基于降雨入滲的滑坡非穩(wěn)定滲流分析

姬永尚

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

0 引言

某水利樞紐工程位于新疆南疆山區(qū)，是一座具有生態(tài)、防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的水利工程，是河流山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，屬大（2）型Ⅱ等工程[1]。

大壩下游，距壩軸線直線距離約780 m處右岸岸坡中部分布一滑坡，滑坡體前緣剪出口高于現(xiàn)代河床約130 m[2]。根據(jù)滑坡專題研究結(jié)果，該滑坡形成于晚更新世，是古滑坡；滑坡分布面積約28.5萬(wàn)m2，體積約1302萬(wàn)m3，為特大型深層基巖滑坡[2]。

滑坡專題研究根據(jù)勘察試驗(yàn)成果，結(jié)合規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)選取物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：在天然工況和Ⅷ度地震工況下古滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；考慮降雨影響時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)有所降低，在滑體局部充水，滑帶土完全飽和后接近臨界狀態(tài)，滑坡存在失穩(wěn)可能，須對(duì)滑坡體降雨入滲特性做進(jìn)一步研究。

1 區(qū)內(nèi)氣象水文條件

區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫12.3℃，極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-25.6℃，最冷月平均氣溫-5.18℃。據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)干旱少雨，夏季雨量集中。年最大降水量215.8 mm（2010年），年最小降水量19.2 mm（1963年），多年平均降水量68.5 mm，歷年最大一日降水量32.5 mm（1993年5月31日）。多年平均蒸發(fā)量為3 109.1 mm（φ20 cm型蒸發(fā)器）。汛期為7～9月，年內(nèi)枯水期為11月～次年5月，暴雨多發(fā)生在6、9月。最大凍土深67 cm；最大積雪深度14 cm。

工程所在河流為典型冰川補(bǔ)給型河流，徑流主要集中在夏季6～8月，占全年水量81.9%。主河流兩側(cè)沖溝平時(shí)干涸無(wú)流水，受季節(jié)影響較大，在暴雨季節(jié)時(shí)會(huì)有短暫洪流。工程區(qū)氣候干燥，基巖裂隙水貧乏。河流兩岸未發(fā)現(xiàn)泉水出露，高于河床的勘探鉆孔及平硐均未揭露地下水，地下水位基本與河水持平，略高于河水位，遠(yuǎn)低于滑坡體。

2 滑坡結(jié)構(gòu)特征

滑坡主要由滑體、滑動(dòng)面（帶）及滑床組成，滑床為二云母石英片巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體新鮮完整。

2.1 滑體特征

該滑坡為基巖滑坡，滑體最大厚度約108 m，平均厚度約45.7 m。從地表向滑面，滑體主要分4個(gè)層次（見(jiàn)圖1）：

圖1 滑體巖性特征

（1）表部粉土層。厚一般1 m左右，其中后緣緩平臺(tái)覆蓋較厚，一般大于4 m，最厚達(dá)16 m。粉土層屬中壓縮性土，滲透系數(shù)5.8×10-5～2.4×10-4cm/s，屬弱～中等透水層，以弱透水為主。

（2）塊裂結(jié)構(gòu)的松動(dòng)巖體及大塊石。厚度11.0～67.1 m，平均31.8 m。巖性為二云母石英片巖，陡傾角拉裂縫與片理面組合形成多條順片理面斷續(xù)階梯狀小裂縫，將巖體分割成大塊狀，塊徑一般為20～50 cm，局部大于100 cm。

（3）完整、連續(xù)巖體。厚度6.4～38.1 m，平均13.8 m。巖性為二云母石英片巖，滑體中心部位分布較厚，向周界逐漸變薄，呈棗核狀包裹在滑體內(nèi)，受下滑擾動(dòng)小，除產(chǎn)狀與正常巖體不同，其余均保持原巖結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育較少，巖體完整、連續(xù)。

（4）滑坡角礫。厚度1.6～22.5 m，平均10.4 m。母巖為二云母石英片巖，原巖結(jié)構(gòu)基本被破壞，層狀結(jié)構(gòu)不明顯，呈碎塊石狀，棱角狀，大小石塊與擠壓碎末、細(xì)粒混雜，結(jié)構(gòu)密實(shí)，滲透系數(shù)4.6×10-4～2.5×10-3cm/s，屬中等透水層。

