降雨型堆積體滑坡滲流穩定性研究進展

徐衛亞，周偉杰，閆 龍

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

堆積體是指第四系堆積作用形成的地質體，是基巖、古垮塌體、古崩滑體、現代崩滑體和第四系沉積體等的組合體。堆積體廣泛分布于我國西南高山峻嶺之中，其結構松散，透水性強，在降雨影響下易發生地質災害。典型的滑坡堆積體主要為土與石的混合體，石塊形狀與尺寸各異，使堆積體往往有著復雜的地質結構特征，研究難度大。堆積體種類繁多，按形成原因可分為滑坡堆積體、坡積堆積體、崩塌堆積體、泥石流堆積體、沖擊堆積體、洪積堆積體、冰水堆積體、堰塞堆積體、混合堆積體等，其中滑坡堆積體比較常見，為前期滑坡堆積形成，在所有堆積體中占有不小的比例。根據王自高[1]的統計，近40年來我國西南地區發生的主要滑坡地質災害大多是由降雨造成，表明降雨是造成滑坡失穩的主要誘發因素。為了有效減少滑坡災害的發生，需要著重研究降雨型堆積體滑坡的降雨入滲特性、穩定性評價方法及失穩機理。本文主要綜述這三方面的研究進展，并對需進一步深入研究的內容作了展望，為揭示降雨型堆積體滑坡致災機理及防治對策提供科學支撐。

1 非飽和降雨入滲特性

飽和-非飽和降雨入滲是指降雨由堆積體淺層非飽和區滲入深層飽和區的過程，在降雨過程中，堆積體的滲透能力隨飽和度變化而不斷變化，因此對非飽和滲流入滲率的準確求解是得到非飽和降雨入滲特性的關鍵。目前的飽和-非飽和降雨入滲理論認為，降雨入滲率受堆積體滑坡的入滲能力和降雨強度影響。當降雨強度小于入滲能力時，入滲率為降雨強度；當降雨強度大于入滲能力時，將產生地表徑流和地下滲流，此時入滲率接近入滲能力。入滲能力的確定與巖土體結構及水文地質結構有關。圖1簡要描述了地下水入滲率隨時間變化的特征，圖中實線表示巖土體在一定的水頭作用下的入滲率的變化，虛線表示一定雨強施加過程中入滲率的變化情況，兩種入滲曲線的入滲率最終均下降至一個穩定值。

圖1 入滲率隨時間變化曲線

目前許多研究假定降雨強度恒小于入滲能力[2-3]，從而簡化邊界條件的處理。也有一部分學者在研究雨強較大的降雨時，考慮了雨強大于入滲能力的情況，這種情況可以分為兩類，一類是超滲坡面流，即降雨強度超出了土壤能夠入滲的最大限度，從而產生徑流；另一類是蓄滿坡面流，即土壤飽和后入滲能力降低而產生徑流[4]。早期的研究主要通過非飽和降雨入滲模型來描述降雨入滲的過程，如Horton等[5-6]提出了經驗性的降雨入滲模型，用于描述土體在降雨量不受限制時的入滲情況，但該模型不適用于常規的降雨條件。為了解決這個問題，Chu等[7-8]改進了降雨入滲模型，使之適用于降雨強度小于入滲率的情況。此外，Cho[9]在Green-Ampt模型的基礎上考慮了淺層不透水邊界，有效模擬了降雨在含有淺層不透水基巖的滑坡飽和區內的滲流。

研究非飽和降雨入滲特性常用的方法有人工降雨入滲試驗、數值解析法等。人工降雨試驗的優點是能夠準確獲得實際的入滲量與徑流量，得到更合理的規律。目前的人工降雨試驗可分為室外降雨試驗和室內降雨試驗。張燕青[10]根據室外降雨試驗結果，擬合出相應數值模型的邊界條件，利用該邊界條件進行不同條件下土坡滲流場的計算；朱偉等[11]認為入滲率主要受初始含水率和降雨強度的影響，并進行了室內降雨入滲土柱試驗，得到了不同降雨強度、初始含水率下土柱入滲率隨時間變化規律以及不同初始含水率、恒定水頭作用下的土柱入滲能力變化曲線，將入滲邊界控制模式分為3個階段：流量控制階段、交替控制階段以及水頭控制階段。

