強(qiáng)降雨作用下邊 (滑)坡穩(wěn)定性分析及預(yù)警技術(shù)研究

朱志銘，周凱睿，譚春洪，邊菁生，魏 源，鄒祖銀

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，四川都江堰 611830)

強(qiáng)降雨是導(dǎo)致邊 (滑)坡失穩(wěn)的常見(jiàn)因素［1～2］。全國(guó)290個(gè)縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果顯示，暴雨誘發(fā)的滑坡占滑坡總數(shù)的90%［3］。特別是在“5.12”汶川震后災(zāi)區(qū)，因地震引發(fā)崩塌、滑坡而產(chǎn)生的大量松散固體物質(zhì)仍殘留于山體上，在強(qiáng)降雨條件下極易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害。本文以四川漢源二蠻山滑坡為例，利用實(shí)驗(yàn)室三軸試驗(yàn)儀等儀器得出滑坡土體的相關(guān)參數(shù)［4］并結(jié)合ArcGIS開(kāi)發(fā)“降雨-滑坡”新控件，輸入相關(guān)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出直觀的災(zāi)害預(yù)測(cè)圖。研究成果可為震后連續(xù)降雨工況下邊坡安全性評(píng)價(jià)與邊 (滑)坡預(yù)警技術(shù)的發(fā)展與工程運(yùn)用提供可靠新依據(jù)。

1 二蠻山地質(zhì)概況及力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)

1.1 地質(zhì)概況

二蠻山為一單斜山體，西南側(cè)槽狀溝谷呈“V”型展開(kāi)。山體主要由二疊系峨眉山玄武巖 (P e)和二疊系梁山組—陽(yáng)新組 (P l+y)灰?guī)r構(gòu)成。該區(qū)地震基本烈度Ⅶ度 (0.15 g)。

1.2 水文條件

溝谷寬約700 m，從源頭至溝口堆積扇頂部長(zhǎng)約1476 m，匯水面積約1.3 km2。該區(qū)以夜間陣雨和暴雨為主，孔隙潛水賦存于堆積層)和崩坡積層)土壤，碎石土土層，地下水位受季節(jié)影響大，保水性較差，水量大。

1.3 力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)

本次研究采集了二蠻山滑坡土樣 (含黏土碎石等)，最大粒徑5 mm，并研究了2 d累積降雨情況下不同含水率滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)，巖層物理力學(xué)參數(shù)表見(jiàn)表1。含水率W與土體的τf-σ、粘聚力c、摩擦角φ的關(guān)系分別見(jiàn)圖1—圖3。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table1 Physical and mechanical parameters of rocks

圖1 不同含水率條件下τf-σ關(guān)系Fig.1 Relationship betweenτf andσ different moisture content test

圖2 含水率W對(duì)粘聚力c的影響Fig.2 Moisture content on the influence of the friction Angle

圖3 含水率W對(duì)摩擦角φ的影響Fig.3 Effects of moisture content of cohesive force

圖1 —圖3表明:土的粘聚力 (c)和摩擦角 (φ)隨含水率的增加而迅速減小，從而降低了土的抗剪強(qiáng)度。

2 強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果分析

2.1 安全系數(shù)計(jì)算

本文根據(jù)研究區(qū)不同巖土層情況將滑坡坡體劃分為2個(gè)結(jié)構(gòu)面 (見(jiàn)圖4)，分別為P l+y/P e 305°∠40°(圖4中紫色部分)和P e/上覆土150°∠80°(圖4中紅色部分)，同時(shí)考慮φ和c雙折減 (配套折減)系數(shù)［5］，即:

其中:A1——內(nèi)摩擦角φ的折減系數(shù);R1——粘聚力c的折減系數(shù)。

圖4 結(jié)構(gòu)面Fig.4 Structural plane

將折減后的c1和φ1代入如下的安全系數(shù)計(jì)算公式［6］即得安全系數(shù)。

其中:pi——第i條土孔隙水壓力，kPa;c1——折減粘聚力，kPa;αi——第 i條土計(jì)算傾角，(°);△Hi——第 i條土水平推力，kPa;Vi——第 i條土鉛直力，kPa;φ1i——第 i條土折減摩擦角，(°);li——第i條土厚度，m。

2.2 計(jì)算結(jié)果及安全性評(píng)價(jià)

本文以50 mm/d雨強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮剪切模量、體積模量等參數(shù)的軟化和入滲飽水加載作用［7］，對(duì)φ和c分別進(jìn)行0.44、0.58、0.76倍折減，并計(jì)算安全系數(shù)。

當(dāng)0折減時(shí)，安全系數(shù)約為1.78，即F0＞1，坡體穩(wěn)定;0.44倍折減時(shí)，安全系數(shù)F1為1.19，仍然大于1，但已較折減前降低了36.05%;0.58倍折減時(shí)，安全系數(shù)F2為1.02，亦即約等于1，較折減前降低了46.53%，降雨量稍增立即引發(fā)滑坡;當(dāng)對(duì)φ和c進(jìn)行0.76倍折減時(shí)，安全系數(shù)F3為0.84，較折減前降低了51.26%，安全系數(shù)小于1，安全儲(chǔ)備為0，邊坡失穩(wěn)滑坡。由此可知，隨著降雨量的增加，巖土強(qiáng)度參數(shù)c、φ快速衰減，安全系數(shù)也隨之遞減，邊坡漸趨失穩(wěn)。

