降雨入滲對滑坡體穩定性的影響分析

陸健

（廣西壯族自治區三〇五核地質大隊，廣西 柳州 545025）

0 引言

滑坡具有突發性、階段性和復活性。其以摧毀和掩埋為主要危害方式，有時還會誘發泥石流等次生災害。降水誘發滑坡的原因是由于降水時地表水流進入巖土中，增加了坡體的自重和增加了孔隙水壓力，使坡體在極限平衡條件下發生了滑動。雨水從地表流向地下水，并轉化為地下水，從而浸潤和軟化滑動面，降低邊坡的抗剪強度。干濕交替反復導致巖體和土體開裂，產生大量節理間隙。滑坡變形破壞過程可分為以下3 個階段。

（1）雨水入滲階段，在降雨條件下，匯水區的雨水沿著地表優勢通道流入滑坡體，坡體表面排水系統不足以有效起到排水作用，雨水無法及時流出，沿著地表殘坡積土層孔隙大量下滲，坡體自重顯著提高，導致下滑力增大。

（2）蠕變階段。持續的降雨促使地表水下滲至含碎石粉質黏土和基巖的接觸面內，使軟性巖土體達到飽和狀態，抗剪強度大大降低，在上部壓力及自重的作用下逐漸開始形成蠕變。由于下伏土壤巖石的抗水性相對較好，滑動面上的地下水沿著土壤表面形成向上壓力，對滑坡區的土體造成“向上效應”。另一方面，在持續強降雨后，添加的地下水無法及時排出，導致孔隙中的充水高度急劇增加，邊坡巖土體上的水平靜水壓力持續增加。

（3）斜坡滑動階段。在持續降雨的條件下，由于軟土層的蠕變，以及在含礫石粘性土后緣裂縫中產生的“升力”和水平“靜水壓力”的共同作用，斜坡形成貫通滑動面，斜坡沿軟弱層臨空面滑動，形成滑坡。

1 滲流對土體及邊坡穩定的影響

1.1 降雨作用影響分析

1.1.1 雨水對坡面的入滲、沖刷作用

坡體表面受流水沖刷，當雨水入滲轉為地下后，使斜坡土體加速由硬塑～可塑狀變為可塑～軟塑狀，降低力學強度，加之產生的動水壓力，促使坡體整體下滑。部分坡體坡腳存在水溝、河流、溝谷等，雨水侵蝕坡腳，破壞坡體，改變邊坡結構。同時，由于降雨進入地表，導致巖土嚴重增大，對土壤和巖體結構面的充填物的物理性質產生了影響，在土壤和巖體的構造面上，由于水分含量的變化，導致了從硬塑～可塑性到可塑～軟塑性，從而導致了土體的機械性能下降、內聚力和內摩擦角下降，從而改變了原有的穩定性，從而導致斜坡的整體穩定性下降。

1.1.2 斜坡的變形與暴雨的激發作用

坡體的破壞是一個長期的變形累積過程，在滑坡發生之前，其變形量相對較大。造成這種變形的一個重要因素是由于干旱、高溫和干旱，導致土壤干縮開裂；其次是人工切割坡腳，導致坡面后部受拉區發生較大的變形，并形成一系列的拉張裂隙。裂縫形成后，降雨的入滲速率和入滲量都會增大。當降水量很低時，這些渠道對降水量的影響很小，當降水量超過地面積水點時，就會形成地表徑流，而地面上聚集的雨水則會通過裂縫迅速地向坡體中流動，使裂縫中的蓄水形成有壓滲入，從而大大提高了降水量。而隨著坡體含水率的急劇上升，底板吸力急劇下降，抗剪強度下降，邊坡穩定性下降，從而在短期內出現滑坡。

雨水滲入后，斜坡內的地下水位也會上升，很難在坡腳立即排出。靜水壓力的增加會使裂縫擴大，這會導致更多的雨水滲入，斜坡的立即滑動導致斜坡的地下水和排水渠道迅速減少（當流量恒定且部分趨于零時，動態水壓趨于無窮大），并且斜坡產生非常高，導致斜坡不穩定。

