降雨誘發型殘坡積土滑坡分析范文

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《防災減災工程學報》2016年第4期

摘要：

以馬家村滑坡為例，用有限元方法分析了降雨入滲條件下殘坡積土斜坡的暫態非飽和滲流場，用極限平衡方法分析了殘坡積土斜坡的滲流穩定性。分析了斜坡結構、臨空面、降雨對斜坡變形與穩定性的影響，分析了降雨誘發殘坡積土滑坡的過程。降雨誘發殘坡積土滑坡的機理為：降雨入滲使殘坡積土斜坡中形成軟弱帶；坡腳開挖使斜坡坡面出現拉張裂隙；降雨使坡面裂隙中充滿水，導致斜坡土體飽和，抗剪強度降低，同時產生動水壓力，不利于斜坡的穩定；當斜坡的下滑力大于抗滑力時發生滑動。

關鍵詞：

暴雨滑坡；殘坡積土；非飽和滲流；裂隙；穩定性分析

引言

殘坡積土滑坡是一種廣泛分布的地質災害，該類型滑坡大多具有淺層性質?；碌陌l生受其物質條件、結構條件、環境條件的綜合影響，其中環境條件最為活躍。據統計，大多數殘坡積土滑坡是暴雨或久雨后發生的，表明降雨作用對該類型滑坡的發生具有重要的影響。對于降雨引發滑坡的規律，國內外學者進行了大量的研究工作。戴福初等［1］通過三軸試驗分析了殘坡積土的力學性質，認為暴雨誘發淺層殘坡積土滑坡是排水剪脹破壞及不排水應變軟化、破壞擴展的復合機制。姚海林等［2－3］指出膨脹土中的干縮裂隙對于雨水的入滲起著控制作用。張玉等［4］研究了大型堆積體滑坡的降雨入滲機制及動態變形機制。劉禮領等［5］分析了暴雨型滑坡降水入滲機理，認為土質斜坡中裂隙的存在導致了暴雨后滑坡大面積發生。張明等［6］分析了川東緩傾紅層斜坡在降雨過程中的地下水滲流場，并通過環剪試驗研究了滑帶土的特性，認為久雨之后的暴雨是滑坡發生的必要條件。許多學者注意到斜坡裂隙對于雨水入滲的重要影響［7－12］，但對于裂隙的形成還沒有系統的研究。斜坡從完整狀態到發生滑坡，裂隙的產生是一個不容忽視的過程。本文以寧夏馬家村滑坡為例，分析了殘坡積土斜坡從完整狀態到產生裂隙，再到暴雨后發生滑坡的過程和機理，對殘坡積土滑坡的防治具有一定的指導意義。

1滑坡特征

2013年7月，寧夏涇源縣境內發生強降雨，月降雨量達到286mm，該縣境內共引發滑坡26處（圖1），大多數為殘坡積土滑坡。這些滑坡具有一些共同特點：①滑坡結構均為土－巖結構，表層為殘坡積土，下伏地層為砂泥巖互層；②原始斜坡具有較好的臨空面；③滑坡均發生在強降雨過后的1～5d內。本文選取馬家村滑坡作為典型進行分析。馬家村滑坡位于寧夏涇源縣涇河源鎮馬家村。在連續的強降雨后，于2013年7月18日發生了滑動?；轮芙缑黠@，平面呈圈椅狀?；麻L為40m，寬為30m，滑體平均厚度為1．5m，總方量為1800m3?；禄瑒泳嚯x約為2m，滑體前緣臨空，距離民房僅2m，威脅到居民的安全?；麦w后緣發育數條張裂隙，寬0．1～0．5m，局部有積水?；录舫隹谕馏w破碎，呈泥狀。滑坡整體坡度約20°，滑向295°，屬牽引式滑坡。該滑坡位于紅層丘陵區，出露地層為第四系殘坡積粉質粘土和古近系砂泥巖互層。第四系殘坡積粉質粘土覆蓋于斜坡表層，厚度為1～1．5m，黑褐色，土體松散，含有少量礫石。古近系砂泥巖互層在斜坡坡腳處出露，下伏于第四系殘坡積層之下，磚紅色，巖層產狀165°∠15°，表層強風化，結構破碎，局部夾石膏層?；瑤溜柡停誓酄?。滑坡剖面見圖2。滑坡區僅在地形低洼處形成局部地下水位，受大氣降水補給，水位隨降雨變動，賦存于第四系殘坡積層中。

