降雨對松散堆積體滑坡穩(wěn)定性影響探討——以貴州省沿河土家族自治縣為例

周文江，舒多友

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○三地質(zhì)大隊(duì)，貴州 銅仁 554300）

降雨是引發(fā)滑坡變形、滑動的重要因素之一。沿河自治縣境內(nèi)現(xiàn)有的重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)（威脅100人以上）中滑坡有39處，其中有20處均屬在強(qiáng)降雨時(shí)會產(chǎn)生變形和蠕動的松散堆積體滑坡，占總數(shù)的51%。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警管理與氣象部門進(jìn)行了緊密結(jié)合，加強(qiáng)了降雨時(shí)段的監(jiān)測等工作，但對該區(qū)內(nèi)有關(guān)該類地質(zhì)災(zāi)害滑動與降雨量之間相互關(guān)系研究較少，特別是探索降雨強(qiáng)度與松散堆積體滑坡臨界啟動關(guān)系方面的研究更少。目前國內(nèi)方面對降雨引發(fā)松散堆積體滑坡臨界滑動研究主要是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)（裂縫、斜坡變形等）、測試數(shù)據(jù)收集，采用 GIS技術(shù)等方法對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)、回歸分析等建立模型，從而獲得松散堆積體滑坡發(fā)生時(shí)與降雨強(qiáng)度之間相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式加以解釋，方法簡單，應(yīng)用單一，物理力學(xué)基礎(chǔ)考慮不太充分。

對淺層松散堆積體滑坡在降雨作用下的臨界啟動條件研究，把水文地質(zhì)模型與滑坡穩(wěn)定性模型相互結(jié)合進(jìn)行相關(guān)研究主要有Montgomery＆Dietrich(1994)[1]提出的經(jīng)驗(yàn)公式。引用GIS技術(shù)把斜坡地形與地下水運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，將工程中普遍運(yùn)用的極限平衡方法也與水文地質(zhì)分布模型進(jìn)行了有效集成，提出了滑坡地質(zhì)災(zāi)害-水文地質(zhì)相耦合的模型[2]，其它的學(xué)者[3-4]也進(jìn)行了相應(yīng)研究，李德心等[5]還對山區(qū)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并取得了較好的效果。

以沿河土家族自治縣內(nèi)重大地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果為基礎(chǔ)，選取滑體為松散堆積層、滑床為相對隔水層巖石（頁巖或泥巖）的滑坡類型，在分析以往有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害變形特征等[6]成果基礎(chǔ)上，選取其中具代表性的四個(gè)松散堆積體滑坡勘查成果、監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合該區(qū)氣象成果資料進(jìn)行綜合分析，首次在該區(qū)內(nèi)從自然降雨作用下探討了松散堆積體滑坡穩(wěn)定性影響因素以及滑坡啟動敏感臨界值等的相關(guān)規(guī)律，為以后加強(qiáng)滑坡監(jiān)測、制定預(yù)警預(yù)報(bào)方案、防治工程安全、地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等方面提供一定的參考作用。

1 滑坡災(zāi)害水文地質(zhì)模型

圖1 滑坡體水文地質(zhì)模型

降雨時(shí)滑體地表水沿松散堆積層滲漏，使滑體含水量發(fā)生較大變化，特別是滑坡體后緣存在較大匯水面積，并不斷補(bǔ)給浸潤滑坡滑帶土?xí)r，降低了松散堆積體滑坡的穩(wěn)定性，產(chǎn)生蠕動變形，當(dāng)滑坡滑帶土發(fā)生累進(jìn)性破壞導(dǎo)致破裂面連通時(shí)，滑體開始滑動。假設(shè)地表水沿滑體表面各部均勻下滲，水力坡度對地下水位影響較小，地下水均勻升高時(shí)，潛水面與滑面形態(tài)基本一致的前提下，初步建立其水文地質(zhì)模型及計(jì)算模型見圖1、圖2。

滑體鉛垂厚度為H，由達(dá)西定律可知降雨時(shí)通過斷面的流量為Q為：

Q=S過×V （1）； 式中：V—滲流速度（m/s），V=k×i，其中k為滲漏系數(shù)（cm/s）。i=sina為水力坡度，a為邊坡體傾角（°）。S過—為過水?dāng)嗝?，S過=h×b×cosa （2）；式中：b—集水道寬度（m），h—滑坡松散堆積體中地下水的水層厚度（m）。

圖2 滑坡體滑動計(jì)算模型

當(dāng)降雨量增加的時(shí)侯，松散堆積體中潛水位不斷上升，當(dāng)H=h，滑體充溢水達(dá)到全飽和狀態(tài)時(shí)，根據(jù)等效降雨強(qiáng)度 I與單元坡面集水面積S集乘積為流徑寬度b的單元地下逕流量計(jì)算公式為：

