降雨作用下庫區滑坡穩定性分析

靳 遠

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

隨著我國西部地區水利工程的建設日益增多，受人類工程活動及氣候變化等因素影響，在許多地區深切河谷地帶越來越多的滑坡堆積體逐漸增多[1]，尤其是滑坡出現產生的不利影響已經影響到工程的順利建設[2- 5]。

降雨與滑坡存在密切關系，國內外許多研究者針對降雨與滑坡的關系進行了探索研究，并取得許多優秀成果。Ma等[3]通過分析前期降雨誘發滑坡的規律，研究降雨與滑坡發生冪律和頻率間的關系。Hyuck等[4]基于GIS的概率方法分析了降雨條件下誘發淺層滑坡的機制。Lee等[5]針對臺灣地區降雨誘發滑坡的危險性進行了系統地評價，結果表明降雨是滑坡的主要誘發因素。Bernardie等[6]采用的統計-力學相結合的發展方法，分析隨降雨量變化條件下滑坡穩定性的變化規律。龍輝等[7]針對降雨條件下誘發滑坡，利用突變理論并考慮滑面介質的水致弱化和應變軟化性質，研究滑坡失穩的力學機制。吳火珍等[8]利用非飽和土力學方法，研究了降雨條件下誘發滑坡體的形成機制。張玉等[9]根據野外勘測，對降雨入滲機制和穩定性現狀開展了定性評價，揭示了入滲引起滑動變形的動態機制。徐建聰等[10]根據室內物理力學試驗和工程實測結果，針對降雨作用下誘發淺層滑坡存在的難處進行了分析。劉新喜等[11]開展了降雨條件下強風化軟巖高填方邊坡的穩定性研究。常金源等[12]基于Green-Ampt入滲模型，得出了降雨前有、無地下水位條件下的降雨持續時間與邊坡安全系數的關系式。張珍等[13]從日降雨量、滑坡發生的時間及暴雨的關系方面詳細分析了降雨誘發滑坡的形成機制。李汝成等[14]研究了針對降雨條件下泥巖-土混填路堤的穩定性。

目前，采用監測數據已成為分析滑坡的運動歷史、變形機制和穩定性評估的重要途徑[15- 18]。由于自動化GPS與其它監測系統相比具有實時、準確的優點，許多國家和地區已經采用GPS進行滑坡穩定性的研究。以甘肅省南部某庫區大型滑坡體為例，采用自動化GPS對其外部變形進行監測，結合詳細的現場調查和庫區詳細的降雨資料研究降雨條件下滑坡的破壞機理；同時結合實際滲流場，采用Geo-Slope分析了降雨條件下滑坡穩定性隨降雨時間的變化規律，對庫區滑坡防治具有一定的借鑒作用。

1 工程概況

滑坡位于洮河中游，屬典型的山地和河谷型地貌。區內下游干旱溫和，中、上游寒冷潮濕，年均降水量588.2mm，多集中在7—9月份，日最大降水量61.25mm。滑坡平面寬約400m，形態呈長舌形，滑體基座面上覆蓋有厚約30～73m的松散堆積層，坡度局部較陡，約為30°～40°，總體積為8.94×106m3。在平面上總體表現為后緣和中部稍寬、前緣逐步收斂的平面形態。根據勘察資料：滑坡堆積體主要物質可分為3層，如圖1所示，上層以大塊石為主，中層塊石和土體混雜，下層以黃土類土為主。地下水含水層厚度10～35m，埋深1～15m。

圖1 滑坡剖面圖

2 滑坡監測

采用GPS對滑體進行長期、實時監測，監測網布設方案如圖2所示。根據對滑坡的野外調查可知，滑體主要為中下部發生破壞，因此分析滑坡滑體中部代表性監測點的位移監測數據及降雨量結果如圖3所示。由圖3可知，監測點位移變化與降雨量分別表現為正相關關系。該庫岸滑坡存在3次快速滑動階段，而快速滑動階段均出現在雨季，尤其是2008年7—9月監測點位移增量最為明顯。整體上蓄水過程中，滑體位移變化受降雨影響較大，在蓄水初期滑體穩定性受降雨影響相對較小，蓄水中期滑體穩定性由于降雨的影響有較大程度降低，滑體出現了局部失穩；蓄水后期，降雨作用下滑體穩定性也有一定程度的削弱，但是相對蓄水中期較小。由此可知，蓄水中期滑體的穩定性受降雨影響較大，蓄水初期及后期受降雨影響相對較小。此外，據勘測資料顯示[17]：庫區滑坡頻次隨降雨量的增加而增加，尤其在庫區雨季時段，滑坡發生頻次達到最大，也即庫區滑坡發生頻次與庫區雨季相一致。

