降雨條件下高家峪滑坡滑動距離預測及災害評估

高明輝， 王 祥， 王 曉， 趙建青， 孫 超， 王奇智

(1.河北省地質資源環境監測與保護重點實驗室， 石家莊 050021； 2.川藏鐵路有限公司， 成都 610094; 3.河北科技大學建筑工程學院， 石家莊 050018)

降雨是誘發山體滑坡的主要誘因之一，其滑坡機制是雨水滲入滑坡體，導致巖土體孔隙水壓力增大，有效應力降低所致[1]。中外學者針對降雨入滲滑坡做了大量研究。Cho等[2]通過有限元仿真的方法發現邊坡滲透性對安全系數影響顯著。Sérgio等[3]研究了同等降雨量下，孔隙水壓力與滑坡破壞模式之間的；朱海軍等[4]、付宏淵等[5]通過仿真的手段，得出了降雨條件下滑坡體孔隙水壓力、浸潤線的變化規律；蘭恒星等[6]、吳宏偉等[7]分別研究了香港滑坡的降雨條件，分析了飽和度和孔隙水壓力變化對其穩定性的影響；胡濤等[8]研究了不同降雨概率和雨型的滑坡滲流場及穩定性變化率特征。

滑坡動力學方面，高楊等[9]通過資料收集、現場調查以及統計分析等手段將西南巖溶地區滑坡成災模式主要分為巖質崩塌、高位遠程滑坡-碎屑流和高位遠程滑坡-泥石流三種類型；劉君等[10]通過顆粒流的仿真方法實現了雞尾山滑坡過程的全程動態仿真模擬，討論了各細觀參數對邊坡穩定以及滑體的滑行速度、滑行距離等因素的影響；孟華君等[11]對地震作用下都江堰地區51個不同形態地震滑坡的滑動能力影響因素進行了相關性分析，依據相關系數的大小識別出了影響滑坡滑動能力的主要因素。

綜上所述，降雨與邊坡穩定性方面的研究較多，滑坡滑動距離研究以西南巖質邊坡為主，且多以滑坡發生后反演為主，對于華北地區碎石土為主的滑坡滑動距離預測研究較少。為此，以石家莊西部山區典型碎石土滑坡為工程背景，通過有限元、有限差分的數值分析方法，計算不同降雨條件邊坡的安全性，研究滑動帶孔壓變化與滑動距離之間的關系，預測滑坡覆蓋范圍，為高家峪村地質災害防治措施提供數據基礎。

1 地質現狀

如圖1所示，井陘縣位于石家莊市區西部，太行山中段，是河北省中部煤、陶瓷工業及建筑材料的重要生產基地。由于地質環境條件脆弱，環境地質問題較多，地質災害發生頻繁，經查明蒼巖山鎮南高家峪村存在潛在滑坡，坡底高程571 m，坡頂高程608 m，相對高差約37 m，斜坡坡向180°，坡度一般18°～32°，呈上緩下陡形態。

圖1 高家峪滑坡地理位置

滑坡體上植被覆蓋率高，可達60%以上，多為小型灌木。滑坡主要由滑坡堆積碎塊石土構成，滑體物質呈黃褐色、較松散，經現場初步勘查，滑體厚度在8～15 m，前緣厚度8 m，具有中部厚，兩側及前后緣薄的特點(圖2)。

目前在滑坡后緣有部分錯臺，滑體中部有一條長約90 m的拉張裂縫，潛在滑坡體主要由碎石土組成，碎石含量較高，可達40%～50%，碎石塊徑一般在5～20 cm，后緣碎塊石塊直徑較大，坡體物質透水性較好，降雨可直接沿裂縫、滑坡表面進入滑體或至滑坡土巖接觸帶(滑面)，增加土體自重，降低滑動帶土體的力學強度，對坡體整體穩定性產生影響，因此降雨是南高家峪村小型滑坡發生滑動的主要誘因之一。根據滑坡區基巖露頭判斷滑床為中元古界長城系常州溝、大紅峪組(Chc-d) 砂巖，基巖產狀245°∠12°；該滑坡基底巖層面為滑坡的滑動面。

