臺風(fēng)暴雨條件下福建某滑坡體的滲流穩(wěn)定性分析

林興旺，簡文彬，3，董巖松，陳 瑋，黃俊寶

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州350108;2.福州大學(xué) 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州350108;3.福建省地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，福建 福州350002;4.福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，福建 福州350002)

福建地處我國東南沿海地區(qū)，山地丘陵發(fā)育，該地區(qū)處于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，臺風(fēng)、暴雨等極端天氣多發(fā)，由于臺風(fēng)帶來的降雨具有強(qiáng)度大時間長的特點，這也使得臺風(fēng)暴雨成為群發(fā)性滑坡災(zāi)害的主要觸發(fā)因素，嚴(yán)重危害人民群眾的生命財產(chǎn)安全[1－2]。因此深入研究臺風(fēng)暴雨導(dǎo)致災(zāi)害隱患體失穩(wěn)的作用機(jī)理為防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)就變的十分必要。本文以福建德化馬坪滑坡為例，以現(xiàn)場勘查資料以及監(jiān)測的相關(guān)資料為基礎(chǔ)結(jié)合由Geo-slope公司生產(chǎn)的Seep/w與Slope/w軟件對福建德華馬坪滑坡進(jìn)行滲流與穩(wěn)定性分析。

1 滑坡災(zāi)害點概況

德化馬坪滑坡地處中低山地貌，場地原始斜坡高程880 m～1 000 m，相對高差120 m，山體走向呈北北西向。斜坡呈凸形坡，斜坡下緩上陡，下部已開墾為梯狀水田，坡度約25°，上部坡度約32°，植被發(fā)育。上部坡殘積層粘性土，灰黃色、硬塑，結(jié)構(gòu)松散，厚度8 m～10 m，下部基巖為侏羅世二長花崗巖。匯水面積40 000 m2，地下水主要為第四系殘坡積孔隙潛水，坡腳有泉水出露。

滑坡平面上呈U形，斜坡體海拔高程975 m及925 m處分別出現(xiàn)2條形變拉裂，裂縫呈弧形，總長度約60 m，最寬10 cm～20 cm，最大可見深度0.5 m，海拔高程935 m水泥路面出現(xiàn)多處變形開裂、拱起破壞，地面下陷，變形跡象明顯;潛在滑體主軸長200 m，平均寬約 250 m，土層厚度約 8 m，土方量400 000 m3，主滑方向為 SW253°，在滑坡體底部存在貫通滑坡體的滑動面，該滑動面為穩(wěn)定性分析的控制性滑動面，滑坡區(qū)平面圖見圖1。

圖1 馬坪滑坡平面圖

為獲得該滑坡體在降雨條件下坡體內(nèi)含水率、地表位移、地下水位以及滲透壓力等動態(tài)參數(shù)變化關(guān)系，在該滑坡點上布置了相關(guān)的監(jiān)測儀器，監(jiān)測儀器布置圖如圖2所示，共布置地表位移測量儀兩臺，地下水位測量儀一臺(傳感器2個)、含水率傳感器3個(分布于鉆孔1的上中下三個位置)、雨量計一臺，監(jiān)測點數(shù)據(jù)自動采集，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2 臺風(fēng)暴雨條件下滑坡體滲流分析

2.1 滑坡體飽和－非飽和滲流計算基本理論

在邊坡內(nèi)，存在著飽和區(qū)和非飽和區(qū)，為了使分析的結(jié)果更貼近實際情況，在進(jìn)行降雨入滲分析時應(yīng)考慮非飽和區(qū)的作用。達(dá)西定律早期只適用于飽和土，隨著非飽和土研究的進(jìn)展，人們逐漸形成共識，認(rèn)為達(dá)西定律同樣適用于描述非飽和土中水的流動。因此，勻質(zhì)各向同性介質(zhì)的飽和非飽和滲流微分方程如下[3－4]:

圖2 監(jiān)測儀器布置圖

式中:ku為非飽和土滲透系數(shù);kr(hp)為介質(zhì)的相對滲透率，其在飽和區(qū)為1，在非飽和區(qū)內(nèi)為0－1之間;ks為飽和滲透系數(shù);hp為壓力水頭;C(hp)為容水度，C(h)=θ為體積含水率，含水率與壓力p水頭之間存在函數(shù)關(guān)系θ=θ(hp);β為選擇參數(shù)，在飽和區(qū)為1，在非飽和區(qū)為0;Ss為飽和土單位貯水系數(shù)，對非飽和土Ss=0，對飽和土Ss為常數(shù)。求解時需知道材料的土水特征曲線(即含水率θ與基質(zhì)吸力ψ的關(guān)系曲線)以及非飽和土滲透系數(shù)曲線(即基質(zhì)吸力ψ與非飽和土滲透系數(shù)ku的關(guān)系曲線)。含水率θ與基質(zhì)吸力ψ的關(guān)系曲線可以通過實驗獲得，而對于基質(zhì)吸力ψ與非飽和土滲透系數(shù)ku關(guān)系曲線的求取，由式(2)可知欲求得ψ與ku的關(guān)系曲線，只需建立起ψ與kr(hp)的關(guān)系式即可，而ψ又能從含水率θ與基質(zhì)吸力ψ的關(guān)系中求得，所以欲求得基質(zhì)吸力ψ與非飽和土滲透系數(shù)ku的關(guān)系只需測定出含水率θ與kr(hp)關(guān)系即可。θ與kr(hp)關(guān)系的測定較常見的是采用基于實測土水特征曲線的數(shù)值模型推算法[5]，本論文中利用土水特征曲線預(yù)估θ與kr(hp)關(guān)系所采用的數(shù)值模型是基于Mualem 模型的 Van Genuchten模型[5]，其中 VG 模型表示為[6－8]:

式中:Se為有效飽和度;θ為體積含水率;θs為最大體積含水率;θr為最小體積含水率;α、n和m為土壤土水特征曲線形狀的相關(guān)參數(shù)，其中m=1－1/n，將式(4)代入到Mualem提出的土水特征曲線與非飽和滲透系數(shù)模型中，可推導(dǎo)出相對滲透系數(shù)kr的公式:

通過以上式(1)～式(5)與實驗測得的土水特征曲線，結(jié)合初始條件與邊界條件即可計算出非飽和土滲流場，得到滑坡體的滲流特性。

2.2 計算模型的建立

根據(jù)上述的滑坡災(zāi)害點地質(zhì)情況，本文簡化的數(shù)值分析地質(zhì)模型如圖3所示，并對該分析模型做了如下的設(shè)定:

圖3 地質(zhì)模型

(1)將邊坡地質(zhì)模型設(shè)為4層，由上到下分別為:坡積土層、殘積土層、滑動帶、以及最下層的強(qiáng)－中風(fēng)化花崗巖層。

(2)主地下水位由地下水位傳感器現(xiàn)場監(jiān)測可知其位置位于殘積土層與強(qiáng)－中風(fēng)化層交接面，詳細(xì)位置如圖3所示。

(3)通過對地應(yīng)力傳感器，地下深部位移傳感器所獲得的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合現(xiàn)場勘查資料可知滑坡滑動面大致位于殘積土層與強(qiáng)－中風(fēng)化層交接面，如圖3所示。

用Geo－slope公司生產(chǎn)的Seep軟件進(jìn)行滲流分析[9]，模型網(wǎng)格劃分由四節(jié)點四邊形單元與三節(jié)點三邊形單元共同組成，共893個單元，如圖4所示。

2.3 邊界條件的施加

由于精確給定坡體的邊界條件較為困難，本文在最符合滑坡現(xiàn)場實際邊界條件的情況下，對該滑坡體的瞬態(tài)滲流分析中的各邊界條件做了如下假定:(1)邊坡上表面接受降雨，其為降雨入滲邊界，當(dāng)雨強(qiáng)小于土體的入滲能力時為流量邊界，當(dāng)雨強(qiáng)大于土體入滲能力時其為定水頭邊界，此時，假設(shè)超滲水形成徑流后很快排泄，不產(chǎn)生積水，則邊界水壓為零，水頭值為地表高程。(2)飽和區(qū)為定水頭邊界，由初始地下水位確定。(3)邊坡模型底邊假設(shè)只發(fā)生水平滲流，為不透水邊界。