2殘坡積土斜坡降雨入滲機理

殘坡積土屬于非飽和土，因此殘坡積土斜坡中的滲流問題屬于非飽和滲流問題。由于殘坡積層下伏地層相對透水性較差，因此可視為隔水邊界。降雨時雨水由殘坡積土層地表入滲，在土－巖接觸面聚集，會形成暫時的地下水位。在淺層殘坡積土地層中，非飽和區與飽和區的滲流是相互聯系的，稱為飽和－非飽和滲流問題。

2．1計算理論

非飽和土中的滲流符合達西定律。以總水頭h作為因變量，假定總應力保持不變，孔隙氣壓保持為恒定的大氣壓，忽略土骨架的變形。當滲透主應力方向與坐標軸一致時，二維滲流控制方程［13］為：xkxh（）x＋ykyh（）y＋Q＝mwγwht（1）式中，h為總水頭；kx、ky分別為x和y方向的滲透系數；Q為施加的邊界流量；γw為水的容重；mw為土水特征曲線的斜率，其中，mw＝θ／uw，θ為體積含水率，uw為孔隙水壓力。因此，已知土體的土水特征曲線和滲透性函數，并給定邊界條件和初始條件，就可以得到非飽和土的暫態滲流場。本文中采用有限元方法計算非飽和土坡中的暫態滲流場。非飽和土強度理論采用Fredlund等［14］提出的非飽和土抗剪強度公式：τff＝c′＋（σf－ua）ftan′＋（ua－uw）ftanb（2）式中，τff為土的抗剪強度；c′、′分別為飽和土的有效粘聚力和有效內摩擦角；（σf－ua）f為破壞面上的凈法向應力；（ua－uw）f為破壞面上的基質吸力；b為抗剪強度隨基質吸力而增加的速率，本文中假定b為常量。當土體接近飽和時，孔隙水壓力接近孔隙氣壓力，基質吸力趨于0，式（2）中的基質吸力項消失，從而變為飽和土的公式。

2．2計算模型

采用SEEP／W有限元軟件對馬家村殘坡積土滑坡進行非穩態滲流分析，用極限平衡法計算其滲流穩定性。先模擬未發生滑動的殘坡積土斜坡，坡面無裂隙。有限元計算模型如圖3所示。實際調查發現斜坡中無穩定的地下水位，模型使用的邊界條件為：①斜坡坡面為流量邊界，流量大小為降雨強度，降雨強度采用實際觀測到的7月8日～18日的降雨數據（圖1、表1）；②模型兩側殘坡積土部分為零流量邊界；③模型兩側和底面砂泥巖互層部分為不透水邊界。

2．3計算參數

計算參數包括土體的滲透性函數和土水特征曲線，以及巖土體的物理力學參數。土體的滲透性函數和土水特征曲線如圖4、圖5所示。巖土體的物理力學參數來自室內試驗（表2），非飽和土的吸力抗剪強度部分由土水特征曲線在軟件中導入。

2．4計算結果分析

按照上文給定的邊界條件，分11個時步對降雨作用下的殘坡積土斜坡暫態滲流場進行模擬，分別對應11天降雨。本文僅列出降雨第10天的斜坡中孔隙水壓力分布，如圖6所示。由圖中可以看出，雨水由斜坡坡面向下入滲，到達土－巖接觸面之后滲流受阻，雨水在此聚集并向下坡方向滲流，由坡腳流出。坡腳處土體飽和后，其滲透系數達到最大值，坡腳滲流截面的滲透流速亦達到最大值，來不及排出的水便由坡腳處開始聚集，使飽和區由坡腳向上坡方向擴展。圖7為斜坡坡面下1m處孔隙水壓力隨降雨時間的變化曲線，由圖中可以看出，坡面下土體的孔隙水壓力隨降雨時間的增加而增大?？紫端畨毫ψ優?，說明土體達到飽和，基質吸力消失。坡長30m處土體最先達到飽和，而后坡長25m處土體達到飽和，坡長20m和15m處土體未達到飽和，說明斜坡土體飽和區是由下而上擴展的。第10天降雨量為0，孔隙水壓力逐漸消散，第11天斜坡土體中飽和區消失。用極限平衡法分析了降雨條件下殘坡積土斜坡的穩定性，斜坡中滲流場由上文降雨過程中的暫態滲流場導入，斜坡穩定系數隨降雨時間的變化曲線見圖8。由圖可以看出，隨降雨時間增加，斜坡穩定系數降低，到第10天時穩定系數降到最低點。第11天時孔隙水壓力消散，土體抗剪強度有一定程度的恢復，斜坡穩定系數增大。在降雨過程中，斜坡穩定系數保持大于1，斜坡整體保持穩定。

