基于GeoStudio 的小嶺后滑坡穩定性分析

張 伍,童柳華

（安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南 232000）

0 前言

滑坡在我國是一種常見的地質災害,其不僅會誘發嚴重的地質隱患,更會導致人類生命財產遭受巨大損失[1]。滑坡地質結構穩定性研究,作為邊坡結構安全性防護的重要理論基礎,其也成為滑坡研究的重點[2]。目前,滑坡穩定性分析方法主要基于極限平衡法和以有限元為主的數值分析法等研究理論,邵龍潭[3]等對傳統極限平衡理論進行了擴展,并對土體內某一點的極限平衡狀態與土體沿整個滑動面的極限平衡狀態之間的關系進行了探討,進而定義了土體沿滑動面的安全系數并進行穩定性分析；丁恒[4]等利用Flac3D 數值模擬分析,對滑坡進行穩定性評價；倪曉輝[5]則采用GeoStudio軟件分析淺層滑坡不同工況下失穩概率及穩定性,其以降雨因素研究淺層土質滑坡為主并提出具體防治措施。

龍泉市屬亞熱帶季風氣候,溫暖濕潤,整體地勢較高,降雨受地形增強作用明顯,降雨充沛。以強降雨作為一種重要因素的定量危險性分析評價就顯得格外重要。不同區域不同時刻,影響滑坡發生的主要因素也就不同。浙江省極端暴雨工況下的滑坡災害分布廣泛,但也具有明顯的分布規律[6]。考慮到小嶺后滑坡坡體土層較厚且滑坡面在一定程度上由降雨量所控制,本文利用GeoStudio 軟件對不同降雨工況情況進行解析,闡明其穩定性與降雨量有著不可分割的關系。研究表明,滑坡失穩的主要誘發因素多為水的作用,降雨及水位漲落產生常導致滑帶抗剪強度下降（飽和區有效應力降低、非飽和區基質吸力降低、土體產生軟化）,削弱了滑坡穩定性[7-8]。通過對小嶺后滑坡的進一步分析,以期查明降雨環境下巖土體中地下水的滲流特征及其安全穩定系數,為浙江省滑坡工程防治提供理論依據。

1 滑坡概況

小嶺后公路邊滑坡位于龍南鄉蛟垟村小嶺后自然村西側山體斜坡上,地處中山區,斜坡海拔高程1102.6 m～1278.2 m,最大相對高差175.6 m,自然斜坡地形坡度15°～30°,剖面形態呈折線狀,前緣坡度較緩,坡度15°～20°,坡體開墾為梯田；后緣斜坡25°～30°,植被以毛竹、松木為主,坡體中前部臺階狀水田大部分已荒廢,坡腳為鄉級公路。滑坡發生于坡體微溝處,該處微溝溝道寬2 m～5 m,兩側岸坡高1 m～3 m,溝口直對公路。坡面出露地層巖性為下白堊統高塢組（K1g）晶屑熔結凝灰巖,巖石風化程度較高。現有邊坡未出露基巖,殘坡積層（Qel-dl）主要為粉質粘土,灰褐色,厚度0.5 m～1 m,可塑狀,稍濕～濕,偶見碎礫石,含量＜5%,碎礫石呈棱角狀～次棱角狀,原巖成份為凝灰巖。該滑坡（圖1）發生于2017 年8 月20 日,受連續降雨影響,微溝溝岸發生多處滑坡,周邊發育多條拉張裂縫,滑塌體下滑過程中,對溝底土層進行刮蝕、刨鏟,帶動底部松散土層沿溝口方向滑動,威脅前緣道路過往行人及車輛。滑坡體平面形態呈條帶狀（圖1）,滑坡體前緣寬后緣窄,前緣面最大寬度18 m,后緣面寬8 m,軸線長約60 m,主滑方向約225°,滑坡后緣海拔高度為1142 m,剪出口海拔高度為1120 m,滑體組成物主要為第四系殘坡積層及下白堊統高塢組全風化晶屑熔結巖,滑體厚3 m～5 m,滑動面位于全風化層中,滑坡整體呈條帶狀。

圖1 滑坡全貌

2 地質因素分析

2.1 地層巖性

巖性松疏、滲透性好為滑坡發生提供了物質基礎。邊坡土體厚度較大,表層部分殘余邊坡層厚度為0.5 m～1.0 m,巖性為黏土、塑性,工程地質性質較差；全風化巖石大部分已風化成土,遇水易軟化,最大厚度超過5 m,工程地質性質較差。滑坡主要物質組成均為殘坡積和全風化物質,強降雨期間全風化層多位于地下水位附近,受地下水浸泡,土體飽和,抗剪強度顯著降低,力學性質變差,逐漸形成貫通的軟弱層。

2.2 地形及地貌

滑坡所在山體地形由陡峭開始變得緩慢,微地貌呈凹形,有利于集中水源,坡腳處有高速公路切坡,這為斜坡的不穩定提供了重要條件。因此,地形和地貌條件有利于滑坡的形成。

2.3 氣象與水文

強降雨引起斜坡巖土體地下水水位上升,基質吸力降低和孔隙水壓力增加是其斜坡發生變形破壞的主要原因[9]。連續的暴雨會使大量雨水下滲到坡體內部,增大了巖土體重度,同時浸潤飽和了斜坡上的殘坡積層和全風化層,最終導致巖土體力學強度下降,滑坡體上部分下滑力明顯增加,從而導致斜坡土體蠕動下錯。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