李寧等[4]在處理入滲問題時，假定坡面積水深度為0，即坡面的積水會很快沿著斜坡流走，但實際上當降雨持時較長時，如果不考慮積水深度的影響就會造成較大的誤差。因此許多學者研究了地表徑流與地下滲流的耦合問題，采用一定的算法將坡面流方程與地下水流動方程通過入滲率耦合起來。Woolhiser等[12]給出了緩坡條件下的地表水流動模型，為使該模型適用于陡坡，Yen等[13]將水深h在垂直方向的壓力水頭修正為hcosθ，提出陡坡情況下的地表水流動模型，如圖2所示，其控制方程可用式(1)(2)表示。

圖2 陡坡地表水流動模型

(1)

(2)

式中：t為時間；h為地表積水深度；u為斷面平均流速；θ為坡角；S0為底坡降；Sf為摩阻坡降；r為降雨強度；f為入滲率；g為重力加速度。

飽和-非飽和地下水流動方程可表述為

(3)

式中：H為土水勢；mw為土-水特征曲線斜率；ρw為水的密度；kx、ky分別為x、y方向的滲透系數。

徑流與滲流耦合就是將坡面流方程與地下水流動方程迭代計算的方法。利用徑流與滲流耦合方法，Kwok[14]進行了入滲量影響因素的敏感性分析，認為影響入滲量的最主要因素是飽和滲透系數；湯有光等[15]研究了地表徑流與地下滲流耦合作用對入滲的影響，提出了一種徑流-滲流耦合的迭代計算方法，通過耦合計算，發現當降雨強度越大時，地表徑流與滲流耦合對滲流場的影響越小，因此，滲流-徑流耦合適合在久雨條件下考慮；張培文等[16]使用迭代計算研究了坡面徑流與入滲的耦合問題，相比于前人的研究，張培文等的算法假定了地表飽和判斷的范圍，增加了收斂速度；童富果等[17]改進了耦合計算方法，避免了繁瑣的迭代計算，計算效率更高。

對堆積體滑坡這種高滲透性、結構松散的地質體，穩定性研究必須著重考慮其滲流特性。目前對非飽和降雨入滲的研究仍有兩方面值得商榷，一方面，將降雨大多簡化為連續型降雨，未能考慮降雨在時間與空間的不連續性，這樣簡化是否符合實際需要進一步研究；另一方面，堆積體滑坡的入滲率計算采用土質邊坡的計算模型是否合理也尚無定論，且計算入滲率時將流量邊界轉換為水頭邊界的臨界點簡單定為坡體飽和尚有缺陷，這導致計算結果往往與試驗結果有一定的誤差。

2 堆積體滑坡穩定性評價方法

堆積體滑坡不同于普通的斜坡，結構上通常存在古滑帶，組成復雜，很難準確判別其穩定性。目前對堆積體滑坡穩定性的分析方法依舊采用常規邊坡穩定性的分析方法，主要有極限平衡法、有限元法、離散元法、有限差分法等。極限平衡法原理簡單，物理意義明確，通過安全系數評價滑坡穩定性，是比較常用的穩定性分析方法。有限元法在堆積體穩定性分析中運用廣泛，通常是通過應力場、位移場、塑性區等特征來評價滑坡的穩定性。

