基于降雨作用的陡傾順向巖質滑坡變形破壞機理研究
——以蘄春縣牛沖村滑坡為例

朱文慧,鄒 浩*,何 卓,李又升,何明明

(1.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質局 第三地質大隊,湖北 黃岡 438000;3.中南冶勘資源環境工程有限公司,湖北 武漢 430035; 4.中國地質大學(武漢),湖北 武漢 430074)

降雨是滑坡的重要觸發因素之一[1],許多學者開展了降雨對滑坡的作用機理研究。Lourenco et al.[2]分析了不同土層在相同降雨條件下,孔隙水壓力的變化情況。Lim et al.[3]通過對南洋理工大學校園內的殘積土斜坡進行降雨模擬試驗,取得了坡體中基質吸力變化規律。蘭恒星等[4]分析了孔隙水壓力對香港淺層邊坡穩定性的影響,得出滑坡是因為降雨導致瞬時孔隙水壓力發生了變化。李峰等[5]研究了非飽和土體的吸力、吸水軟化、地下水位等方面隨降雨入滲量而變化的特性,建立了考慮非飽和土滲透系數空間變化特性的降雨入滲模型。銀明鋒[6]采用室內模型試驗與理論分析的方法探索了風化巖質邊坡在降雨條件下的滲流和滑坡機理。王維早等[7]通過在典型滑坡體開展地下水現場監測、高密度電法等試驗研究南江縣平緩淺層堆積層斜坡的降雨入滲規律,發現隨著降雨的繼續,飽和區域不斷由坡體前緣沿著基覆界面向坡體的中后部推移,水位不斷上升,孔隙水壓力逐漸增大。DeGraff et al.[8]分析得出降雨引起的地下水滲流產生的動水壓力是滑坡發生的主要因素。周中等[9]通過現場試驗發現變形量從坡面到坡體深部逐漸減小,入滲率隨時間逐漸減小。崔云等[10]構建了水動力作用模型,得出了強降雨控制滑坡發育集中表現在改變土體的靜水壓力、動水壓力與浮托力作用三方面的結論。李濱鍔等[11]從水力耦合角度出發建立了二維水力數值模型,分析了雨強、滲透系數和初始條件對地下水位變化的影響,并得出坡內地下水力學作用主要表現形式為浮托力、靜水和動水壓力,三者通過影響改變坡體下滑力和抗滑力的大小來影響穩定性。

大量研究結果表明,降雨對滑坡的觸發作用是一個動態過程[12-13],通過分析降雨作用下滑坡滲流場、應力應變場、位移場的變化特點,掌握滑坡發生變形破壞的特征規律,從而為滑坡防治、監測預警提供科學依據。

黃岡市位于大別山南麓,具低山丘陵地貌,變質巖發育,地質構造復雜,是鄂東北地質災害典型地區,地質災害具有典型的雨災同期的特征[14],其中降雨型滑坡是黃岡市的主要地質災害類型[15]。本文綜合分析黃岡市近10年來地質災害詳查、風險調查評價、風險普查等成果報告及相關調查資料,在滑坡特征統計分析的基礎上,采用四級綜合分類體系,針對降雨型滑坡的地層巖性及物質組成、地形坡度、巖層傾角、斜坡結構等四要素的基本特性及內外在聯系,以此組合建立黃岡市絕大部分降雨型滑坡的基本地質概化模型(圖1)。

圖1 滑坡基本地質概化模型體系框圖

按照以上的綜合分級法,可將不同類型自由組合的滑坡地質概化模型類型分為54種。統計不同組合的滑坡實例發現,黃岡市變質巖區控制結構面主要的滑坡地質概化模型類型包括:陡傾順向巖質滑坡、特殊結構類土質緩坡、緩傾順向巖土混合質滑坡等,其中陡傾順向巖質滑坡類型最為常見,在地質災害高易發區、極高易發區中占有較大比重。

1 陡傾順向巖質滑坡地質概化模型

滑坡地質模型是對滑坡變形破壞條件和規律的科學模式的概括,同時也是力學模型、監測模型和預測模型的基礎[16]。研究它的主要目的在于把握斜坡變形破壞的基本規律和主控因素,建立科學的斜坡變形破壞地質模型體系,為力學—數學模型、監測模型建立及穩定性評價奠定基礎,以模型宏觀反映斜坡穩定勢態、變形趨勢及破壞方式。

本文從陡傾順向巖質滑坡實例中選取蘄春縣檀林鎮牛沖村滑坡開展研究,基于該滑坡基本特征與變形特征分析,構建該陡傾順向巖質滑坡地質概化模型,利用GeoStudio軟件進行巖土工程數值模擬的有限元分析,深入研究降雨入滲條件下,該類型滑坡邊坡滲流場、應力場、位移場及其穩定性系數的演化規律,據此分析黃岡地區典型降雨型滑坡變形破壞的力學機制,以指導降雨型滑坡的勘查、評價、預報和防治工作。