圖2 監測點布置圖

圖3

表1 暴雨和滑坡各月出現頻次及所占百分比[18]

結合萬縣、金沙江及涼山地區的滑坡災害調查資料(見表1)可知，庫區滑坡災害的發生與降雨有著密切關系，在時間上表現為一致性，例如萬縣地區5—9月份降雨量較大，金沙江地區6—9月份降雨量較大，涼山地區6—8月份降雨量較大，滑坡災害也主要發生在降雨較大的時間段內。降雨量最大的月份，滑坡頻次也相應最大，例如萬縣地區地區7月份降雨量最大，滑坡頻次也相應最大，占全年的滑坡比例約為45%。這與庫區調查結果分析得到的規律相符。

3 降雨入滲模式

降雨入滲的主要影響因素為地形地貌、巖土體的入滲性能及降雨持續時間等。降雨滲容量從坡表入滲至坡內孔隙中的運動過程可分為3個階段，見表2。

表2 邊坡降雨入滲過程

由于基巖裂隙水及大氣降水的補給，造成滑坡前緣地下水聚集，并逐漸向河流排泄；由于降雨及地下徑流的補給，滑體中部及后緣形成上層滯水，豐水季節以泉水的形式溢出地表。同時由于滑面以下基巖滲透性較差，可將滑面看作隔水邊界，降雨對滑坡的作用模式如圖4所示。結合圖4認為降雨作用下滑坡的滑動機制可概述為[18]：滑體物質的孔隙比大、結構松散的特點，為降雨入滲提供了有利條件；雨水通過滑體表面裂縫入滲，在不透水基巖面邊界上形成滯水，使滑帶土飽和，削弱了滑帶的力學性質；降雨入滲還使滑動面被水體浸泡，滑面以上部分虛壓力體大于實壓力體，滑坡下部被淹沒產生浮拖力，浸水土體的有效重量因孔隙水壓力發生改變，又由于降雨迅速入滲至裂縫，在滑體內產生裂隙水的劈裂作用，造成裂隙的加深及貫通，在以上共同作用下造成滑坡的發生。

圖4 降雨對堆積體的作用模式

4 數值模擬分析

4.1 計算理論

將總水頭h視為未知量，將達西定律代入連續性方程，當坐標軸與滲透主方向相同時，得出二維非飽和土非穩定滲流方程如下：

(1)

式中，kx、ky—x、y方向的滲透性函數；θw—體積含水率；γw—水的重度；t—時間；ψ—土的基質吸力。

土-水特征曲線為ψ與θw之間的關系曲線。因此，土體的滲透性函數、土-水特征曲線、初始條件及邊界條件被明確后，非穩態非飽和土滲流場就可以進一步得出。

4.2 計算模型

可以通過土-水特征曲線及其飽和滲透系數得到巖土體的滲透性函數[19]。計算中假定每種工況中的滲透系數相同，滲透系數取5×10-5cm/s，粘聚力為0.015MPa，內摩擦角為22.29°。干重度為15.0kN/m3，濕重度為16.2kN/m3，吸力內摩擦角11.0°，其中吸力內摩擦角可參照相關的經驗取值[19]。降雨強度以流量大小衡量，將坡體表面視為流量邊界，邊坡底邊及兩側作為不透水邊界。假設邊坡表面的孔隙氣壓力與大氣壓相等，在數值上孔隙水壓力等于基質吸力，計算模型如圖5所示。采用SEEP/W模式對非飽和非穩態滲流進行分析。首先在Geo-Slope軟件中采用Seep中的暫態滲流問題進行分析，得到降雨條件下的坡體內滲流場水頭分布，再將水頭值輸入到Slope中，在Slope模式下采用條分法計算邊坡的安全系數。為了將Seep中的水頭值導入Slope中，首先將Seep中的有限元網格引入Slope，在此網格下建立穩定性分析模型，其中，要根據實際邊坡的滑動面選定滑動面、確定土體條分數及方法，并且在潛在滑動面上確定土條之間的底面中心點及其所在單元[20]。

圖5 滲流計算模型示意圖

按照給定的邊界條件，分5個時間步長模擬降雨作用下邊坡內的瞬態滲流場，降雨時長分別為2、4、6、8、10h。為研究降雨速度(單位時間內降雨量)與庫岸滑坡穩定性的關系，以5種不同工況為例：降雨速度0.5、1、2、3、4mm/h，其中降雨速度2mm/h以上相當于暴雨的降雨速度。初始地下水位情形與計算的初始狀態相對應。應用Janbu法(非飽和土邊坡穩定性計算方法)，對不同降雨持續時間滑體的穩定性進行計算。由于滑體沿基巖接觸面滑動，屬于折線滑動，采用折線滑動法對滑體進行計算，其計算結果如圖6所示。

