彭陽縣陳溝滑坡發育特征及形成機制研究

劉春虎+仲佳鑫

摘 要：通過對寧夏彭陽縣陳溝滑坡的區域環境和地質條件調查，結合滑坡工程地質特征及發育特征，分析了典型滑坡的地質成因機制。采用Geo-Studio軟件進行了滲流作用下的滑坡機理研究，并對暴雨誘發滑坡的過程進行了分析。研究結果表明：降雨自裂縫深入坡體，使土-巖接觸面抗剪強度降低，導致潛在滑面累進性破壞，在斜坡中形成貫通的滑動面時，斜坡發生整體滑動。

關鍵詞：發育特征；成因機制；形成機理

中圖分類號： P694 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-80-3

1 概述

彭陽縣地處寧南黃土丘陵區東部，地質環境條件脆弱，地質災害易發、頻發。近年來，隨著極端氣候增加，在強降雨條件下引發了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，尤以陳溝滑坡最為典型。本文以彭陽縣陳溝滑坡為例，探討彭陽縣暴雨條件下滲流作用對非飽和黃土斜坡穩定性的影響。

現場調查及相關地質資料表明，陳溝滑坡屬暴雨型黃土-基巖接觸面滑坡。分析研究其發育特征及形成機制對后期地質災害防治具有重要的指導作用，同時，暴雨型黃土-基巖接觸面滑坡在寧南山區較為普遍，研究成果可用于類似的理論分析參考。

2 工程地質背景

陳溝滑坡位于彭陽縣城陽鄉陳溝村黃土梁之上，屬茹河一級支溝的凸岸。滑坡平面形態呈“幾”字形，長約300m，寬500m，厚約40m，平面形態表現為半圓形，平面面積約150000m2，滑坡體體積約6000000m3，主滑方向為32°，滑體較為破碎。工程地質揭露，該滑坡為降雨誘發的老滑坡，發生時帶動北邊斜坡產生一條近1km的大裂縫。滑坡后緣梁上現有2戶居民，裂縫下方有3戶居民，溝底建有小型水庫，滑坡所處斜坡大多開發成為經濟林地。

滑坡區出露新近系甘河溝組（Ngn）紅色泥巖、中更新統黃土（Qp2）和晚更新統黃土（Qp3）。泥巖具隔水作用，遇水易軟化，滑坡后壁可見厚度約10m。中更新統黃土主要為風成粉塵堆積的棕黃色粉質粘土，出露厚度約25m，較致密，質地堅硬，次生垂直節理發育，穩定性差。晚更新統黃土為風成粉塵堆積的黃色粉土，出露厚度約20m，垂直節理發育，強度較弱，滲透性大。滑坡工程地質平、剖面見圖1。

3 滑坡形成機理分析

斜坡體坡面呈凹形，坡體呈簸箕狀，有利于地表水的匯集；斜坡體上的土質疏松，多孔，垂直節理發育。人類工程活動，如削坡、加載等作用，將原有的平衡狀態打破，使斜坡產生卸荷、拉張和風化裂隙。在黃土節理、卸荷與風化裂隙、落水洞、陷穴等發育部位，降雨沿空隙下滲甚至灌入，在相對隔水部位形成上層滯水或飽水帶，增大巖土體重力，甚至形成孔隙水壓力，降低巖土體強度，從而觸發黃土滑坡的發生；下伏泥巖具隔水性，使地下水向下運移受阻，匯集于其上土體中，引起上部潛水位抬高，土體處于飽水狀態，其泥巖遇水易軟化，形成滑床及滑動面；在降雨條件下，雨水沿裂縫下滲，一方面增大了土體的重力下滑力，另一方面雨水沿隔水層上部徑流，使上部土體飽水軟化，于下伏泥巖的接觸面形成滑床，最終導致滑坡體下滑。

4 非飽和土滲流計算理論與模型

非飽和土中的滲流符合達西定律。以總水頭h作為因變量，假定總應力保持不變，孔隙氣壓保持為恒定的大氣壓，忽略土骨架的變形。當滲透主應力方向與坐標軸一致時，二維滲流控制方程為：

式中，h為總水頭；kx、ky分別為x和y方向的滲透系數；Q為施加的邊界流量，γw為水的容重；mw=？墜θ/？墜uw，θ為體積含水率，uw為孔隙水壓力，mw即為土水特征曲線的斜率。因此，已知土體的土水特征曲線和滲透性函數，并給定邊界條件和初始條件，就可以得到非飽和土的暫態滲流場。本文中采用有限元方法計算非飽和土斜坡中的暫態滲流場。

非飽和土強度理論采用Fredlund提出的非飽和土抗剪強度公式：

？子ff=c′+（σf-ua）f tan？準′+（ua-uw）f tan？準b （2）

式中，τff為土的抗剪強度； c′，？準′分別為飽和土的有效粘聚力和有效內摩擦角；（σf-ua）f為破壞面上的凈法向應力；（ua-uw）f為破壞面上的基質吸力；？準b表示抗剪強度隨基質吸力而增加的速率，本文中假定？準b為常量。當土體接近飽和時，孔隙水壓力接近孔隙氣壓力，基質吸力趨于零，上式中的基質吸力項消失，從而變為飽和土。