通過對某縣地質災害發生時間的統計，發現災害發生最多的時間段在3—7 月，而此時間段亦是某縣每年降雨最多的時候。因此某縣地質災害的發生跟降雨有很大關系。

1.2 滑坡穩定性分析

降雨產生地表徑流外，有部分水體入滲到巖土體中，在隔水層頂面富集，形成滯水帶，長期的浸泡滯水帶土體易軟化，力學強度降低幅度較大，最終形成滑帶，降低了抗滑力，從而引起滑坡。滑坡是由于某一結構表面的剪應力超過了它的抗剪極限，從而破壞了它的平衡穩定性。破壞極限的原因是：①剪切應力增加；②土體的抗剪強度降低。雨水滲透會導致土壤逐漸飽和，導致土壤本身的體積變大，導致土壤的強度和滲透力的變化。一般認為，孔隙水壓力是由滲流在土壤孔隙之間形成的，在進行圓弧穩定分析時，盡管孔壓通過圓心時不會產生力矩，然而有效應力的降低了其抗剪強度，對邊坡穩定性有較大的影響[1]。

表1 和表2 分別為無黏性土邊坡和黏性土邊坡在各種影響因子作用下的抗滑安全系數，并與實測資料進行了比較，得出了邊坡失穩的嚴重程度。邊坡滲漏的影響主要包括靜態水荷載和動態水荷載：靜水荷載是指當含水率增加時，土的體積會隨之增大，從而使土的抗剪承載力降低，同時整個土體仍處于飽和區中的靜水中的浮力。動水力是指在土壤中的水流通過對土壤顆粒的沖刷，從而對邊坡的穩定產生一定的影響。在發生順坡出水時，滲透力對邊坡穩定性有很大的影響。在土力學上，可以將土質按不同的孔隙水壓力大小劃分為飽和土和非飽和土，通過室內實驗數據和實測數據，發現同一土層因受吸力作用而具有較高的抗剪強度，其強度比飽和土高；隨著土壤含水率的增加，土體的吸力值將會持續減小，從而使其強度顯著下降。隨著雨水的入滲，土壤含水率的增加，導致局部非飽和土向飽和土轉變，從而導致整個土體的抗剪強度下降，同時，非飽和土的內吸力下降，整個非飽和土的抗剪強度也隨之下降。相關的研究結果表明，降雨滲透降低了非飽和土的內吸力，是造成該區域滑坡的重要原因[2]。滑坡計算模型如圖1 所示。

圖1 滑坡計算模型

表1 無黏性土邊坡穩定分析

表2 黏性土邊坡穩定分析

2 降雨入滲對邊坡穩定的危害

2.1 對土質邊坡的危害

在降雨飽和狀態下，邊坡地滲流場與突然下降的水庫水位相似，是一種水力學狀況，降雨入滲往往會使土壤表面的飽和度增加，然后逐步向下移動。降雨首先在滲透率較低的坡腳處形成不透水層，然后在飽和度持續提高時，形成浸潤線，由于滲水量的不斷增大，坡腳浸潤線會持續地運動向上。可以認為，降雨的入滲是以滲透線為邊界的，當界線中的含水量持續增大時，土壤從非飽和向飽和過渡。土壤的飽和會使土壤的黏性下降到1/10 的干態，而黏性的下降會使土壤的強度下降，同時土體自重增加，孔隙水壓力增加，從而引起滑坡。土壤滲透率是決定水體入滲速率的主要因素，而滲透率是降雨對邊坡產生影響的重要因素。同時，還應兼顧降雨強度和滲透系數對邊坡的雙重作用，在降雨持續時間和強度相同的情況下，在降雨強度相同的情況下，滲透系數增加，其安全系數將顯著降低。在降水持續時間較長的情況下，土壤入滲能力隨降水強度的降低而降低，而在這段時間內，安全系數隨滲透率的減小而下降。

2.2 對巖質邊坡的危害

巖體結構面的剪切強度對邊坡穩定性有很大的影響，巖石的構造面分為硬、軟兩種類型。硬質構造面是指在沒有填充物的微風化構造面上，滲透不會對其抗剪強度產生影響。軟弱結構面主要由節理裂隙、充填物為泥質斷層、層間錯動帶等構成，軟弱結構面由于毛細管的吸水性，往往在地下水位以下或毛細水區域時，其抗剪強度已經達到最大，因此即使雨水充盈，軟結構表面的抗剪強度也不會反復下降。雨水入滲使邊坡內部的滲流場發生變化，而水體的入滲則會使邊坡的荷載量增加，從而導致滑坡。降水入滲對地下水的影響主要表現為地下水上升和瞬態飽和帶的產生。地下水上升是一個連續的過程，但是，降水強度、降雨時間的增加會導致土壤非飽和區域出現暫態飽和區。降雨結束后，瞬態飽和區域很快就會消失，盡管瞬態飽和區的產生僅在一剎那，但其瞬時的加載增量要比靜載增量大得多，是導致滑坡災害的重要原因[3]。