Chen等[18]使用經典極限平衡法與有限元數值方法對降雨誘發滑坡機理進行了研究，計算結果顯示兩種方法計算的危險滑面幾乎一致；劉俊新等[19]運用有限元法，建立了非飽和水-氣兩相流固耦合方程，對比了考慮流固耦合與不考慮流固耦合對滑坡穩定性影響的差異；張緒濤[20]基于Sarma法基本原理，提出了考慮地表入滲的巖體邊坡穩定性分析的方法——改進Sarma法，編制了相應的程序，該程序考慮了非飽和帶基質吸力對巖體抗剪強度的貢獻以及暫態附加水荷載對巖體邊坡穩定性的不利影響。徐晗等[21]基于有限元法建立了考慮水力滲透系數特征曲線和土-水特征曲線的流固耦合計算模型，基于ABAQUS進行二次開發，引入修正的摩爾庫倫破壞準則，進行了非飽和滲流場和應力場的耦合分析；蔣中明等[22]利用有限差分法，通過自編的Fish函數模擬了三維邊坡降雨入滲過程，彌補了FLAC在求解非飽和問題時的不足。

盡管極限平衡法與有限元法得到了廣泛應用，但兩者都有一定的局限性：極限平衡法雖然可以獲得滑坡的安全系數，但是無法研究滑坡的應力應變狀態，只能得到滑坡的整體穩定性情況；而有限元法基于巖土體本構關系，能夠反映滑坡的破壞機理，但無法直觀地評價滑坡的穩定性。

為了彌補兩者的局限性，極限平衡有限元法逐漸發展起來。近年來，國內外學者對極限平衡有限元法的研究日益完善。曾亞武等[23]將滑坡穩定性分析的有限元法和極限平衡法相結合，通過有限元法得到的應力場和位移場，利用應力張量變換求出條分底部應力，并由極限平衡法得到滑坡的安全系數；徐衛亞等[24]基于Dijkstra算法建立了滑坡穩定性極限平衡有限元分析方法，該方法計算得到的安全系數介于極限平衡法和強度折減法之間，危險滑動面位置與這兩種方法計算得到的危險滑動面位置基本一致。劉耀儒等[25]采用多重網格法，分別建立用于有限元計算的結構網格和用于計算滑面穩定安全系數的滑面網格，可以方便地獲得任意滑面的穩定安全系數，從而將有限元與極限平衡法結合起來。Liu等[26]提出了基于非線性有限元的極限平衡法，認為該方法不僅提高了有限元法精確模擬復雜地質構造的能力，而且提高了極限平衡法的適應性和全面性。

堆積體滑坡在滲流作用下會發生較大的變形，因此有必要研究滲流與堆積體的相互作用機制。目前對滑坡穩定性的流固耦合研究分為兩種，一種是單向流固耦合，一種是雙向流固耦合。

a. 單向流固耦合。在某些條件下，堆積體產生的變形是微小的，變形對滲透能力的影響可以忽略不計，這時可以只考慮滲流對變形的影響，而不考慮變形對滲流的影響，即所謂的單向流固耦合。GeoStudio軟件中的Seep-Sigma-Slope耦合計算是一種單向流固耦合計算方法，其首先計算出滲流場分布，再基于孔隙水壓力進行應力應變計算。魏寶龍等[27]采用此方法研究了某庫區堆積體滑坡在暴雨條件下的失穩機制，揭示了堆積體滑坡在降雨入滲作用下穩定性的變化過程。

b. 雙向流固耦合。雙向流固耦合同時考慮滲流對堆積體變形的影響以及堆積體變形對滲透特性的影響，在每一步迭代中，流體計算將孔隙水壓力傳遞到固體計算中，同時，固體計算將節點位移傳遞到流體計算中，從而在每一次迭代計算后更新滲流場與位移場的數值。流固耦合計算通常需要以下條件：流體平衡方程、動量守恒、相容方程、達西定理、毛細定律、流體本構方程以及力學本構方程。