2 滑坡參數選取及穩定性分析

2.1 巖土物理力學參數

根據高家峪滑坡勘察報告，滑坡共分為兩層，上層滑體物質總體來看主要為崩坡積(Qcol+dl)碎石土，滑坡體的平均厚度約10 m，在滑坡坡體中部厚度可達15 m。下層滑床為基巖，以中風化砂巖為主。圖3中標注了現存張拉裂縫位置所在。

圖3 高家峪滑坡工程地質平面圖

巖土物理力學參數根據高家峪滑坡勘察報告及室內實驗綜合確定，勘查共取6組滑體土樣進行室內試驗，在不同狀態下的抗剪強度統計值如表1所示。

表1 滑坡體巖土力學參數

2.2 有限元模型

將鉆孔數據和等高線導入有限元軟件，生成三維數據模型，將表1巖土體物理力學參數導入模型材料屬性，隨后劃分網格，網格精度如表2所示，設置邊界條件，暫不考慮降水，只設置模型四周位移邊界，計算天然狀態下邊坡穩定性及滑坡體范圍。表2為模型參數，圖4為三維地形網格劃分圖，精度為1 m。

圖4 有限元網格圖

表2 模型參數

采用強度折減法得到滑坡的安全系數為

(1)

式(1)中：c′、φ′分別為折減后的黏聚力和內摩擦角；c為巖土體黏聚力；tanφ為內摩擦角的正切值，二者同時除以折減系數F，得到一組新的c′、φ′，坡體計算結果不收斂，此時折減系數F就是安全系數。經計算，當前高家峪滑坡的安全系數為1.09，處于潛在地質災害范疇。

由圖5可以得到F=1.09條件下，滑坡最大剪應變突變邊界，可以畫出滑坡體整體范圍，其縱坡面[圖5(c)]顯示：剪應變有2處突變點，與圖3工程地質剖面圖牽引裂縫位置基本對應，說明計算結果準確，因此其滑床輪廓和滑體范圍基本確定，進而得出滑坡方量(表3，為11.6×104m3)，為后續滑坡失穩沖擊距離計算奠定了數據基礎。

圖5 有限元計算結果

表3 滑坡體計算結果

2.2 滑坡整體滲透性反算

降雨工況計算需要滑坡的整體滲透系數，由于巖土體滲透性原位單點測試離散性較大，因此通過安全系數進行反算，具體思路如下：1996年暴雨時，單日最大降雨量約413 mm，滑坡中部出現一條 90 m 長橫向裂縫，后緣局部出現錯臺及裂縫，滑坡前緣擋墻局部垮塌，說明滑坡安全系數達到臨界狀態，2000年8月，汛期單日最大降雨量約200 mm，滑坡體第一條裂縫擴大，并出現第二條裂縫，在極值降雨減小條件下，滑坡出現臨界狀態，即F=1，說明滑坡的整體安全系數持續降低，因此，本文模型將單日200 mm和安全系數F=1作為邊界條件，結合表1中巖土力學參數，進行滲流穩定性分析，反算滑坡體整體滲透性，結果如表4所示。

表4 滲透性反算結果

3 滑動距離預測

3.1 Massflow模型

以Massflow軟件為計算工具，假設性分析滑坡滑動后沖擊范圍問題，該軟件是基于深度積分的連續介質力學理論，利用改進的有限差分方法，兼有考慮復雜地形地貌、具有二階精度和自適應求解域特征的山地災害動力學高效計算模擬軟件。期在離散點上直接用差分代替微分，可以構造高精度格式，其數值方法具體介紹見文獻[12]。

3.2 地形條件

以現場踏勘測繪高程點數據為基礎，建立數字高程格柵模型，轉化成數字高程模型(digital elevation model，DEM)，進而生成地形信息，如圖6所示。

圖6 ARCMAP格柵地形信息

3.3 物源條件

圖7為潛在滑坡體，通過三維有限元計算得出，以圖5(b)和表3為基礎，該區域為碎石土堆積區域，松散，在暴雨條件下，極易發生泥石流災害，通過計算其平面面積約為14 000 m2，滑坡方量約為116 000 m3。