2．5降雨對殘坡積土斜坡的影響

由上文的分析可以看出，降雨時雨水由斜坡坡面入滲，在土巖接觸面滲流受阻，向下坡方向流動，由坡腳滲出。當坡腳土體達到飽和時，土體中滲流量達到最大，此時斜坡土體飽和區范圍由坡腳向上坡方向擴展。斜坡飽和區范圍內的土體抗剪強度降低，斜坡整體保持穩定，但局部土體會發生微小的位移，在土－巖接觸面產生微裂隙，從而形成軟弱帶，成為斜坡進一步變形的基礎。對于完整斜坡而言，由于雨水在坡面的入滲量有限，因此僅在一定范圍內形成飽和區。

3殘坡積土滑坡滑動過程分析

3．1開挖坡腳對殘坡積土斜坡的影響

調查過程中發現，本次降雨導致的殘坡積土滑坡均具有較好的臨空面，斜坡臨空面對其變形與破壞有著重要的影響。根據上文的分析，殘坡積土斜坡的土－巖結構，加之降雨作用，會在斜坡中形成軟弱帶。人工開挖、河流沖刷等會導致斜坡坡腳處出現臨空面，使坡腳處發生剪應力集中。當坡腳處的剪應力超過軟弱帶的有效抗剪強度時，會使坡腳處發生局部破壞，最初的破壞所導致的應力集中會沿著斜坡中的軟弱帶逐漸向上坡方向發展，使局部破壞向上坡方向擴展［15］。這種累進性的破壞使斜坡土體發生相對位移，并由坡腳向上坡方向擴展，使斜坡坡面形成拉張裂隙。坡面裂隙的出現，為降雨入滲提供了條件，下文將分析坡面有裂隙斜坡的滲流穩定性。

3．2坡面有裂隙的斜坡降雨入滲分析

由上文的分析可知，完整的殘坡積土斜坡在降雨過程中能夠保持整體穩定。因此，坡面裂隙是降雨誘發殘坡積土滑坡的重要條件。調查過程中發現，馬家村滑坡坡面發育多組拉張裂隙，并且在降雨停止后數天內裂隙中仍有積水。因此認為在11d的降雨期間坡面的裂隙中充滿水。有限元模擬中在坡面設置3條裂隙，深度為1．5m，寬為0．25m，將裂隙的邊界條件設為總水頭邊界條件，h＝1．5m。其他邊界條件與上文模型相同。對坡面有裂隙的殘坡積土斜坡進行降雨入滲分析和滲流穩定性分析。

3．3計算結果分析

圖9為有裂隙斜坡在降雨第5天、第10天的孔隙水壓力分布。由圖中可以看出，降雨第5天，在斜坡坡腳處和裂隙周圍土體中出現了飽和區。降雨第10天，自裂隙向下坡方向的斜坡土體全部飽和，且斜坡中出現了正孔隙水壓力。正孔隙水壓力說明斜坡中發生了有壓滲透，會加快雨水的入滲。說明裂隙的存在加快了土體的飽和過程。圖10為坡面下1m處孔隙水壓力隨降雨時間的變化曲線，由圖中可以看出，斜坡土體的孔隙水壓力隨降雨時間的增加而增大，到第6天斜坡土體已全部飽和，且維持正孔隙水壓力。第10天降雨停止，由于裂隙中存在積水，斜坡土體仍然維持正孔壓。說明裂隙的存在使斜坡在降雨過程中維持飽和狀態。用極限平衡法（Janbu法）分析降雨條件下有裂隙斜坡的穩定性，斜坡中滲流場由有裂隙斜坡降雨過程中的暫態滲流場導入，斜坡穩定系數隨降雨時間的變化曲線如圖11所示。由圖可以看出，隨降雨時間增加，斜坡穩定系數降低，到第6天時斜坡發生失穩破壞。之后斜坡穩定系數一直保持小于1，第10天降雨停止后，斜坡穩定系數依然小于1。

3．4降雨誘發殘坡積土滑坡的過程

根據上文的分析，降雨誘發殘坡積土滑坡的過程為（圖12）：

（1）降雨由斜坡表面入滲，在土－巖接觸面聚集，由坡腳流出，雨水的聚集在坡腳土體中形成飽和區，并逐漸向上坡方向擴展。土體飽和導致其基質吸力消失，抗剪強度降低，局部土體發生微小位移，形成由坡腳向上坡方向擴展的軟弱帶。