圖6 安全系數與降雨持續時間關系

4.3 計算結果

由圖6可知，降雨速度、降雨時間與庫岸滑坡的安全系數存在密切關系。降雨速度小于2mm/h時，滑體的安全系數隨降雨時間的持續均大于1.0，滑體不會發生失穩；降雨速度大于2mm/h時，隨降雨時間的持續滑體的安全系數將小于1.0，滑體將發生局部失穩破壞；并且隨著降雨速度的增加，滑體安全系數小于1.0所需降雨時間越少，也即暴雨條件下降雨量越大，滑體失穩越快。在一定降雨速度條件下，滑體的安全系數隨降雨時間的增加而減小，但是安全系數不會持續減小，安全系數下降速率也在不斷較小，當安全系數達到最小值時，滑體將會發生失穩。也即隨著降雨時間的增加，滑體的安全系數變化趨勢表現為：快速減小-慢速減小-達到最小值后趨于穩定。因此，暴雨作用下庫岸滑坡容易發生失穩，應注意強降雨時滑體的穩定性變化，加強庫區滑坡監測。

5 庫區滑坡防治建議

(1)加強庫區重點滑坡監測

庫區降雨主要集中于7—9月份，在該時間段內滑坡發生頻次較大。針對庫區大型滑坡的防治應引起足夠重視，尤其是距離主壩較近的燕子坪滑坡更應引起重視。其次，距離居民居住區及公路附近的大型滑坡很具破壞力，對居民的人身及財產安全構成了較大威脅。針對這種大型滑坡，采用GPS位移監測與現場調查相結合的方法進行重點監測，對于具有失穩滑動趨勢的滑坡體應進行及時治理，來不及治理的滑坡應及時疏散附近居民，并且應告示附近及過往人員，以免造成人員傷亡。由于庫區內洮硯采石礦區的環境被破壞的程度不同，針對面積較大、破壞嚴重，對環境的恢復治理有較大難度，不僅需要嚴格加強庫區內硯石等開采管理，還迫切需要逐步進行山體復綠工程，緩解由于采石過度對周圍庫區地質環境產生的破壞。

(2)減少人類工程活動的影響

根據調查分析可知，庫區沿岸公路修建后發生的崩塌及滑坡災害較之前增加許多，主要集中發生在公路邊緣及距離公路不遠處。公路開挖造成不合理切坡、加載、填方使邊坡原有的應力分布狀態發生改變，導致斜坡更加容易產生變形。若庫區需要進行公路修建及其他工程建設時，應結合庫區具體的工程地質狀況，對該區域的工程建設等活動進行規范，不得進行無勘察評價的隨意削坡，對地質災害的發生從根源上進行預防。對于主壩等大型建筑物附近，由于公路等建設需要進行切坡，產生了較多的高邊坡，針對這種現象，工程建設部門應組織專家采取合理砌筑護坡等邊坡治理措施。

(3)針對庫區內危險性較大的滑坡進行及時治理，以燕子坪滑坡為例，治理方案如下：燕子坪滑坡的主要滑動及不穩定部位在滑體前緣及中部，合理設置抗滑樁，抗滑樁的位置影響滑坡位置和滑動面的形狀。一般情況下，抗滑樁位于斜坡中部時斜坡的安全系數最高，靠近兩端時斜坡的安全系數變化規律相同。樁位的變化也會引起斜坡滑動面的形態變化，當抗滑樁位于斜坡中下部時，滑動面為在樁頂或斜坡上部某位置越頂滑出；當抗滑樁位于斜坡上部時，滑動面沿樁前土體滑出[21]。

6 結論

降雨與庫區滑坡體失穩存在密切關系，庫區滑坡發生與降雨量的大小表現為正相關關系，并且在時間上表現為一致性。

庫區滑坡穩定性與降雨速度及降雨持時關系密切。滑體的安全系數隨降雨時間的增加而減小，但是安全系數不會持續減小，安全系數將會減小到某一穩定值，滑體將會發生失穩。

降雨入滲至坡內孔隙中的運動過程可分為浸潤階段、滲漏階段和滲透階段。大型滑體物質憑借孔隙比大、結構松散、透水性強的特點，為降雨入滲提供了有利條件，雨水通過滑體表面裂縫入滲，削弱了滑體的穩定性。針對降雨型滑坡提出相應的抗滑措施，為其它工程提供了借鑒。