圖4 平面應(yīng)變模型

在以上三種假定的條件下結(jié)合馬坪滑坡地區(qū)區(qū)域降雨特點以及計算的簡化及最不利組合，假定此次滲流分析為連續(xù)性降雨，日最大降雨量為100 mm，連續(xù)降雨7 d，總雨量控制在700 mm。

考慮到蒸發(fā)作用是影響邊坡水分分布的一個重要作用，其使得坡體內(nèi)含水率降低，有利于坡體的穩(wěn)定性，特別是在降雨結(jié)束后，一部分水繼續(xù)滲入，一部分水在表面接受蒸發(fā)，下滲作用可能使得邊坡更加危險，而蒸發(fā)作用在一定程度上會減少雨水的滲入量。為獲得滑坡體現(xiàn)場表層土樣的蒸發(fā)量，本文在查找了滑坡地區(qū)相關(guān)氣候歷史資料后[10－11]，參照前人的實驗方法在室內(nèi)用相似土進(jìn)行了實驗環(huán)境溫度條件為35℃，相對濕度為32%的蒸發(fā)實驗[12－13]，實驗時間為8 h，每隔五分鐘采集一次。最終取試樣的穩(wěn)定數(shù)據(jù)3.30×10－7m/s作為此次降雨結(jié)束后滲流蒸發(fā)邊界條件值，連續(xù)蒸發(fā)7 d時間。

2.4 計算參數(shù)

馬坪滑坡滑坡體與滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和飽和滲透系數(shù)如表1所示，其是通過早期的勘察取樣并進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)試驗獲取的。但是現(xiàn)階段由于缺乏原狀土的實驗材料導(dǎo)致無法獲得詳盡的基質(zhì)吸力與飽和度及基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)的關(guān)系，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，依據(jù)馬坪滑坡滑坡體與滑帶土的自身特性，采用相似土并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗數(shù)值測定了各土層在不同含水率下的基質(zhì)吸力[14－15]，所運(yùn)用的實驗儀器是英國GDS公司生產(chǎn)的 Geo－experts土水特征曲線壓力板儀。最后將各土層不同含水率所對應(yīng)的基質(zhì)吸力值輸入到Seep/w模塊中并通過VG模型進(jìn)行擬合就能分別獲取到各土層的土水特征曲線以及滲透系數(shù)曲線，結(jié)果如圖5～圖12所示。

圖5 坡積土土－水特征曲線

圖6 坡積土滲透系數(shù)曲線

圖7 殘積土土－水特征曲線

圖8 殘積土滲透系數(shù)曲線

圖9 滑帶土土－水特征曲線

圖10 滑帶土滲透系數(shù)曲線

圖11 中－強(qiáng)風(fēng)化花崗巖土－水特征曲線

圖12 中－強(qiáng)風(fēng)化花崗滲透系數(shù)曲線

表1 土層性質(zhì)參數(shù)

2.5 滲流計算結(jié)果分析

采用Seep/w有限元軟件對滑坡體進(jìn)行了滲流特征有限元分析，出于對篇幅的考慮，僅列出降雨3 d與7 d后孔隙水壓力等值線圖以及考慮蒸發(fā)作用的雨停3 d與7 d后的孔隙水壓力等值線分布圖，如圖13所示。

圖13 滲透性計算結(jié)果(單位:kPa)