劉俊新等[19-21]的研究表明，流固耦合對滑坡穩定性計算結果影響明顯；Cascini等[28]對比了極限平衡法、單向流固耦合法以及雙向流固耦合法對流動性滑坡穩定性的計算結果，認為雙向流固耦合法能夠研究滑坡在后繼屈服階段的特性。

有限元法與極限平衡法在堆積體滑坡穩定性的研究中運用較為廣泛，而極限平衡有限元法由于有效地彌補了有限元法與剛體極限平衡法的不足，使計算能在不脫離本構的條件下準確客觀地評價滑坡的安全程度，因而成為了滑坡穩定性研究方法中的一大熱點。特別地，降雨型堆積體滑坡穩定性分析中，水與堆積體的相互作用是不可忽視的，因此有學者將流固耦合法運用到堆積體滑坡的穩定性分析中。但由于地質條件的復雜性、完全耦合計算收斂困難等因素，大多數研究還是簡化了流固體的相互作用，因而在堆積體滑坡全耦合計算分析方面還需要進一步加強。

3 降雨誘發堆積體滑坡失穩機理

3.1 降雨型堆積體滑坡失穩的直接誘因

對降雨入滲下堆積體滲流穩定性這一熱點問題的研究，主要是從研究堆積體非飽和滲流開始的。在非飽和滲流影響下，堆積體滑坡的基質吸力降低、孔隙水壓力增加以及滑坡體重力荷載增加是降雨型堆積體滑坡失穩的直接誘因。許多學者研究了堆積體內部的孔壓、土壓、基質吸力及含水率等的變化規律，揭示了降雨條件下滑坡穩定性的演化機制。Lv等[29]基于非飽和滲流理論，利用數值模擬方法研究了煤巖質邊坡在滲流作用下的穩定性，發現高孔隙水應力會影響裂隙網絡，使裂縫增多，入滲速率加快，有效應力降低，進一步導致煤巖邊坡失穩；Oh等[30]認為非飽和滲流條件下的滑坡穩定性與土體的基質吸力、體積含水率密切相關；陳善雄等[31]認為飽和度影響基質吸力并進一步影響非飽和土坡的抗剪強度；李兆平等[32]基于非飽和滲流理論，構建了一維瞬態含水率模型，并依據非飽和抗剪強度公式，推算出與基質吸力相關的安全系數公式，并將其應用于工程實例中。

3.2 降雨型堆積體滑坡滲流穩定性的影響因素

降雨入滲對滑坡滲流場以及穩定性的影響是受多方面因素控制的，前期降雨、土體滲透系數、坡角、降雨雨型、降雨持時等都是主要的影響因素。其中，前期降雨影響了土體的初始飽和度，進而影響了滲流場；土體滲透系數影響了降雨入滲的速率，進而影響滲流場；坡角影響了坡體的受力方向和入滲率，進而影響滲流場與應力場；降雨雨型、持時等均直接影響滲流場變化。根據影響因素的類別可將其分為內在因素和外在因素，內在因素即堆積體滑坡的類型、結構、形態與性質等，外在因素即降雨強度、降雨持時、前期降雨等外界觸發因素。

