浙西南農村山區典型斜坡滲流和穩定分析研究

李 強，胡金樹，閆鐵生，馬 超，杲加俊，徐 輝

(1.浙江理工大學科技與藝術學院，浙江 上虞 312369；2.浙江省浙南綜合工程勘察測繪院有限公司，浙江 麗水 323000；3.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

1 概述

浙江省地質災害大多分布于浙西南農村山區[1]，所發生地質災害類型有滑坡、崩塌及泥石流等，其中滑坡約占所發生災害總數量的75%[2]。浙西南地區屬亞熱帶季風氣候帶，全年氣候濕潤，雨量充沛，滑坡大多由降雨誘發，約占滑坡總數的82%[2]。例如，2016年9月28日麗水市遂昌縣北界鎮蘇村滑坡[3]，2015年11月13日蓮都區里東村滑坡[4]，2005年9月溫州市梅溴坑村滑坡[5]等。因此，開展降雨作用下邊坡穩定性的研究，對浙西南農村山區滑坡災害的防治具有重要的科學意義和現實意義。

張泰麗等[6]對浙江省飛云江流域馬濟頭滑坡進行了入滲實驗研究，模擬了不同降雨工況下土體內地下水的入滲規律；甘建軍等[7]通過遙感解譯及室內試驗等手段對浙江省遂昌縣北界蘇村滑坡的成因機理進行了分析，發現其誘發因素為強降雨引起斜坡后緣發生崩塌并堆積，再次強降雨后沿坡體加速推進并激活中前緣古滑體，最終形成大規?；拢货U其云等[8]對1990—2013年間浙江省內有位置和日期記錄的1467個滑坡及2457個雨量站記錄的雨量數據進行了分析，確定了62個山區縣引發滑坡的降雨強度-歷時閾值；俞伯汀等[9]通過有限元法對浙江下山滑坡進行了模擬分析，發現降雨及地下水是造成下山滑坡產生滑移的主要因素；吳李泉等[10]基于非飽和土理論，以浙江武義平頭山村山體高邊坡為例，通過有限元法研究了強降雨入滲條件下邊坡的穩定性及滲流場，發現持續強降雨是引發邊坡滑塌的主要因素。綜上所述，現有研究主要針對某個已發生滑坡進行滲流和穩定分析，難以代表整個區域的情況。

2 工程概況

根據高精度工程地質調查結果，總結歸納出浙西南農村山區斜坡典型形態如圖1所示。人類工程活動對坡面的改造程度強烈，按改造目的可將斜坡分為后緣切坡修路，中部坡面開墾，前緣切坡建房3段。

圖1 浙西南農村山區典型斜坡及引發滑坡示意圖

本文所研究的斜坡地處構造侵蝕中山區，整體坡向為南東112.5°～157.5°；坡頂高程399.9m，坡腳高程284m，最大高差115.9m；斜坡上部坡度以25°～35°為主，中下部以小于15°為主，上陡下緩，坡型為凹形坡；人工地貌主要包括建房、修路、開田，如圖2所示，具有前述典型斜坡所有特征。

斜坡出露地層為燕山晚期，巖性為以鉀長花崗巖為主的酸性巖巖組，如圖2所示。根據工程鉆探揭露，將場地巖土體劃分為2個工程地質層，4個工程地質亞層。自上而下依次描述如下：

①含碎石黏土(Qel-dl)：土黃-灰黃色，松散稍密，可塑，稍濕，以黏性土為主，碎石含量約15%～25%。層底面高程：309.30～342.20m，平均325.75m。分層埋深：0.7～1.8m，平均埋深2.08m。

Atrophic mucosa with intestinal metaplasia in differentiated gastric cancer and undifferentiated cancer of the gastric fundic gland mucosa are well-known examples of the relationship between gastric cancer and the background mucosa[37].

3 斜坡滲流-穩定分析方法

3.1 分析方法及模型

采用Geo-studio軟件中slope/w及seep/w模塊，建立瞬態非飽和滲流耦合穩定性計算模型，如圖3所示。在分析過程中通過標記A、B、C、D四點獲得孔隙水壓力的時空演化規律，通過設置瞬態計算步長獲得安全系數隨降雨時間的變化趨勢，最終揭示不同降雨工況下坡體滲流場及穩定性系數的動態演變過程。根據GB/T 32864—201《滑坡防治工程勘查規范》[11]，穩定性分級標準見表1。

表1 滑坡穩定狀態劃分

3.2 模型參數取值

各巖土體的天然容重、黏聚力、內摩擦角及飽和滲透系數通過鉆孔取樣的室內試驗獲得，見表2；根據顆分試驗結果，采用V-G模型擬合得到各巖土層的土水特征曲線，滲透系數曲線由軟件根據土水特征曲線估算得到，如圖4所示。