由邊坡孔隙水壓力等值線變化過程可知，在降雨的過程中雨水沿邊坡表面近垂直入滲，降雨對深部影響較小，主要影響在坡積土層，特別是在邊坡的坡頂區(qū)域，主要原因是由于坡頂位置處坡積土層相對較薄而且表層土質(zhì)疏松滲透性較好，在發(fā)生降雨時雨水會以較快的速度由坡頂滲入到坡體內(nèi)部，再加上馬坪滑坡滑動帶土層的滲透性較大，其值高于殘積土層與底部的強(qiáng)－中風(fēng)化花崗巖層，所以由坡頂滲入到坡體內(nèi)部的水流就會往滑動帶方向聚集，由圖13(a)與圖13(b)也可觀察出此現(xiàn)象，在長時間的降雨之后，就會由于殘積土層與中－強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的滲透性低于滑帶土滲透性而使得匯聚于滑動帶土層上的水流無法及時排走，導(dǎo)致水流在滑動面上匯流貫通從而出現(xiàn)滯水現(xiàn)象，滯水的出現(xiàn)會使得土體的材料強(qiáng)度降低，并在滑帶上形成浮托力，導(dǎo)致滑坡體沿著滑動帶產(chǎn)生蠕滑，現(xiàn)場的地表位移與地下位移也驗證了這種現(xiàn)象的存在，該現(xiàn)象的存在極其不利于坡體長期的穩(wěn)定性。另外，表層的坡積土層在降雨的垂直入滲過程中，土體容重增加的范圍也會逐漸擴(kuò)大，土體的強(qiáng)度參數(shù)在這個過程中也會被弱化，對整個坡體的穩(wěn)定性也會帶來不利的影響，所以在坡面上還要布置相關(guān)的排水措施，如:可在滑坡體后緣布置截水溝，并在坡面上分別布置縱向與橫向的排水溝，將坡面徑流及時引走。以上的措施可有效的減少流水對坡面的沖刷，降低滑體上的水壓，減少滯水的補(bǔ)給源，可增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。

降雨結(jié)束后的蒸發(fā)作用是為了使?jié)B流分析能夠最大程度的與實際情況相吻合，因為在降雨結(jié)束后的現(xiàn)場肯定是存在蒸發(fā)作用的，所以在本文的分析中就將由實驗獲得的蒸發(fā)強(qiáng)度3.30×10－7m/s施加到該坡體的表層邊界上，如圖13(c)、圖13(d)所示。

在降雨剛停止時，土體一方面接受上層水流的入滲補(bǔ)給，一方面下滲供給下層土，當(dāng)入滲量大于下滲量時，含水率增大，孔隙水壓力上升，當(dāng)下滲量較大時，含水率減少，土體孔隙水壓力下降。在蒸發(fā)作用的影響下，表層土體的一部分水分被蒸發(fā)帶走，在這個過程中表層土體還會向下層土下滲一部分水分，這樣就會使得表層土體的含水率進(jìn)一步降低，孔隙水壓力進(jìn)一步減小，負(fù)的孔隙水壓力會逐漸上升。由圖13(c)、圖13(d)也可觀察出這個現(xiàn)象，在降雨結(jié)束后的第3 d在坡頂與坡腳處都出現(xiàn)了－5 kPa的孔隙水壓力值，降雨結(jié)束后的第7 d含水率進(jìn)一步減少，該值就變?yōu)椋?5 kPa，而且該范圍還在不斷地擴(kuò)大，坡體的基質(zhì)吸力值在這個過程中不斷恢復(fù)，坡體穩(wěn)定性逐漸提升。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

由現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合滲流分析結(jié)果可知，馬坪滑坡的已有滑動面是控制該坡體穩(wěn)定性的主滑動面，除了該主滑動面，降雨條件下坡頂處的強(qiáng)滲流區(qū)域也有可能存在潛在滑動面。針對以上的情況，將滲流分析的結(jié)果導(dǎo)入到Slope/w模塊并以M.Price分析方法作為計算基礎(chǔ)[15]，通過指定滑動面計算滑坡體沿原有滑動面在不同降雨歷時的穩(wěn)定系數(shù)變化情況，判斷滑坡體在該降雨條件下是否有可能再次發(fā)生沿原有滑動面的整體滑坡。另外，通過指定搜索區(qū)域范圍計算潛在滑動面的準(zhǔn)確位置及其所對應(yīng)的最小安全系數(shù)。所獲得的安全系數(shù)與降雨歷時的關(guān)系曲線圖以及潛在局部滑動面位置圖分別如圖14～圖15所示。