2.2 滑面（帶）特征

滑坡主滑方向?yàn)?20°左右，滑面主要受兩組結(jié)構(gòu)面控制，即順層軟弱結(jié)構(gòu)面和NE走向陡傾結(jié)構(gòu)面。兩組結(jié)構(gòu)面組合形成以順層面為主的階梯形滑面形態(tài)，順層主滑面傾角15°～22°。滑帶軸線長(zhǎng)約450 m，厚度一般為0.5～0.8 m。滑帶土巖性為含礫低液限黏土和黏土質(zhì)礫兩種（見(jiàn)圖2）。

圖2 滑帶巖性特征

（1）含礫低液限黏土，為深灰～灰綠色，以碎石、泥質(zhì)為主，擠壓緊密，弱膠結(jié)，人工開(kāi)挖極為困難，多夾滑坡角礫及大塊石透鏡體，局部含泥質(zhì)較多的部位可見(jiàn)擦痕和錯(cuò)動(dòng)光面。

（2）黏土質(zhì)礫，為青灰～淺灰色，棱角狀碎塊石占30%以上，黏粒含量一般小于15%，擠壓緊密。滑帶土滲透系數(shù)0.2×10-6～5.2×10-6cm/s，屬微～極微透水層。

3 考慮降雨入滲的非穩(wěn)定滲流分析

降雨入滲引起的邊坡滲流場(chǎng)本質(zhì)上是一個(gè)非穩(wěn)定滲流問(wèn)題。本次基于非穩(wěn)定滲流有限元分析方法，采用Geostudio的seep/w模塊，對(duì)滑坡在暴雨工況條件下的滲流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 計(jì)算條件

3.1.1 巖土材料的計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)滑坡勘探中獲得的滑體、滑帶土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合滑坡各巖土材料的結(jié)構(gòu)、顆分、密度等特性，并考慮到滑坡滑塌后造成的后果較嚴(yán)重，本次計(jì)算偏安全考慮，選取對(duì)結(jié)果不利的各巖土材料試驗(yàn)值作為滲流分析計(jì)算參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 各巖土材料的計(jì)算參數(shù)取值

3.1.2 典型計(jì)算剖面、計(jì)算模型與邊界條件

本次滲流分析選取滑坡體的剖面2-2，3-3作為典型計(jì)算剖面，并采用三角形與四邊形等參元相結(jié)合進(jìn)行網(wǎng)格剖面。根據(jù)邊坡的地層分布情況，對(duì)滑坡體的網(wǎng)格進(jìn)行加密，而下部的基巖采用稀疏網(wǎng)格進(jìn)行劃分（見(jiàn)圖3）。

圖3 各剖面的計(jì)算模型

對(duì)于初始地下水位，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探資料，地下水位埋藏較深，基本與河水持平，遠(yuǎn)低于滑坡體，降雨引起的滑坡體飽和狀況與地下水位關(guān)系不密切。對(duì)于降雨入滲邊界條件，研究區(qū)雨量不充沛，且蒸發(fā)量大，宏觀判斷降雨引起滑坡體飽和的可能性不大。本次工作主要討論降雨對(duì)滑坡體內(nèi)部飽和區(qū)分布的影響。

降雨入滲引起的邊坡滲流場(chǎng)本質(zhì)上是一個(gè)非穩(wěn)定滲流問(wèn)題。降雨入滲導(dǎo)致坡體內(nèi)部孔隙水壓力變化的影響因素包括巖土材料的滲透系數(shù)，降雨雨強(qiáng)與持續(xù)時(shí)間。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體的入滲能力時(shí)，降雨全部入滲，此時(shí)的入滲強(qiáng)度為降雨強(qiáng)度，其邊界條件按流量邊界處理；當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體的入滲能力時(shí)，部分降雨入滲，另一部分降雨會(huì)在坡面形成地表徑流，此時(shí)的入滲強(qiáng)度等于土體的最大入滲能力，其邊界條件按給定水頭邊界處理。可以知道，降雨入滲的最大入滲量不會(huì)超過(guò)巖土體的滲透系數(shù)k。

本次分析主要考慮滑坡體在最大入滲強(qiáng)度影響條件下的非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果，此時(shí)降雨入滲強(qiáng)度q等于位于表層的風(fēng)積黃土入滲系數(shù)k，即最大入滲強(qiáng)度q為2.4×10-6m/s，計(jì)算得到的降雨量Q為1.73 m/d。