（2）自然或人為因素導致斜坡坡腳出現臨空面，剪應力集中使斜坡中發生沿軟弱帶向上坡方向擴展的累進性破壞，斜坡土體發生相對位移，在斜坡坡面形成拉張裂隙，但整體保持穩定。

（3）降雨時，當降雨量超過殘坡積土的入滲能力，將在裂隙中產生積水，使雨水在斜坡中發生有壓滲透，增加入滲量，使斜坡土體飽和區不斷擴展，飽和區土體抗剪強度降低。同時，斜坡土體中的飽和滲流產生動水壓力，增加斜坡下滑力。

（4）當斜坡的下滑力大于抗滑力時，斜坡發生失穩破壞。斜坡的土－巖結構是導致滑坡發生的內部因素，開挖坡腳與降雨是導致滑坡發生的外部因素。這幾個因素相互關聯，共同作用使滑坡發生。

4結論

本文采用有限元方法分析了降雨入滲條件下殘坡積土斜坡的暫態非飽和滲流場，用極限平衡方法分析了殘坡積土斜坡的滲流穩定性，研究了殘坡積土斜坡由產生裂隙到降雨作用下發生滑坡的過程，得出了以下的結論：

（1）降雨誘發型殘坡積土滑坡的共同點是均為土－巖結構斜坡，均具有較好的臨空面，均在暴雨之后發生滑動。

（2）降雨在殘坡積土斜坡中入滲，使坡腳土體中形成飽和區，土體抗剪強度降低，局部土體發生位移，形成由坡腳向上坡方向擴展的軟弱帶。

（3）斜坡坡腳出現臨空面是坡面形成裂隙的原因，為降雨入滲提供了條件。

（4）降雨時會在裂隙中產生積水，使雨水在斜坡中發生有壓滲透，增加入滲量，使斜坡土體飽和區不斷擴展，飽和區土體抗剪強度降低。同時，斜坡土體中的飽和滲流產生動水壓力，增加斜坡下滑力。斜坡的下滑力大于抗滑力時發生滑動。

參考文獻：

［1］戴福初，李焯芬，黃志全，等．火山巖坡殘積土地區暴雨滑坡泥石流的形成機理［J］．工程地質學報，1999，7（2）：51－57．

［2］姚海林，鄭少河，李文斌，等．降雨入滲對非飽和膨脹土邊坡穩定性影響的參數研究［J］．巖石力學與工程學報，2002，21（7）：1034－1039．

［3］姚海林，鄭少河，陳守義．考慮裂隙及雨水入滲影響的膨脹土邊坡穩定性分析［J］．巖土工程學報，2001，23（5）：606－609．

［4］張玉，徐衛亞，鄒麗芳，等．降雨條件下大型滑坡體滲流穩定性分析［J］．巖土力學，2013，34（3）：833－841．

［5］劉禮領，殷坤龍．暴雨型滑坡降水入滲機理分析［J］．巖土力學，2008，29（4）：1061－1066．

［6］張明，胡瑞林，殷躍平，等．川東緩傾紅層中降雨誘發型滑坡機制研究［J］．巖石力學與工程學報，2014，33（增2）：3783－3790．

［7］戚國慶，黃潤秋．降雨引起的邊坡位移研究［J］．巖土力學，2004，25（3）：379－382．

［8］劉小偉，劉高，諶文武，等．降雨對邊坡變形破壞影響的綜合分析［J］．巖石力學與工程學報，2003，22（增2）：2715－2718．

［9］吳火珍，馮美果，焦玉勇，等．降雨條件下堆積層滑坡體滑動機制分析［J］．巖土力學，2010，31（增1）：324－329．

［10］汪益敏，陳頁開，韓大建，等．降雨入滲對邊坡穩定影響的實例分析［J］．巖石力學與工程學報，2004，23（6）：920－924．

［11］榮冠，張偉，周創兵．降雨入滲條件下邊坡巖體飽和非飽和滲流計算［J］．巖土力學，2005，26（10）：24－29．

［12］簡文星，許強，童龍云．三峽庫區黃土坡滑坡降雨入滲模型研究［J］．巖土力學，2013，34（12）：3527－3533，3548．

［13］非飽和土體滲流分析軟件SEEP／W用戶指南［M］．北京：冶金工業出版社，2011．

［14］非飽和土土力學［M］．陳仲頤等，譯．北京：中國建筑工業出版社，1997．

作者:杜光波 倪萬魁 單位:長安大學地測學院