3 降雨型滑坡治理分析

3.1 降雨型滑坡治理方案分析

針對滑坡的性質、成因、規模、滑體厚度、滑坡的危險性等，提出了一下滑坡防治的對策：①繞避。對于一些規模龐大、難以治理的山體滑坡，若要整治，工程規模龐大，通常采取繞道措施。②抗滑擋墻。防滑擋土墻可用于淺層滑坡的防滑擋土墻治理，為了提高墻體的抗剪強度，可在地基上設置倒坡或加凸樺。③抗滑明洞。由于開挖造成的工程滑坡會使原有的山體失去原有的平衡，由于滑坡的前緣臨空面高，下滑力大，若采用防滑明洞，在明洞頂部回填，使山體的平衡得到改善，比其他的工程措施更經濟、合理。④注漿。綜合整治滑坡，單靠一項工程措施常常不是最好的解決辦法，應將各種工程措施有機地結合在一起進行綜合整治，采取了削方減荷與防滑擋墻結合明洞與抗滑樁明洞與防滑樁結合抗滑樁與防滑樁，將錨桿索與防滑擋墻結合，將錨索與抗滑樁結合在一起，形成了一系列的綜合治理措施[4]。

上文只列出了部分綜合整治工程，其他的組合方案還有很多，其目的是將不同的治理方法結合起來，形成一種最有效的治理方法，減少滑坡治理的成本。在各類綜合整治工程中必須重視與地面排水工程相結合的措施降低洪水對山體滑坡的破壞，在有可能的情況下對山體滑坡進行綠化。

3.2 降雨型滑坡治理方案優化決策方法研究

實踐證明，正確的滑坡防治措施是治理滑坡的先決條件，然而，選擇一個抗擊山體滑坡的系統是一個“因地制宜”的科學決策問題。現實狀況差異很大，在進行滑坡治理決策時，它不僅關系到滑坡的條件和條件，還關系到經濟、技術、環境以及專家和決策者的個人素質，為了更加準確地評估滑坡災害，研究人員開發了新的滑坡災害評估和治理優化決策方法。該方法采用地理信息系統（GIS）和遙感技術，對滑坡災害發生地進行的地貌分析，包括地面高程、地表面形態、山體形態和地質構造等。此外，研究人員還運用目前較為先進的滑坡災害預測技術，如統計學災害預測模型、機器學習災害預測模型、異常檢測理論災害預測模型等，進行了更加精確的滑坡災害發展趨勢預測及治理優化決策。

3.3 二維碼定位法及其在降雨滑坡治理方案群決策中的應用

二維碼的定位方法，包括：對二維碼圖像進行預處理，獲得二值化圖像；二維碼的粗定位，計算二值化圖像中相鄰像素點的對比度，若對比度接近對比度閾值，則認定將該相鄰像素點為二維碼區域，完成二維碼區域的粗定位；，二維碼的精定位，提取粗定位二維碼圖像區域的邊緣輪廓，對提取的邊緣輪廓進行直線擬合，擬合成4 條直線，4 條直線的交點即為二維碼的角點，兩組對角點的連線交點即為二維碼的中線點，完成了二維碼的精定位。對依次進行二維碼粗定位和精定位，實現了二維碼交點在圖像中的精準定位通過對比度實現了二維碼輪廓粗的初步提取，在基于直線擬合來你和輪廓線，實現二維碼角點在圖像中的精定位[5]。邊坡失穩是山區地質災害中常見的現象，中國是一個多山的國家，因此邊坡失穩是一個非常普遍的地區，每年的雨季都會發生許多邊坡失穩給國家和人民的生命財產帶來幾十億計的損失，所以邊坡的治理研究非常重要。

4 結語

綜上所述，對于降雨型滑坡的評估和控制，還需要開展更多、更深入的工作。加強對暴雨型滑坡的危害，加強多學科、多部門協同配合，是預防和控制滑坡災害的重要途徑。目前，氣象、水文、地震等部門已建立了獨立完整的觀測臺網，利用各學科、部門建立的觀測臺網，建立了雨量型滑坡監測系統，既節省了成本，又提高了工作效率，同時也符合了降雨型滑坡的多學科特征。