1.1 牛沖村滑坡概況

牛沖村滑坡位于蘄春縣檀林鎮,滑坡后緣高程約350 m,前緣高程約313 m,相對高差約37 m,主滑方向約125°,坡度在35°～45°之間,滑坡面積約2 572 m2,滑體平均厚度約5 m,體積約1.3×104m3,為小型巖質滑坡。坡體主要分為上、下兩層結構:上層為滑體,主要為強風化花崗質片麻巖,強風化層厚度在1.7～5.9 m間不等,滑帶為強弱風化層接觸面;下層為滑床,為中風化花崗質片麻巖,片麻理產狀為157°∠60°,在連續降雨作用下發生滑移。

1.2 模型建立及參數選取

本模型選取牛沖村滑坡滑動前的原始剖面(圖2),構建滑坡的二維概化模型(圖3)。坡體巖性概化為兩種類型:強風化巖、中風化巖,各種主要使用的巖土體材料參數如表1所示。網格剖分以1 m為全局大概的單元尺寸,計算單元大部分為四邊形單元,局部區域有少量三角形單元,共剖分為3 542個單元、3 543個節點。

表1 巖土體材料參數

圖2 牛沖村滑坡工程地質剖面圖

圖3 牛沖村滑坡二維概化模型圖

1.3 降雨歷時及地下水位設置

黃岡市汛期滑坡主要由短期降雨過程誘發,與滑坡發生前3 d累計降雨量的相關系數最高,受3 d以上累計降雨量的影響較小。因此,研究黃岡市降雨型滑坡的有效降雨量只需要考慮滑坡災害點發生之前3 d的累計降雨量和未來24 h的預測降雨量[15]。研究牛沖村滑坡發生前一個連續降雨過程對邊坡穩定性的影響,需要重點研究滑坡發生當日以及前3 d降雨量的影響,根據該滑坡所在地的實際降雨過程,選取前6天—前4天3 d累計降雨過程作為初始狀態(圖4)。以滑坡發生前一段連續降雨為標準,選取滑坡發生前6 d及當日降雨量進行預警判別和數值模擬,詳細數據見圖5。

圖4 牛沖村滑坡數值模擬初始狀態圖

圖5 降雨歷程圖

2 降雨作用下滑坡變形破壞機理研究

2.1 坡體孔隙水壓力變化

孔隙水壓力是指土壤或巖石中地下水的壓力,該壓力作用于微粒或孔隙之間。對于無水流條件下的高滲透性土,孔隙水壓力約等于沒有水流作用下的靜水壓力。根據工程類比法,結合滑坡所處地質環境條件,假定牛沖村滑坡的初始地下水位線位于中風化基巖層中,地下水位線以下的區域孔隙水壓力為正,地下水位線以上的區域孔隙水壓力為負、基質吸力為正,孔隙水壓力沿高程方向呈線性分布。從圖4-a中可以看出,前期3 d累計降雨量對于坡體表面孔隙水壓力的影響有限,說明前期連續降雨對坡體的滲流場影響較小。此后在不同時刻降雨期間,坡體孔隙水壓力分布規律如圖6所示。

圖6 前3天—當日滑坡坡體孔隙水壓力分布圖

由圖6從降雨過程中可以看出,地下水位線大體位于滑床內,變化幅度非常小。基巖中孔隙水壓力變化較小,滑體局部孔隙水壓力明顯增加。降雨沿坡面向坡體內入滲,孔隙水壓力由坡面整體向坡體內增加;隨著降雨量的累計,坡頂處孔隙水壓力響應比較強烈,變化增速更快,并沿著坡表面向滑體內移動,滑體中部孔隙水壓力變化程度較小。滑坡發生時,水位線以上坡體的孔隙水壓力總體仍未達到飽和狀態,與初始狀態下相比,孔隙水壓力的影響區域僅在坡體淺層區域。

從降雨歷時條件分析可知,滑坡發生前6天—前4天的累計降雨量相對較小,對坡體孔隙水壓力影響較小;滑坡發生前3天、前2天和當日的有效降雨量均明顯小于前1天的有效降雨量。從對應的孔隙水壓力分布圖(圖6)來看,前3天、前2天和當日的孔隙水壓力變化不如前1天的坡體孔隙水壓力增長得快,因此,前1天的短時強降雨作用對該滑坡的孔隙水壓力影響最大。

2.2 坡體應變場變化

物體受力產生變形時,體內各點處變形程度一般并不相同,剪應變是用來描述巖(土)體某一點處變形程度的力學量。在上節模擬該滑坡發生前3天、前2天、前1天以及當日的降雨瞬態滲流過程的基礎上,對降雨過程應變場變化模擬進行分析,通過模擬降雨作用下該滑坡最大剪應變的變化規律,探究坡體在降雨過程中內部應變場的變化情況,其計算結果如圖7所示。