圖2 斜坡工程地質剖面圖

圖3 計算模型網格劃分圖

表2 巖土體物理力學參數

3.3 計算工況設計

根據氣象學中降雨等級的劃分標準[12]，本文設置了大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨4種工況，降雨強度分別為35、75、150、200mm/h，降雨時長均為24h，見表3。

表3 計算工況設計表

4 結果及分析

4.1 坡體滲流

圖5為不同降雨工況下邊坡內部處孔隙水壓力隨時間的變化，其中A點和B點分別位于殘坡積層表面和底部，C點和D點分別位于全風化層中部和底部。從圖5中可以看到，降雨開始后，地表淺層土體(A點和B點)孔壓迅速做出響應，負孔壓開始消散，深層土體孔壓響應滯后。對于殘坡積層表面(A點)，隨著降雨不斷進行，孔隙水壓力先快速增大后趨于平緩，且降雨強度越大，孔隙水壓力增長越快，越早趨于穩定。例如，在大雨和特大暴雨工況下，持續降雨10h后，孔隙水壓力分別從初始的-49.0kPa快速增大至-37.1kPa和-4.4kPa，持續降雨24h后，孔隙水壓力進一步增大至-29.0kPa和-1.2kPa。對于殘坡積層底部(B點)，隨著降雨不斷進行，孔隙水壓力先緩慢增長后快速增大，且降雨強度越大，孔隙水壓力增長越快。例如，在大雨和特大暴雨工況下，持續降雨10h后，孔隙水壓力分別從初始的-49.0kPa快速增大至-46.7kPa和-30.9kPa，持續降雨24h后，孔隙水壓力進一步增大至-40.4kPa和-0.3kPa。對于全風化層中部(C點)，當降雨持續較大時長后，孔隙水壓力出現略微的增長趨勢。例如，在特大暴雨工況下，降雨時長為16～24h期間，孔隙水壓力從-27.2kPa緩慢增大至-26.9kPa。對于全風化層底部(D點)，在不同降雨強度下持續降雨24h，孔隙水壓力幾乎不發生變化。

圖4 各巖土層土水特征曲線及滲透系數曲線

圖5 邊坡不同位置處孔隙水壓力隨時間的變化

綜上分析可知，該地區邊坡在降雨作用下以淺層滲流為主，這主要是因為淺層土體多為殘破積碎石土及全風化巖體，滲透系數較高，雨水易下滲，導致土體內部孔隙水壓力變化迅速[13]。此外，這也在一定程度上表明了該地區邊坡在降雨影響下存在局部淺層滑移的潛在風險，這與該地區已發生滑坡規模多為小型相吻合。

圖6為不同降雨工況下持續降雨24h后的邊坡內部滲流場云圖。從圖6中可以看到，滲流矢量路徑多分布在全風化層內，形成了坡體內部滲流的優勢通道。此外，隨著降雨強度的增加，浸潤線整體逐漸下移，以坡頂、坡體中部、坡腳三處浸潤線所對應高程為例，分析其變化趨勢。如圖6(a)所示，在大雨工況下，坡頂出現較為明顯的浸潤線，高程約397.0m，坡體中部及坡腳處的浸潤線不明顯且幾乎與坡表重合，高程分別約343.0、305.0m；如圖6(b)所示，在暴雨工況下，坡頂及坡體中部浸潤線較大雨工況略微上升，高程分別約398.0、343.8m，坡腳浸潤線下移，高程約300.0m；如圖6(c)所示，大暴雨工況下，坡頂、坡體中部及坡腳浸潤線分別下移至約396.5、342.5、299.0m處；特大暴雨工況下，浸潤線進一步下移，坡頂、坡體中部及坡腳浸潤線所在高程分別約396.2、342.0、298.0m。

圖6 不同降雨工況下邊坡滲流場云圖

隨著降雨的進行，雨水逐漸下滲，因強風化層及中風化層的滲透系數低于全風化層，雨水入滲至土層交界處受阻，故而在滲透系數較大的全風化層內部形成徑流通道[14]。當降雨強度為大雨時，邊坡以坡面徑流為主，雨水入滲緩慢，邊坡對降雨的響應具有一定的滯后性[15]，因此坡體內部只有局部區域出現浸潤線；當降雨強度為暴雨時，浸潤線整體下移，但因為內部徑流的影響，坡頂及坡體中部浸潤線較大雨工況出現略微上移的趨勢[16]；隨著降雨強度的進一步增加，雨水入滲強度也相應增加，因此浸潤線整體下移趨勢越來越明顯。