3.2.1內在因素

降雨誘發堆積體滑坡滲流場與穩定性劣變的內在因素與滑坡的類型、結構、形態及滲透性能有關，且均能夠進一步影響堆積體滲透特性或力學狀態。其中，在坡體形態這一因素上，坡體厚度越大，降雨引起的位移越小[33]；坡角越大，降雨入滲越困難，徑流量越大，越不容易形成貫通滑裂面，但坡角越大，坡體越偏于凌空，這對穩定性是不利的[34]，因此，坡角對降雨作用下滑坡穩定性的影響不是單一的。對于雙層土而言，其滲透特性與單層土不同：在降雨初始階段，雙層土的滲透率呈現與單層土類似的規律，而在入滲率穩定階段，雙層土的入滲率決定于下層土的滲透性能[35]。Damiano[36]認為，坡體中的粗土層可能會在降雨初期將滲流限制在上覆細土層中，延緩入滲。因此，多層土坡的入滲率與濕潤鋒所到達的土層的滲透系數有關(一般而言，深度越深，滲透系數越小)，當濕潤鋒到達基巖表面時，濕潤鋒將很難下移，并形成平行于坡面的坡內流，此時，受動水壓力影響，滑坡的安全系數將會明顯降低。在滑坡結構這一因素上，王剛等[37]采用室內模型試驗方法研究了垂直節理對滑坡穩定性的影響，認為滑坡結構對穩定性影響較大且大于降雨形式的影響。Liu等[38]的研究認為邊坡內孔隙的變化對邊坡變形與破壞有很大的影響。此外，不同類型的滑坡受到降雨影響的機制也不同，如承壓水型滑坡容易在暴雨工況下發生失穩，而潛水型和層間水型滑坡更易在久雨工況下發生失穩[39]；滲透系數各向異性的土體相對于各向同性的土體受降雨的影響更大，隨著水平滲透系數與垂直滲透系數比值的增大，坡體的穩定性隨之降低[40]；壓實度大的坡體(如高填方路堤邊坡)由于滲透性能的降低而擁有更好的穩定性與強度[41]。

在影響堆積體滲透性能的眾多因素中，裂隙是至關重要的。降雨造成滑坡失穩，實際上是內部裂隙不斷擴展并形成貫通滑帶的過程。邱路陽等[42]認為，降雨滲入坡內后，滲流主要集中在淺表面，并使得淺表面處部分土體產生局部膨脹，裂隙增加，孔壓降低。當表層水滲入裂隙后，土體飽和度增加，孔壓回升。周而復始便使得土體出現軟化，裂隙進一步增長，滑面逐漸貫通。而另一方面，已有的裂縫對雨水的入滲速率有較大影響，研究表明，當降雨通過裂隙渠道入滲時會產生優勢流。在滑坡中，多數降雨的入滲深度不會很深，而裂隙的存在相當于給降雨的入滲提供了優先通道。這種優先通道是許多降雨型滑坡發生的主要原因[43-44]。劉禮領等[45]認為滑坡體上存在大量裂隙，裂隙的考慮與否將帶來完全不同的分析結果，考慮裂隙入滲時的計算結果與宏觀觀測結果更一致。考慮到裂隙這一因素對滑坡穩定性分析的重要性，王曉磊等[46]根據滑坡實際情況確定了裂隙布置方法，能夠體現裂隙的產生及發展。闕云等[47]研究了不同深度、寬度、位置的裂隙對降雨入滲滲流場的影響，結果表明，裂縫越深，降雨造成的飽和區就越大，滑坡穩定性越低。劉華磊等[48]研究了降雨條件下坡體裂縫的變化機理，發現降雨形成的表層橫向徑流，加之邊坡臨空條件影響，會導致微裂隙的形成，而微裂隙加劇了降雨入滲的速度，降雨入滲則又加劇了裂隙形成，最終在后緣處形成了貫通到軟弱面的縫隙，使降雨更容易到達軟弱面，導致滑坡的頻繁發生。

