滑坡體滲透性原位試驗與反演研究

鄭 潔，王 晉 榮，王 菁 莪

(1.武漢工程科技學院 信息工程學院，湖北 武漢 430200； 2.中國地質大學(武漢) 教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074)

0 引 言

中國長江三峽地區是滑坡等地質災害的易發區與多發區。自三峽工程開始建設，庫區地質災害問題就受到社會各界的廣泛關注[1]。降雨入滲與地下水滲流是導致滑坡失穩破壞的重要誘因。對于水庫滑坡而言，水庫的水位變化使滑坡部分區域處于周期性干濕循環狀態，滑體與滑帶的滲透性質對其穩定性影響顯著[2]。

在強降雨或庫水位上升期，滑坡巖土體含水率上升，滑帶軟化與滑動面孔隙水壓力增大是降低滑坡穩定性的主要因素[3-5]。由于滑帶對滑坡體變形破壞具有控制作用，故現有關于滑坡滲透性的研究大部分針對滑帶土開展[6-8]。飽和滑帶土的滲透性由滲透系數表示，可通過原狀樣品的室內常水頭或變水頭試驗測試。而處于干濕循環狀態非飽和滑帶土的滲透性質則需要通過水力傳導函數定義[9]。水力傳導函數描述非飽和土滲透系數與含水率的關系，可通過非飽和常水頭法、瞬態剖面法以及參數反演等方法測試或計算[10-11]。

在降雨過后或庫水位下降階段，滑坡地下水排泄過程受滑體滲透性的控制，滑坡地下水位下降的滯后效應與滲流過程中產生的動水壓力會增大滑坡下滑力，是造成滑坡穩定性下降的主要因素[3，12-13]。滲透系數或水力傳導函數是水庫滑坡地下水滲流及穩定性分析計算的重要參數。不同于滑帶土，滑體物質通常為土石混合體，常含有較大的塊石，通常無法取樣開展室內試驗，其滲透性主要采用原位鉆孔注水或抽水方法測試[14-15]。然而，現行規范中鉆孔注水或抽水試驗及計算方法均是基于達西定律，只能獲得滑體物質的飽和滲透系數，而處于消落帶干濕循環狀態的滑體物質的水力傳導函數尚無成熟的測試方法。

鑒于此，本文提出一種基于鉆孔原位滲流試驗與數值反演相結合的滑體滲透性測試方法，并以三峽庫區黃土坡臨江1號滑坡體為典型案例開展試驗研究，旨在為滑體滲透性測試與分析提供參考。

1 研究場地概況

黃土坡滑坡位于三峽庫區巴東縣長江干流南岸，是三峽庫區體積最大，危害性最嚴重的滑坡之一(見圖1)。巴東縣城在三峽移民工程中最開始選址該區域重建，但由于對黃土坡區域穩定性認識不足，最終縣城不得不整體二次搬遷。因此，該滑坡受到國內外廣泛關注，關于該滑坡已有大量的研究成果，涉及演化過程、地質結構、物理力學參數與穩定性分析預測等各個方面[16-17]。

該滑坡所處地貌類型為川鄂褶皺山地中構造剝蝕低山區，是巫峽和西陵峽過渡的區域。歷史多期次滑動造成地表坡面形態為折線型，陡緩相間。該區域出露地層主要為三疊系中統巴東組(T2b)碎屑巖與碳酸鹽巖相間分布的海陸交互相地層，根據巖性不同可分為5段，其中第1，3，5段以淺灰色泥灰巖為主，第2和4段主要為紫紅色泥巖夾粉細砂巖。在滑坡范圍內，巴東組第2段(T2b2)分布于高程450 m以上坡體地段，該高程以下為巴東組第3段(T2b3)。官渡口向斜軸線大致沿河道走向東西向延展，滑坡位于該向斜南翼，結構整體為順向坡，坡面傾向與基巖傾向基本一致。

圖1 研究區域位置Fig.1 Location of the study area

勘察資料顯示：黃土坡滑坡可分為臨江1號滑坡體、臨江2號滑坡體、變電站滑坡和園藝場滑坡4個主要部分，總面積約為135萬m2，總體積約為6 934萬m3，滑坡體物質成分為塊石、碎石夾黏性土。臨江滑坡體直接與江水接觸，其穩定性受水庫水位的影響最大，是黃土坡滑坡的主體也是最危險的區域。為深入研究黃土坡滑坡的地質結構，并開展深部監測與科學試驗，在黃土坡滑坡臨江1號滑坡體內開挖了大型隧洞群，為原位試驗提供了良好的場地條件，本次原位滲流試驗即在該隧洞群1號支洞內開展(見圖2)。