3 基于ArcGIS的邊 (滑)坡穩(wěn)定性分析控件

本文根據(jù)邊 (滑)坡地質(zhì)災(zāi)害以及GIS軟件的特點(diǎn)，選擇內(nèi)置的VBA(Visual Basic for Application)為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)了基于ArcGIS的邊 (滑)坡穩(wěn)定性分析插件。該插件本質(zhì)上可以看成是邊 (滑)坡穩(wěn)定分析模型與GIS集成進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計(jì)算的擴(kuò)展模塊。圖5為Visual Basic開(kāi)發(fā)界面。

圖5 VB開(kāi)發(fā)界面Fig.5 The development of interface

3.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面如圖6所示，各模塊數(shù)據(jù)庫(kù)連接端口說(shuō)明見(jiàn)表1。在ArcGIS軟件工具欄上增加了一個(gè)“”模塊 (穩(wěn)定性分析插件)，輸入、輸出界面符合日常使用習(xí)慣，可操作性強(qiáng)。

圖6 操作主界面Fig.6 Main Operating interface

表1 模塊數(shù)據(jù)庫(kù)連接端口說(shuō)明Table 1 Module database

穩(wěn)定性分析插件核心操作步驟:①數(shù)據(jù)輸入 (漢源縣連續(xù)2天降雨，累計(jì)降雨量達(dá)163 mm［8～9］);②參數(shù)設(shè)置 (調(diào)整坡度、坡向);③數(shù)據(jù)分析，主要有單因子分析 (見(jiàn)圖7)和多因子耦合分析 (見(jiàn)圖8);④數(shù)據(jù)輸出，得出災(zāi)害區(qū)劃圖。

3.2 穩(wěn)定性分析

本文主要對(duì)誘發(fā)滑坡的降雨量進(jìn)行單因子分析，然后耦合其他次要因子 (坡度、坡向等，假設(shè)為定值)，最終分析得到安全系數(shù)曲線 (見(jiàn)圖9)。

3.3 分析結(jié)果與滑坡實(shí)際情況對(duì)比

基于“模糊集合論”理論，將誘發(fā)滑坡的因子抽象成數(shù)學(xué)模型并量化，即可用函數(shù)定量計(jì)算［10］，將模型與GIS相結(jié)合，建立基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置滑坡的預(yù)測(cè)參數(shù)，計(jì)算出潛在危險(xiǎn)系數(shù)，再利用ArcGIS的重分類(lèi)功能得出研究區(qū)域危險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)價(jià)圖 (見(jiàn)圖10)。

圖7 坡度單因子分析結(jié)果Fig.7 Single factor analysis

圖8 簡(jiǎn)單2因子 (坡度+降雨量)耦合分析結(jié)果Fig.8 Coupled superposition analysis

圖9 安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Safety coefficient changing with time curve

圖10 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖Fig.10 Picture of risk assessment

由以上分析可知，隨著坡體含水量的增加，坡體孔隙水壓力也增加，土基質(zhì)吸力迅速減小，土體抗剪能力衰減加快，原來(lái)的穩(wěn)定區(qū) (現(xiàn)場(chǎng)滑坡滑動(dòng)前的滑坡體，見(jiàn)圖11)很快轉(zhuǎn)化為高?；聟^(qū) (現(xiàn)場(chǎng)滑坡的滑坡體啟動(dòng)區(qū)，見(jiàn)圖12)，安全系數(shù)迅速遞減 (由F0=1.78減小至F3=0.84)，最終失穩(wěn)滑坡。

圖11 實(shí)際滑坡前的滑坡體Fig.11 Before the actual landslide

圖12 實(shí)際滑坡過(guò)程圖Fig.12 Actual landslide process diagram

4 結(jié)論與建議

通過(guò)ArcGIS開(kāi)發(fā)新控件，分析處理得出的安全系數(shù)曲線圖與實(shí)際幾何計(jì)算得出的滑坡安全系數(shù)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，災(zāi)害區(qū)域滑坡概率吻合度較高，這為量化研究降雨滑坡機(jī)理分析提供了基礎(chǔ)。

GIS軟件具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和管理能力，能實(shí)現(xiàn)邊坡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，邊坡的三維建模與可視化，但缺乏有力的數(shù)值分析與計(jì)算能力，不具有其他專(zhuān)業(yè)軟件 (如 ANSYS、FLAC等)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定評(píng)估的功能，系統(tǒng)集成為解決GIS分析功能不足提供了較好方案。GIS與ANSYS、FLAC等軟件如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享也是一個(gè)有重要意義的研究?jī)?nèi)容。

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