3.2.2觸發因素

降雨雨型、降雨強度等外在因素對于滑坡穩定性的影響也是不可忽視的，尤其是復雜的雨型往往會帶來復雜的滑坡滲流場變化，探索其影響機理也會有所困難。

降雨強度、降雨持時與滑坡發生的概率密切相關[49-50]。Chen等[51]分析了172次降雨引發山體滑坡的事件，發現大型滑坡通常是由于長時間中等強度的降雨造成的，而小型滑坡及淺層泥石流在不同的雨強-持時組合皆有可能發生，即降雨誘發滑坡存在暴雨誘發、久雨誘發等情況。謝守益等[52]分析了長江三峽地區兩起滑坡復活事件，根據滑坡的物質條件、結構條件以及環境條件等，發現雞扒子滑坡是典型的暴雨誘發滑坡，而新灘滑坡是典型的久雨誘發滑坡。林鴻州等[53]開展了土質邊坡失穩模型試驗，建議采用降雨強度和累計降雨量作為滑坡預警的參數，高強度降雨主要是產生坡面沖刷而影響穩定性，多造成表面流滑破壞；而累積降雨量較大的久雨型降雨則對滑坡深層的孔壓造成影響，一旦造成滑坡，極有可能是毀滅性的大滑坡。譚新等[54]研究了前期降雨對滑坡滲流場的影響，發現前期降雨對滲流場有較大的影響，且降雨對滲流場的影響具有滯后性。汪益敏等[55]通過現場調查分析，認為金湖泵站左岸邊坡穩定性的影響因素主要是巖性軟弱、降水總量大、排水設施不足等。張玉成等[56]認為降雨誘發滑坡的因素中，前期降雨、降雨類型、臨界降雨強度是主要的影響因素。林孝松等[57]從雨頻、降雨周期、持時、雨量、雨型等多方面研究了滑坡與降雨的關系，認為對降雨與滑坡關系的研究需要各學科合作來完成，從而使滑坡災害的研究更加系統化、綜合化。

基于以上分析可以發現，影響降雨條件下滑坡穩定性的因素比較多，這些因素大多對滑坡的滲流特性和受力狀態產生影響，進而劣化整體穩定性。而目前對于動態變化的復雜地形條件和水文條件作用下的穩定性研究還甚少，對堆積體滑坡的松散特性，結構的時空變化影響的考慮還不夠。因此，堆積體滑坡在降雨條件下穩定性變化機制有待通過進一步研究來揭示。

4 研究展望

a. 明確降雨型堆積體滑坡的地質結構特征。確定堆積體滑坡的地質結構特征是開展滲流穩定性評價的基礎。應加強野外現場工程地質特征的研究及原位動態監測，建立更為綜合的降雨型堆積體滑坡分類體系，明確降雨型堆積體滑坡的工程地質結構及水文地質結構特征，形成堆積體滑坡的基本地質結構模型。針對不同的滑坡類屬，根據滑坡的具體特征，建立具體全面的滑坡地質結構模型。

b. 深化滲流-地質結構-力學參數的互饋耦合作用機制研究。堆積體滑坡的降雨入滲是一個復雜的耦合過程，對滲流場、應力場的準確求解是十分困難的。現有研究大都基于一定假設，分析計算能力有限，模擬結果與現場原位監測和野外模型試驗結果還存在一定的差距，對堆積體滑坡復雜結構的動態變化特征影響的考慮還不夠。因此在明確地質結構的前提下，有必要開展大型室內外降雨入滲試驗與數值試驗，改進現有的計算方法，探求滲流與徑流的耦合機制及滲流-地質結構-力學參數的互饋耦合作用機制。

c. 加強降雨型堆積體滑坡的動態災變機制研究。將堆積體滑坡的失穩機制分析與堆積體的地質結構特別是水文地質結構聯系起來，考慮降雨過程中堆積體結構與滲流、力學特性的動態劣化反應，引入更為符合實際的降雨模式，揭示久雨及暴雨誘發堆積體滑坡災害的動態機制。

d. 完善降雨型堆積體滑坡的安全性評價方法。目前對降雨型堆積體滑坡的安全性評價方法的研究尚不成熟，應在充分收集整理實際堆積體滑坡基本地質特征、誘發觸發因素、原位監測信息、數值物理模擬結果及災變演化機制的基礎上，充分利用學科交叉，以野外地質調查為基礎，基于現場勘察、動態監測、理論分析、數值模擬、物理模型試驗、風險評價等手段，綜合運用人工智能、大數據分析等，突出互饋和耦合分析，對滑坡的安全性狀況進行更為合理與全面的評估。