圖7 潛在滑坡體

3.4 參數選取

計算參數選取的合理性決定了計算結果的準確性，在滑坡泥石流模擬中，計算參數可根據現場勘查、室內實驗、歷史事件反演和經驗等確定。

目前針對滑坡運動模擬，在國際上常用的流體模型主要有: 庫倫摩擦模型、Voellmy模型和賓漢姆模型[13]。以庫倫摩擦模型為基礎，其模型公式為

τ=σ(1-ru)tanφ

(2)

式(2)中：τ為滑體基底阻力；ru為孔隙水壓力系數；σ為滑動路徑上的正壓力。

計算軟件Massflow涉及的參數有黏聚力c、基底摩擦系數μ、孔隙水壓力系數ru、內摩擦角和基底摩擦角。

考慮極端暴雨情況下，其黏聚力為完全飽和狀態，現場取樣室內實驗黏聚力平均結果為 23.97 kPa，飽和內摩擦角為16.33°。基底內摩擦角實驗室當前無法測試，需要滑坡后進行反算，因此，需參照相關歷史事件[14]滑坡進行取值，如表5、表6所示，結合現場情況及數據，基底摩擦角取22°。

表5 基底摩擦角

關于計算涉及的基底摩擦系數μ和孔隙水壓力系數ru，大量文獻經驗值取μ=(0.3-0.5)，ru=(0.1-0.85)，基于北方山體滑坡特性和植被覆蓋情況，本滑坡模型取值μ=(0.4，0.5，0.6)，ru=(0.2，0.4，0.6)，如表6所示，計算采用多工況正交的方法，如表7所示。

表6 參數取值

目前滑坡體正下方為高家峪村，村民共302戶、 1 092人，滑坡的沖擊范圍受降雨強度影響較大，隨著單日降雨量的增大，滑床孔壓系數會上升，因此多工況評估滑坡沖擊范圍是必要的。

3.5 計算結果

如圖8所示，當前地形現狀，滑坡正下方為平坦地勢，高家峪村在此區域興建大量民房，村委會也在此區域范圍內，地勢開闊，在極端暴雨情況下，松散的滑坡體極易形成泥石流沖擊下游村落。

圖8 地形現狀

圖9為不同基底摩擦系數條件下，滑坡滑動后潛在沖擊范圍，覆蓋范圍的界定以覆土厚度超過 2 m 為界限，可以看出，由于下游空曠，滑坡整體覆蓋范圍較大，滑動距離約100 m，隨著基底摩擦系數增大，滑動范圍是逐漸變小的。

覆土厚度代表泥石流沖擊完成后在原始地面泥石混合物的堆積高度

通過圖10可以看出，孔壓系數0.2、0.4、0.6沖擊覆蓋范圍分別達到96、102、120 m，呈現出非線性增長，說明降雨強度的影響較大。

表8、圖11數據表明，孔隙水壓力系數和基底摩擦系數對滑坡運動距離影響較大，預測覆蓋范圍96～155 m，孔壓系數對結果敏感度大于基底摩擦系數。

表8 滑坡沖擊范圍匯總

圖11 孔壓系數、基底摩擦系數對滑坡沖擊范圍的影響

最不利條件下，滑坡滑動預計覆蓋70余間民房、178 m公路，村委會亦在覆蓋范圍之內，若不及時監控防治，遇強降雨將出現險情。

4 結論

以井陘縣高家峪潛在滑坡為研究對象，通過現場踏勘、勘察取樣、室內實驗及數值計算，初步評估了其地質災害危險范圍，得到以下結論。

(1)基于現場采集的三維地形信息，建立了潛在滑坡三維地質模型，通過強度折減法，得出其當前安全系數為1.09，處于臨界狀態。

(2)計算得出了當前潛在滑坡面積及滑坡方量，并通過歷史降雨數據反算了滑坡體的整體滲透性。

(3)通過ARCGIS軟件生成DEM數據，導入Massflow軟件，設計多種正交參數，計算得出不同工況下潛在滑坡滑動后覆土2 m厚度的沖擊范圍(96～155 m)。

(4)評估結果顯示，在極端情況下(155 m)，約70余間房屋受損，約178 m長度的公路斷交。