非穩(wěn)定滲流計(jì)算時(shí)將坡表施加固定壓力水頭h=0，作為降雨入滲邊界條件（圖3）。模擬的降雨持續(xù)時(shí)間為180 d。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4和圖5分別為剖面2-2與剖面3-3在不同降雨歷時(shí)條件下滑坡體內(nèi)部飽和區(qū)的分布情況。

圖4 剖面2-2在不同降雨歷時(shí)條件下的飽和區(qū)分布狀況

圖5 剖面3-3在不同降雨歷時(shí)條件下的飽和區(qū)分布狀況

從計(jì)算結(jié)果可知：

⑴對(duì)于剖面2-2，邊坡淺表層分布有透水性相對(duì)較差的風(fēng)積黃土與完整巖體，下部為透水性良好的塊裂結(jié)構(gòu)。降雨初期，雨水首先從高高程部位的崩坡積下滲，并沿著滑體中部的散體結(jié)構(gòu)向坡腳處匯集。隨著降雨的持續(xù)，坡腳處的滑坡體開(kāi)始達(dá)到飽和狀態(tài)，并逐漸向高高程部位擴(kuò)展；此外，高高程部位入滲后形成的地下水開(kāi)始向下部入滲，并在滑帶土附近匯集形成暫態(tài)飽和區(qū)。降雨后期，上述兩個(gè)飽和區(qū)相交，從而使整個(gè)滑坡體達(dá)到完全飽和狀態(tài)，這一過(guò)程大致需要28 d，稱之為一個(gè)周期。滑坡體達(dá)到暫時(shí)的完全飽和狀態(tài)后，滑體內(nèi)部的地下水將沿著散體結(jié)構(gòu)向外流出，且大于降雨入滲的補(bǔ)給量，導(dǎo)致滑坡體下部由飽和狀態(tài)變?yōu)椴伙柡蜖顟B(tài)，導(dǎo)致高高程處的地下水向坡腳處匯集，開(kāi)始下一個(gè)周期的循環(huán)。

⑵對(duì)于剖面3-3，表層為透水性較差的風(fēng)積黃土，中部為透水性較好的塊裂結(jié)構(gòu)。降雨初期，表層的薄層黃土層部分地段出現(xiàn)飽和，并向滑坡體坡腳處匯集，使滑坡體坡腳處于飽和狀態(tài)。隨著降雨的持續(xù)，坡腳處的暫態(tài)飽和區(qū)不斷向上方擴(kuò)展，同時(shí)滑坡體中上部出現(xiàn)了不連續(xù)的暫態(tài)飽和區(qū)。降雨后期，由于滑帶土的透水性很差，可視為一個(gè)相對(duì)隔水層，地下水開(kāi)始向滑帶土處匯集，并逐漸使滑帶土處于飽和狀態(tài)，這一過(guò)程大致需要36 d，隨著降雨的持續(xù)，滑帶土與上方的滑坡角礫大部分處于飽和狀態(tài)，但由于塊裂結(jié)構(gòu)的透水性較好，厚度較大，部分地下水沿該層排出坡體，由于降雨補(bǔ)給速度相對(duì)較小，滑坡體內(nèi)部的暫態(tài)飽和區(qū)無(wú)法形成連續(xù)的飽和區(qū)，因而整個(gè)坡體無(wú)法達(dá)到完全飽和狀態(tài)。

根據(jù)以上兩個(gè)剖面模擬計(jì)算結(jié)果，按照最大入滲強(qiáng)度，以每天1.73 m的降雨量，持續(xù)降雨28～36 d入滲可使滑帶土達(dá)到完全飽和狀態(tài)，顯然這種工況條件實(shí)際不會(huì)發(fā)生。

4 結(jié)論

滑坡區(qū)所在岸坡受鄰溝切割而成，形成高聳的單薄山脊，無(wú)大面積匯水及補(bǔ)給條件，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，主要是大氣降水形成的地表面流。滑坡體厚度較大，表部覆蓋透水性弱的粉土，滑體中部分布較大厚度透水性弱的完整巖體，形成相對(duì)隔水層，通過(guò)計(jì)算分析，降雨入滲至滑坡完全飽和的工況不存在。