采用SEEP/W有限元軟件對陳溝滑坡進行非穩態滲流分析，先模擬未發生滑動的殘坡積土斜坡，坡面無裂隙。有限元計算模型如圖2所示。

實際調查發現斜坡中無穩定的地下水位，模型使用的邊界條件如下：①斜坡坡面為流量邊界，流量大小為降雨強度，降雨強度采用固原地區百年一遇降雨強度105mm/d。②模型兩側黃土部分為零流量邊界。③模型兩側和底面泥巖部分為不透水邊界。

4.1 計算參數

計算參數包括土體的滲透性函數和土水特征曲線，以及巖土體的物理力學參數。土體的土水特征曲線和滲透性函數如圖3、圖4所示。巖土體的物理力學參數來自長安大學巖土工程重點實驗室（見表1），非飽和土的吸力抗剪強度部分由土水特征曲線在軟件中導入。

4.2 完整斜坡中雨水的滲流

根據上文給定的邊界條件，分12個時步對降雨作用下的殘坡積土斜坡暫態滲流場進行模擬，每2h為一步長。24h降雨條件下斜坡中孔隙水壓力分布，如圖5所示。各時步土體中孔隙水壓力隨深度的變化曲線如圖6所示。

由圖6中可以看出，雨水由斜坡坡面向下入滲，入滲深度有限，最大入滲深度約為8m。斜坡在初始狀態下，孔隙水壓力隨深度的增加而增大；當降雨發生時，隨著雨水的入滲，土體中孔隙水壓力逐漸增大，同時土體中基質吸力降低。到降雨12h時，土體中孔隙水壓力基本不再增加，認為此時雨水不再繼續入滲。

采用極限平衡法（Janbu法）分析降雨條件下黃土斜坡的穩定性，斜坡中滲流場由前文降雨過程中的暫態滲流場導入，斜坡穩定系數隨降雨時間的變化曲線如圖7所示。計算結果顯示，在降雨8h之后，斜坡穩定系數基本不再變化。說明在降雨8h之后，雨水的入滲量基本不再增加。

4.3 坡面有裂隙的斜坡中雨水的滲流

對于坡體表面存在裂隙的斜坡而言，雨水主要由坡體裂縫集中入滲。陳溝村滑坡在其后緣存在裂隙，模擬計算結果如圖8、圖9所示。由圖可以看出，雨水由滑坡后緣裂縫入滲后，在滑帶處聚集，在滑帶處形成一定范圍的飽和帶。滑帶土體中孔隙水壓力增大，基質吸力降低，致使滑帶土體的抗剪強度降低。

用極限平衡法（Janbu法）分析了降雨條件下黃土滑坡的穩定性，斜坡中滲流場由前文降雨過程中的暫態滲流場導入，斜坡穩定系數隨降雨時間的變化曲線如圖10所示。由計算結果可以看出，在降雨8h之后，斜坡穩定系數基本不再變化。說明在降雨8h之后，雨水的入滲量基本不再增加。

由前文的分析，可以得出以下結論：

①雨水在斜坡土體中的入滲深度是有限的。

②有裂隙的斜坡中雨水主要由斜坡裂隙集中入滲，使土-巖接觸面的土體抗剪強度降低。降雨會造成斜坡穩定性降低，一些處于臨界狀態的斜坡會在強降雨作用下發生滑坡。

③降雨達到一定時長，斜坡表層土體接近飽和，雨水不再入滲，轉為地表徑流；根據前分析，在百年一遇降雨強度（105mm/d）下，12h之內雨水在斜坡中的入滲達到極限值。因此，以24h降雨量作為地質災害臨界降雨量判據是可行的。

5 暴雨誘發黃土滑坡的過程分析

需要說明的是，數值計算中未能模擬降雨過后累進性破壞造成的土體抗剪強度降低，而實際調查中發現，滑坡發生的時間常常在強降雨的數天之后，說明這種作用對于斜坡的變形破壞有著顯著的影響。

對于完整斜坡而言，由于雨水入滲只發生在一定深度內，因此降雨對其穩定性的影響有限。對于存在裂隙的斜坡，雨水入滲會造成裂隙附近土-巖接觸面的土體抗剪強度降低，使裂隙附近土體發生局部破壞，形成初始的破裂面。最初的破壞所導致的應力集中會沿著斜坡中的軟弱帶逐漸向下坡方向發展，使局部破壞向下坡方向擴展，這種累進性破壞在斜坡中形成貫通的滑動面時，斜坡發生整體滑動。

6 結論

①陳溝滑坡的形成是由于不合理的人類工程活動加劇了卸荷、拉張和風化裂隙的形成，在降雨轉化為地下水的過程中與土-巖共同作用的結果。

②采用有限元軟件進行非穩態滲流分析，結果顯示：斜坡時前期隨著雨水的入滲，土體中孔隙水壓力逐漸增大，基質吸力降低，到一定程度，雨水不再繼續入滲。

③雨水入滲會造成裂隙附近土-巖接觸面的土體抗剪強度降低，形成初始的破裂面，進而使斜坡中的軟弱帶逐漸向下坡方向發展，當累進性破壞形成貫通的滑動面時，斜坡發生破壞。

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