圖14 安全系數(shù)與降雨時間關(guān)系曲線

圖15 潛在局部滑面

由圖14分析可知，自然條件下主滑動面安全系數(shù)為1.42，潛在滑動面安全系數(shù)為1.33，若取該邊坡安全系數(shù)臨界值為1.2[16]，在該降雨發(fā)生之前，潛在滑動面和主滑面安全系數(shù)均高于1.2，發(fā)生滑動的可能性較小;而在該降雨發(fā)生之后，在降雨持續(xù)的7 d時間內(nèi)以及降雨停止后的第1 d，即在前8 d主滑面與潛在滑動面的安全系數(shù)都在不斷地降低，其中主滑面在降雨持續(xù)1 d之后安全系數(shù)下降的速度最快，由1.42降到1.32，而在之后的幾天時間內(nèi)安全系數(shù)的下降速度變緩，速度趨于穩(wěn)定。潛在滑動面在整個降雨的過程中安全系數(shù)的下降速率都比較平緩，不存在短時間內(nèi)急速下降的情況。對于降雨停止后主滑面與潛在滑動面安全系數(shù)仍小幅減小的情況，主要與降雨完全入滲到坡體內(nèi)部需要一段時間有關(guān)。到第8 d主滑動面與潛在滑動面的安全系數(shù)降到最低，其中主滑動面安全系數(shù)降低至1.22，潛在滑動面安全系數(shù)降低至1.21，所以馬坪滑坡在降雨剛結(jié)束時有沿兩滑動面發(fā)生滑坡的可能性。降雨結(jié)束后在表面蒸發(fā)的作用下坡體內(nèi)含水率逐漸減小，潛在滑動面與整體滑動面的穩(wěn)定性逐漸升高。由于潛在滑動面深度小于主滑動面，蒸發(fā)作用下，在相同的時間內(nèi)，其蒸發(fā)的水量更大，基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度恢復(fù)的更快，所以在第11 d出現(xiàn)了潛在滑動面安全系數(shù)高于整體滑動面的情況，而在之后的幾天主滑動面的安全系數(shù)上升速度高于潛在滑動面，在降雨結(jié)束后的第7 d主滑動面與潛在滑動面的安全系數(shù)分別上升到1.34與1.31，都恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，馬坪滑坡在未降雨之前坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在降雨之后坡體內(nèi)部基質(zhì)吸力逐漸減小，坡體自重增大，強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯的下降，對坡體不利，在原有滑動帶上仍有可能再次發(fā)生整體性的滑坡，另外在坡體后緣也有可能發(fā)生局部的小滑坡。因此在進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上還要結(jié)合相關(guān)的排水措施對馬坪滑坡進(jìn)行治理，可在滑坡體后緣布置截水溝，并在坡面上分別布置縱向與橫向的排水溝，將坡面徑流及時引走。以上的措施可有效的減少流水對坡面的沖刷，降低滑體上的水壓，減少滯水的補(bǔ)給源，增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)滲流分析結(jié)果表明，對于已存在有滑動帶的馬坪滑坡，水流在滑動面上匯流貫通而形成的滯水現(xiàn)象是導(dǎo)致滑坡體沿著原滑動帶發(fā)生蠕滑的根本原因。

(2)在考慮蒸發(fā)作用的情況下，土體的含水率減小的更快，所以蒸發(fā)作用的存在有利于坡體穩(wěn)定性更快的恢復(fù)。

(3)馬坪滑坡主滑面與潛在滑動面在自然條件下都較為穩(wěn)定，發(fā)生滑坡的可能性較小，隨著降雨的進(jìn)行兩滑動面的穩(wěn)定系數(shù)逐漸下降，最低穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)在降雨結(jié)束后的第一天，分別為1.22與1.21，有可能出現(xiàn)整體或局部滑坡。

(4)雨水沿著坡面入滲，是滑體產(chǎn)生變形的主要原因。由現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合相關(guān)坡面排水措施，可減少雨水滲入量以及滯水的補(bǔ)給源，更有利于保持坡體穩(wěn)定性。

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