滑坡模型見圖2,山坡高100 m,長200 m,將邊坡劃分為粘土、粉質粘土、全風化層和中風化層四個區域,滑坡區域網格單元尺寸均設3 m,劃分1418 個網格節點及1351 個網格單元。確定模型的地下水邊界和降雨邊界,把左側為定水頭時的穩態計算結果當作初始條件,利用GeoStudio 軟件中的Slope/ W 具有可以引入Sigma/ W 和 Seep/ W 計算結果的功能,以及 Sigma/W 可以引入 Seep/ W 計算結果的功能,分別計算考慮耦合情況下和不考慮耦合的情況下邊坡的安全系數,以此來進行邊坡穩定性的評價。

圖2 模型劃分示意圖

圖3 水土特征曲線

3.2 計算原理

首先在 Seep/ W 中建立有限元分析模型,經過有限元計算后,得到瞬時孔隙水壓力,將所計算的結果導入至 Sigma/ W,得到不同時刻滲透力作用下的應力應變。Slope/ W 導入 Seep/W 的結果得到不考慮降雨即非耦合以及在不同降雨條件下即耦合時安全系數的計算[10]。

3.3 參數確定

根據斜坡所在地區的自然情況,不考慮地震對此地區的影響,進行不同降雨工況條件下的滑動面推測穩定性分析評價[11]。本次連續降雨期間狀態分為四種工況,降雨強度分別取35 mm、75 mm、110 mm、250 mm,見表1。采用 Geostudio軟件來模擬降雨之后的地下水滲流場（主要考慮地質模型中,巖土體彈性模量、泊松比等參數較難精準獲取,故本次模型分析未選用應力應變耦合）,在此基礎上計算斜坡的穩定性系數。通過巖土試驗和該地區巖土體的經驗參數和反演綜合確定模擬參數取值,見表2。

表1 降雨工況劃分標準表

表2 滑坡穩定性計算參數取值表

3.4 計算結果分析

3.4.1 滲流場分析

采用Geostudio 中的Seep/W 模塊對模型進行滲流探究,不同降雨工況的滲流情況即孔隙水壓力隨時間的變化規律,見圖4。由圖可知,孔隙水壓力在不同降雨條件下的值,會隨降雨時間的增加而不斷升高,負孔隙水壓力會減小,基質吸力減小,且高強度的孔隙水壓力值較低強度的孔隙水壓力值增長的更快[12-13]。以48 小時末的數值為例,孔隙水壓力的數值由大到小的工況依次是特大暴雨、大暴雨、暴雨、大雨。因為,在同一時間段下,高強度的工況降雨量更大,孔隙水壓力增長更快。由圖4 可以看出,負孔隙水壓力值隨著不同降雨量及時間增加至正值,表明這幾種常見的工況均能使土體達到飽和狀態,但是飽和狀態都大不相同。圖5 中可以看到在特大暴雨條件下前期孔隙水壓力增長較快,但時間到達24時,土體近似達到了飽和狀態,速率降低且趨于平緩,可以看出降雨下滲隨著時間的增長,滲透能力開始下降,孔隙水壓力增長也開始變得緩慢。當土體中滲透大量水源時,土體會達到飽和狀態,雨水就不能繼續下滲,孔隙水壓力就會保持基本不變,此時坡面徑流量變大。雨水入滲會削弱土體的抗剪強度,改變土體天然重度,對土體穩定性產生影響[14]。此外,由于高強度降雨持續時間短,土體蒸發與入滲時間有限,極易在表面形成徑流,需采取排水設施,避免大量水流攜帶泥土沖刷坡體。

圖4 不同工況孔隙水壓力與時間關系

圖5 特大暴雨條件下孔隙水壓力與時間關系

3.4.2 穩定性分析

通過Seep/W 模塊計算出降雨前即初始工況下的穩態滲流場,以此結果為初始狀態加上不同降雨工況模擬降雨入滲過程和滲流場變化,然后將滲流場導入 SLOPE/W 穩定性計算模塊計算滑坡的穩定性,計算結果見圖6。

圖6 各工況壓力水頭圖

根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864-2016）中,滑坡穩定性由核算出的穩定性系數進行劃分,見表3。

由圖6 結合表3 可知,不同降雨工況下滑坡穩定性依次為：工況1＜工況2＜工況3＜工況4。斜坡在天然、大雨和暴雨工況下,均處于穩定狀態;由圖6（b）和圖6（c）可以看出,斜坡穩定性系數開始變小,處于基本穩定狀態,這主要是因為不同降雨量改變了滑坡體的力學性能而削弱了巖土體的強度參數,且地下水的上升導致基質吸力降低和孔隙水壓力增加,穩定性系數就會迅速降低；在特大暴雨工況下,孔隙水壓力急劇增高,土體穩定性變差,與之前所討論的孔隙水壓力的變化相對應,因此容易形成滑坡。

表3 滑坡穩定狀態劃分

4 結論

（1）隨著長期的連續暴雨降落到地表,雨水逐漸下滲到滑坡體內,土體間孔隙水壓力值開始逐漸升高。當滑坡體處于特大暴雨狀況下,滑坡體內孔隙水壓力值會達到最大并且逐漸趨于穩定,此時滑坡體達到飽水軟化狀態,滑坡面阻滑能力大大降低,滑坡體整體開始下滑。

（2）以小嶺后滑坡模型為實驗基礎,通過Geostudio 軟件模擬出蛟垟小嶺后滑坡在不同降雨情況下地下滲流場孔隙水壓力以及穩定系數變化情況,揭示了滑坡體會隨著降雨量和時間的不斷增加而導致穩定性開始逐漸下降。對特大暴雨工況重點分析得出,穩定性系數小于1 且失穩概率接近100%,極其容易發生滑坡。