4.2 坡體穩定性

圖7為不同降雨強度下邊坡安全系數隨時間的變化曲線。從圖7中可以看到，隨著降雨的進行，各工況下的安全系數均呈現先快后慢的下降趨勢，且降雨強度越大，下降幅度也越大，進入欠穩定狀態的時間越短。①在未發生降雨時，邊坡安全系數為1.22，處于穩定狀態。②在大雨工況下，持續降雨24h后，邊坡安全系數下降至1.19，下降幅度為2.2%，仍處于穩定狀態。③在暴雨工況下，持續降雨24h后，邊坡安全系數下降至1.16，下降幅度為5.3%，仍處于穩定狀態。④在大暴雨工況下，持續降雨1h內，邊坡安全系數下降至1.15，處于穩定狀態；持續降雨1～18.8h內，邊坡安全系數下降至1.05，處于基本穩定狀態；持續降雨18.8～24h內，邊坡安全系數最終下降至1.04，下降幅度為14.8%，處于欠穩定狀態。⑤在特大暴雨工況下，持續降雨0.7h內，邊坡安全系數下降至1.15，處于穩定狀態；持續降雨0.7～3.9h內，邊坡安全系數下降至1.05，處于基本穩定狀態；持續降雨3.9～7h內，邊坡安全系數下降至1.00，處于欠穩定狀態；持續降雨7～24h內，邊坡安全系數最終下降至0.90，下降幅度為26.2%，處于不穩定狀態。

圖7 不同降雨工況下坡體安全系數隨時間變化

降雨所產生的雨水入滲導致邊坡內土體重度增加，黏聚力與內摩擦角減小，邊坡的抗滑能力降低[17]，最終導致穩定性下降。降雨強度越大，雨水入滲量越多，土體抗剪強度減小幅度越大，坡體抗滑能力降低幅度越明顯，邊坡穩定性將會進一步降低。同時雨水會對邊坡土體造成一定的軟化效應和孔隙水壓力效應[18]，導致坡體內部有效應力降低，嚴重威脅邊坡的整體穩定性。

圖8為不同工況24h降雨結束后邊坡潛在滑動面示意圖，從圖8中可以看到，各工況下的潛在滑動面下限均位于全風化層內，且隨著降雨強度的增加，邊坡潛在滑移面在水平向及縱向上范圍越來越大。初始工況下，即未降雨時邊坡潛在滑移面后緣與前緣之間水平距離為56m，大雨、暴雨、大暴雨及特大暴雨工況下，降雨24h后邊坡潛在滑移面后緣與前緣之間水平距離分別為65、69、89、95m，較未降雨時分別增加約16.1%、23.2%、58.9%、69.6%。初始工況下，即未降雨時邊坡潛在滑移面最大深度為12m；大雨及暴雨工況下，降雨24h后邊坡潛在滑移面縱向深度較初始工況變化不明顯；大暴雨工況下，降雨24h后邊坡潛在滑移面縱向最大深度為20m，較未降雨時增加約66.7%；特大暴雨工況下，降雨24h后邊坡潛在滑移面縱向深度較大暴雨工況變化不明顯。

邊坡受降雨影響而形成滑坡災害之前，會有一段孕育過程，當降雨強度為大雨及暴雨時，雨水以徑向滲流為主[13]，垂直入滲強度低且入滲量較小，因此坡體潛在滑移面縱向深度增加不明顯；當降雨強度為大暴雨時，雨水徑向及垂直入滲強度均增加，因此坡體潛在滑移面水平向及縱向范圍也相應變大；在大暴雨工況下，坡體潛在滑移面的下限位于全風化花崗巖與中風化花崗巖交界處，由于中風化巖體滲透性極差，當降雨強度為特大暴雨時，雨水難以進一步下滲，因此坡體潛在滑移面縱向深度不再增加[19]。

圖8 不同降雨強度持續降雨24h后斜坡潛在滑移面

5 結論

以浙西南某農村山區典型斜坡為工程背景，通過數值模擬分析了不同降雨工況下邊坡滲流和穩定特性，主要獲得以下結論：

(1)在降雨作用下，以淺層滲流為主，降雨開始后表層土體孔壓響應迅速，深層土體孔壓響應明顯滯后；表層土體內部孔壓隨著降雨的進行先快速增大后趨于平緩，且降雨強度越大，孔壓增長越快；受雨水入滲影響，全風化層內部形成了滲流的優勢通道；隨著降雨強度的增加，坡體內部浸潤線呈現整體下移的趨勢。

(2)隨著降雨的進行，土體含水量不斷增加，邊坡內部孔壓增大，有效應力降低，導致土體抗剪強度下降，邊坡安全系數降低，大暴雨及特大暴雨工況下，邊坡安全系數較初始狀態分別下降約14.8%、26.2%；降雨強度越大，邊坡安全系數下降幅度越大，進入欠穩定狀態的時間越短；各工況下的潛在滑動面下限均位于全風化層內，且隨著降雨強度的增加，邊坡潛在滑移面在水平向及縱向上范圍也越大。

(3)本文建立的數值計算模型來自于對高精度工程地質調查結果，具有很好的代表性，研究成果能夠為類似地區切坡建房、切坡修路工程的風險評估提供參考。