圖7 前3天—當日滑坡坡內最大剪應變云圖

在滑坡孕育過程中,最大剪應變的發生發展過程展示了滑坡滑移面形成過程和邊坡變形破壞的機制。最大剪應變最先出現在滑面附近,此位置滑體厚度較大,受降雨影響明顯。隨著降雨時間的推移,最大剪應變逐漸增加,并沿滑面向坡面和滑體前、后緣發展,在滑面處出現明顯的應變集中現象,此處發生較大變形,局部先出現不穩定。

2.3 坡體位移場變化

在坡體應變場變化規律的基礎上,研究坡體位移場的變化。降雨期間坡內位移變化情況如圖8所示。

圖8 前3天—當日滑坡坡內位移云圖

從初始狀態位移場云圖(圖4-c)可知,滑坡發生前6天—前4天的累計有效降雨量對邊坡位移的影響不大,模型初始位移量為0.008 m。由圖8可知,滑坡發生前3天、前2天、前1天、當日最大位移量分別為0.012、0.014、0.016、0.022 m,該邊坡與初始狀態相比位移增加175%。由此可知,隨著降雨量的增加,位移量出現較大變化,且主要集中于坡體中后部,位移變化最小處為坡腳,位移自坡體表面向坡內呈現出由大到小橢圓形分布。

2.4 邊坡穩定性分析

根據降雨作用下滲流場、應變場、位移場分析的結果,計算未降雨時邊坡穩定性與滑坡發生當日的穩定性(圖9)。

圖9 滑坡穩定性云圖

根據邊坡穩定性系數隨降雨量的變化曲線和邊坡穩定性系數隨位移量的變化曲線(圖10)可知:在降雨過程中,巖土體含水率增加,強度參數減小,邊坡穩定性下降,位移量增大。從初始邊坡位移場和穩定性可看出,滑坡發生前6天—前4天的降雨效應對邊坡穩定性的影響不大,初始條件下邊坡最小穩定系數為1.106,位移量為0.008 m;隨著降雨量的不斷增加,滑坡的穩定性系數不斷減小,最大位移量不斷增加。滑坡前3天邊坡最小穩定性系數為1.045,較初始狀態減少了5.5%,最大位移量為0.012 m;滑坡前2天邊坡最小穩定性系數為1.027,較初始狀態減少了7.1%,邊坡最大位移量為0.014 m;滑坡前1天邊坡最小穩定性系數為1.002,較初始狀態減少了9.4%,邊坡最大位移量為0.016 m;滑坡發生當日邊坡最小穩定性系數為0.923,較初始狀態減少了16.5%,從初始狀態到滑坡發生,邊坡最大位移量為0.022 m。

圖10 邊坡穩定性系數變化曲線圖

邊坡的穩定性系數隨著降雨時間和降雨量的增加持續減小,位移量持續增加。降雨對邊坡的不利影響主要發生在降雨的中后期,并且有效降雨量越大,邊坡穩定性系數和位移變化量越大,在滑坡發生當日穩定性系數減少比例達到前期的3倍,由此說明降雨入滲需要一定時間,部分巖土體的物理力學參數衰減需要一定時間,滑坡失穩一般在強降雨階段期或滯后。

3 結論與建議

通過降雨作用下陡傾順向巖質滑坡變形破壞機理研究獲得以下認識與建議:

(1) 陡傾順向巖質滑坡是黃岡市汛期主要滑坡類型之一,具有危害大、突發性強的特點,值得在實踐中進一步研究其變形破壞機理。

(2) 降雨對該類滑坡的變形破壞具有累進誘發作用,尤其是降雨歷時和有效降雨量與滑坡的變形程度(應力應變場、位移場)變化呈正相關。

(3) 降雨中該類滑坡變形破壞程度表現在其滲流場、應力應變場、位移場方面的規律性改變狀況,總體特點是:隨著降雨持續,除坡體淺層外在滑體中后部與滑面處的孔隙水壓力響應變化明顯,且破壞前1天的坡體孔隙水壓力增長變化快;剪應變在滑面處明顯存在且為最大值,并向坡表面和滑體前、后緣方向發展;位移變化主要集中在坡體中后部,自坡體表面向滑面呈現出由大到小橢圓形分布。

(4) 該類滑坡是否產生明顯變形破壞取決于災害發生當日和前3 d的累計降雨量,即對應的有效降雨量狀況,在此過程中滑坡的穩定性系數持續降低,且在降雨的中后期穩定性改變更明顯,在滑坡發生當日穩定性系數減少比例達到前期的3倍。

(5) 據此類滑坡降雨作用下的變形破壞機理研究,要求在勘查中加強該類滑坡的斜坡物質結構特點、空間滲透性等方面工作,同時在監測預警工作中加強坡體中后部與滑面的監測等。