圖2 原位試驗位置平面圖與剖面圖Fig.2 Plan and section of in-situ test location

2 研究方法

2.1 鉆孔原位滲流試驗

滑坡體滲透性原位試驗與反演方法包括原位鉆孔滲流試驗與數值反演兩個部分。其中，原位滲流試驗方法如圖3和圖4所示，在滑坡體地下隧洞頂部施工一個豎直鉆孔，孔口穿出地表與大氣連通，孔底穿過隧洞頂部混凝土襯砌，并安裝流量控制閥門、水壓傳感器與渦輪流量計。

圖3 原位鉆孔滲流試驗方法示意Fig.3 Diagram of in-situ borehole seepage test method

圖4 原位鉆孔滲流試驗裝置照片Fig.4 Photo of in-situ borehole seepage test device

試驗之前，孔底閥門處于關閉狀態，孔內水位與穩定的地下水位保持一致。試驗開始后，手動開啟閥門控制孔內地下水以較小的流速排出，同時開始實時采集孔底水壓傳感器與流量計數據。分別在試驗開始后500，1 000，1 500 s和3 000 s左右分階段繼續開啟閥門，控制排水流速分級增大，最后關閉閥門，使孔內水位恢復至初始狀態。試驗結束后即可獲得鉆孔底端水壓與流速隨時間變化曲線。

2.2 數值反演

原位鉆孔滲流試驗完成后，對試驗過程進行數值反演計算。將原位試驗簡化為二維狀態，假設土體滲透性各向同性，且在滲流過程中體積孔隙不變，同時忽略蒸發影響，則非飽和滑體碎石土的滲流過程可通過如下Richards方程[18]描述：

(1)

式中：θ為體積含水率；h為基質勢或水頭；Kh為基質勢為h時的滲透系數；t為時間；r為徑向坐標；z為豎直向坐標，向上為正。

式(1)中不同基質吸力(基質勢)狀態的含水率θh與滲透系數Kh是土體基質吸力的函數，分別稱作土水特征曲線(SWCC)和水力傳導函數(HCF)，可通過Van Genuchten-Mualem 模型[9](式(2)和式(3))定義。

(2)

(3)

基于上述控制方程，采用HYDRUS-2D 軟件建立二維有限元模型對原位鉆孔滲流試驗過程進行模擬與反演。該軟件可將試驗實測的流量和水壓隨時間變化數據分別作為邊界條件和目標函數，對Van Genuchten-Mualem 模型進行反演計算，求解與實測數據最佳吻合的模型參數。具體操作過程中，首先建立如圖5所示的數值模擬模型。為提高計算效率，采用軸對稱方法建立簡化模型，實際模型為ABCD區域圍繞z軸旋轉一周的圓柱體。

圖5 數值反演計算模型Fig.5 Numerical inversion model

根據鉆孔內穩定地下水位與估算的排水影響半徑，將模型的高度和寬度分別設置為10 m和50 m。鉆孔位置與z軸重合，孔底位于A點。模型底面和左側邊界條件設置為隔水，右側設置定水頭邊界，水位與鉆孔閥門關閉穩定時的地下水位一致。頂面設置為自由排水面。反演模擬計算時，將初始地下水位設置為現場穩定地下水位，將鉆孔原位試驗所測得的流速隨時間變化數據定義為孔底(A點)的流速邊界條件。同時將試驗所得的孔底水壓隨時間變化數據設置為該點的反演計算的目標水壓函數。模型區域采用三角形單元劃分網格，左側最小單元尺寸為0.1 mm，右側最大單元尺寸為1 m，總單元和節點數分別為5 674和2 984。

根據一般碎石土的Van Genuchten-Mualem 模型參數經驗值設置反演參數的初始值與取值范圍。開啟反演計算后，軟件將根據Marquardt-Levenberg非線性最小二乘算法開展模型參數迭代試算，直至計算所得的孔底水壓隨時間變化數據與目標函數達到最優匹配狀態。反演所得的最優模型參數組合即為定義滑體物質綜合滲透性質的參數。

3 結果與分析

鉆孔原位排水試驗結果見圖6。開啟閥門前，孔底流量為0，初始地下水位通過孔底水壓換算為4 750 mm。在第500 s時，部分開啟閥門，孔底排水流速迅速增大至0.16 m3/h，孔內水位開始下降至4 377 mm時逐漸穩定。隨后，分別在1 000，1 500 s和3 000 s分階段進一步開大閥門，孔底流速分別先增大至0.25，0.29 m3/h和0.31 m3/h，而后逐漸減小，孔內水位則分別逐漸降低至4 090，2 532 mm和1 260 mm左右。第4 000 s時試驗結束，關閉閥門后，孔內水位則快速恢復至初始地下水位高度。

