系數(shù)和降雨持時關(guān)系

3.2 滑坡機制分析及措施

堆積體坡腳的開挖，使堆積體坡度較大，為該堆積體穩(wěn)定性降低提供了條件；而從地質(zhì)勘探結(jié)果可知，該堆積體為古滑坡堆積體，存在古滑帶，并且結(jié)構(gòu)相對較松散，透水性較強，其后緣因在多種內(nèi)外因素影響下出現(xiàn)裂縫，為降雨提供了天然的入滲通道.降雨經(jīng)由由裂縫滲入后，堆積體物理力學參數(shù)很快弱化；同時降雨入滲與山體裂隙水共同作用，堆積體表面逐漸飽和形成徑流，體內(nèi)形成滲流，最后前緣內(nèi)滯水的滲透力，使堆積體局部變形，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài).

根據(jù)上述對降雨條件下堆積體穩(wěn)定性的分析，本文認為，降雨影響下的堆積體滲流場及坡表層徑流，極大地影響了堆積體的穩(wěn)定性，而庫岸邊坡可能發(fā)生變形破壞的模式主要為暴雨條件影響下的滑動破壞.初步估算，變形體方量大于1 000萬m3，一旦整體失穩(wěn)，可能出現(xiàn)堵江堰塞體，對周圍環(huán)境造成重大影響.

本文跟據(jù)當?shù)貙嶋H情況，提出以下建議：1）堆積體后緣出現(xiàn)的裂縫應(yīng)用透水性差的黏土材料填充并夯實，堵塞地表水沿裂縫的下滲通道.同時在周邊設(shè)置截水溝，減少地下水補給.2）根據(jù)該滑坡堆積體所處庫岸周圍環(huán)境、地質(zhì)條件，從堆積體穩(wěn)定計算和監(jiān)測資料分析，建議對該滑坡堆積體的不同高程設(shè)置排水洞和排水孔，以利疏干滑面（帶）地下水和部分基巖裂隙水，利于滑坡穩(wěn)定.3）加強對該滑坡堆積體的變形監(jiān)測工作，在排水主洞每隔一定距離設(shè)穿過滑面伸入滑坡體內(nèi)的支洞，進一步了解滑面形態(tài)和特征，同時在支洞滑面處設(shè)置變形觀測儀器，定時觀測滑面變形位移情況.特別是在雨季天氣變化條件下，應(yīng)加強對塌滑堆積體的變形監(jiān)測頻率.4）由于該滑坡堆積體變形破壞可能對庫區(qū)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，完成對滑坡堆積體的工程治理的同時，為避免處理工程受到影響，建議對該滑坡堆積體影響范圍內(nèi)的房屋實施搬遷處理.

模擬治理后堆積體排水洞布置如圖11所示，采用與3.1.2節(jié)提到的相同降雨雨型、穩(wěn)定性計算方案.為了與未排水情況進行對比，計算36h后堆積體孔隙水壓力和滲流場的分布情況如圖12所示.由圖12（a）可知，堆積體后緣表層的孔壓變化不大，而下部孔壓因滲流漏斗造成的流場改變，有略微變化.可以推測，排水洞附近的孔壓變化尤其劇烈.圖12（b）反映了滲流矢量聚集于排水洞處的情況，堆積體其他部分的滲流矢量相對較小，體現(xiàn)了排水洞的排水作用.排水后堆積體穩(wěn)定性計算后的結(jié)果如圖11所示，排水72h后的堆積體的安全系數(shù)升高到1.163，基本達到治理的目的.

圖11 排水后堆積體安全系數(shù)

圖12 排水后降雨36h邊坡孔隙水壓力與滲流場分布圖

4 結(jié) 論

本文以某庫岸邊坡堆積體為例，對其構(gòu)造特征進行分析，同時基于非飽和土力學理論，采用有限元方法對最危險的線性減少雨型的暴雨入滲作用的堆積體穩(wěn)定性進行了飽和－非飽和數(shù)值分析，為此類堆積體穩(wěn)定性的預(yù)測與治理提供參考.

1）暴雨工況下，對堆積體進行動態(tài)時效穩(wěn)定性分析后的結(jié)果顯示：首先暴雨導致堆積體土體非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力下降（孔隙水壓力升高），接著滲流于堆積體前緣產(chǎn)生滲透力，最后庫岸邊坡堆積體穩(wěn)定性降低.其中初始階段堆積體表層快速飽和，安全系數(shù)下降最快.

2）根據(jù)分析，得出堆積體可能的破壞模式：降雨后地表水通過縫隙入滲，導致土體強度降低，堆積體前部產(chǎn)生擠壓型剪切滑動面，在滲透水壓力作用下發(fā)生牽引式破壞.

3）采取兩個排水洞后堆積體穩(wěn)定性提高有限，考慮到一旦堆積體產(chǎn)生滑坡形成堰塞湖，將嚴重威脅到庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全，建議密切監(jiān)測滑坡堆積體變形情況，做好避險應(yīng)急預(yù)案.

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