圖6 鉆孔原位排水試驗數據Fig.6 Data of in-situ borehole drainage test

在前兩次流速增大階段，鉆孔內水位僅分別下降約373 mm和660 mm后趨于穩定，表明孔底排水流速調整至0.25 m3/h時，仍未明顯超過鉆孔周圍滑體的地下水補給速度。當排水流速增大至0.29 m3/h后，雖然流速僅比上一級增大0.04 m3/h，但孔內水位迅速下降約2 218 mm。且隨著孔內水位降低，水壓下降，孔底排水流速并不能穩定，而是隨之下降至0.24 m3/h后趨于穩定。同樣的現象出現在下一級試驗中，當進一步調大閥門后，排水流速雖短暫增大至0.31 m3/h，但隨后仍隨孔內水壓的持續下降而基本穩定在0.24 m3/h左右。上述測試結果顯示，該鉆孔周圍地下水的補給速度基本為0.24 m3/h。

反演計算中，將模型右側定水頭邊界條件與初始水位均設置為4 750 mm。孔底流量輸入數據和水壓目標擬合數據在原始實測數據的基礎上按照20 s間隔選取。模型參數初始值、取值范圍和最終反演計算結果如表1所列。基于反演參數計算所得的鉆孔水位變化數據與原位試驗實測數據對比如圖7所示，可見擬合結果與實測結果具有較好的吻合性。基于反演參數與Van Genuchten-Mualem 模型繪制滑體物質土水特征曲線和水力傳導函數見圖8。

黃土坡滑坡前期勘察階段開展了一系列不同區域的鉆孔注水試驗，得出本次原位試驗附近區域滑體的滲透系數在1.30×10-4～8.60×10-4cm/s之間。可見，基于本次原位試驗與反演所得出的滑體飽和滲透系數在鉆孔注水試驗測試結果范圍之內。由于目前尚無成熟的滑體原位水力傳導函數測試方法，其他水力學參數雖然無法通過不同的測試方法進行驗證，但由于本文測試方法基于原位實測數據開展反演計算，且反演結果與原位實測數據具有較好的吻合性，因此，得出的水力學參數可以較好地反映原位滑體物質的水力學性質。

表1 模型參數反演計算結果Tab.1 Inversion results of model parameters

圖7 反演模擬數據與原位試驗數據對比Fig.7 Comparison of inversion data and in-situ test data

圖8 滑體物質的SWCC和HCF曲線Fig.8 SWCC and HCF curves of sliding mass

水力傳導函數模型參數的物理意義與巖土體的顆粒與孔隙結構特征直接相關。其中，模型參數α反映巖土體的進氣值，經計算，反演得出的滑體進氣值僅為0.224 kPa，說明存在較大的孔隙，從側面反映滑體物質比較破碎。模型參數n與孔徑分布有關，反演值為2.4，說明滑體物質的顆粒級配不均勻，符合土石混合體的特征。殘余含水率與飽和含水率分別與細顆粒含量和孔隙率有關。土體中黏土礦物等細顆粒物質含量越高，則土顆粒吸附水含量越多，殘余含水量越大。勘察資料顯示：該滑坡滑體物質為碎塊石與黏性土，土石比大致為2∶8，與反演結果基本匹配。測試和反演計算所得的飽和滲透系數為7.54×10-4cm/s，反映鉆孔周圍巖土體的綜合滲透性質為中等透水性。從圖8可見，滑體物質的滲透系數受含水率影響顯著。當飽和度降低至50%時，滲透系數即降低一個數量級。由此可見，鑒于巖土體在干濕循環狀態的強度變形性質受基質吸力及含水狀態影響顯著，因此在實際滑坡滲流和穩定性分析計算過程中，采用符合實際情況的飽和-非飽和滑坡體水力傳導參數十分必要。

上述測試和反演計算方法在實際應用中，如沒有配套的地下隧洞群，可在待測鉆孔底部放置水壓傳感器和可調流量的微型抽水泵，通過控制孔底抽水速度，同時實測鉆孔水位變化數據獲取數值反演所需的流速數據和水壓數據。

4 結 論

(1) 本文提出了一種基于鉆孔原位滲流試驗與數值反演相結合的滑坡體原位水力傳導函數測試及計算方法。在原位試驗部分，通過分階段逐級開啟滑體鉆孔底部閥門(或水泵)控制以不同流速排出鉆孔內地下水，同時實時記錄孔底水壓和流速數據。在數值反演部分，根據鉆孔附近地質條件建立有限元幾何模型，將實測孔底流速數據作為模型邊界條件，同時以實測孔底水壓數據作為目標函數進行數值反演，基于Van Genuchten-Mualem模型反演計算滑體物質水力傳導函數的最優模型參數組合。

(2) 基于上述方法，以三峽庫區黃土坡滑坡臨江1號滑坡體為典型案例開展試驗，反演計算結果與實測數據吻合較好。測試結果顯示：該滑坡體內穩定地下水位在鉆孔底以上4.75 m處，鉆孔周圍地下水的補給速度為0.24 m3/h左右。反演所得的Van Genuchten-Mualem 模型參數反映滑體物質較破碎，存在較大的孔隙，顆粒級配不均勻，飽和滲透系數為7.54×10-4cm/s，屬中透水性。非飽和狀態的滲透系數受含水率影響顯著，當飽和度降低至50%時，滲透系數即降低一個數量級。