滑體完全處于飽和狀態(tài)時(shí)，流徑單元的逕流量等于導(dǎo)水系數(shù)T與水力梯度sina和斜坡寬度b的乘積：

假設(shè)水力傳導(dǎo)性在滑體的鉛垂方面呈均勻分布，即不與深度產(chǎn)生明顯差異時(shí)，滑體上松散堆積體的導(dǎo)水系數(shù)為T=k×X。將（4）與（5）相除，可獲得特定降雨強(qiáng)度下滑體中潛水的厚度值。

h=(I×S集/T×b×sina)×X （6）； 式中：I—等效降雨強(qiáng)度（m），S集—滑坡體流域面積（m2），T=飽水松散堆積體流漏系數(shù)（m2/d ），b=水流橫截面寬度（m），a—滑動面傾角（°）。

2 水位與滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性分析

在假設(shè)滑面近于直線型、滑體為比較均一松散堆積體的前提下，從降雨引發(fā)滑坡失穩(wěn)的機(jī)理，建立松散堆積體滑坡下滑模型。如圖2所示，假設(shè)地下水位面、滑動面與與地表基本一致時(shí)，根據(jù)滑坡極性平衡原理，考慮動水壓力與靜水壓力，可以推得以下模型：

F-Fr=ma1（7）； 式中：F—下滑力，F(xiàn)r—抗滑力，m—滑體質(zhì)量，a1—加速度。

則平行于斜坡方向上的動量平衡可知為：

τ-[c′+(σ-pw(t)tanψ′)]=ma1（8）；式中： τ—抗剪強(qiáng)度，c—有效粘聚力（t/m2），σ—法向應(yīng)力，pw—孔隙水壓力（地下水對滑體的作用），ψ—有效內(nèi)摩擦角（°）由摩爾庫侖定律可得：

式中：h(t)—滑體飽水部分鉛垂高度（m），γw—水的體重（N/m3），滑面傾角（°）

由極限平衡原理推得滑體的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為：

按水文地質(zhì)模型和無限邊坡理論，結(jié)合（6）-（9）式推出滑坡啟動臨界降雨強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

IL=T(b/S集)sina[(γ/γw)(1-tanα/ tanψ′)+ c′/γXcosαtanψ′]×1000 （12）；式中：IL—臨界降雨量（mm/d），T -飽和松散堆積體的滲漏系數(shù)（m2/d），b—考慮的水流橫截面寬度（m），S集—滑坡體上的匯水面積（m2），γ—滑坡體天然重度（N/ m3），ψ′—有效內(nèi)摩擦角（°），c′—滑體有效粘聚力（kpa），X—滑體鉛直厚度（m）。

按太沙基-維固結(jié)原理： Pw(t)=pwo.e(-t/Tv) （13）；式中：Pw(t)—孔隙水壓力（kpa），pwo—初始孔隙水壓力，Tv—豎向固結(jié)時(shí)間因數(shù)，T=（4H2/3.142C），C—土的豎向固結(jié)系數(shù)（cm2/s），H—壓縮土層的排水距離（cm）

3 實(shí)例分析

沿河土家族自治縣地形切割較大，地層、巖性、構(gòu)造較復(fù)雜[7]，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件總體較差，地質(zhì)災(zāi)害以松散堆積體滑坡為主，作為實(shí)例的4個(gè)松散堆積體滑坡，其基本特征如下。

3.1 概況

1）龍家?guī)r滑坡：發(fā)生于2006年7月，滑坡縱長88.1～122.3m平均99. 8m，寬70.2～116.4m，平均88.3m，厚4.3～12.5m，平均6.4m。體積6.02萬m3?；w主要為第四系粘土、碎石土（碎塊石粒徑2-25cm約占 54%）；滑帶土為塑性粘土，厚 5～8cm，平均傾角 26°；滑床為志留系中統(tǒng)秀山組（S2x）泥巖、頁巖、粉砂質(zhì)頁巖。主滑方向154°，剪出口寬115m。在滑坡中后緣形成長2～5m，寬2～22.2cm的拉張裂縫，特別是2012年4月的大暴雨（75.6mm）時(shí)， 監(jiān)測裂縫加寬了1～2.13cm不等。目前處于蠕滑階段，發(fā)展趨勢不穩(wěn)定。

2）小寨滑坡：發(fā)生于1999年6月，滑坡縱長500～656m平均614m，寬280～396m，平均372m，厚6～13m，平均12.5m。體積204萬m3。滑體主要為第四系坡積粘土、碎石土（碎塊石粒徑3-56cm約占51%）；滑帶土為塑性粘土，厚6～10cm，平均傾角25°；滑床為秀山組泥巖、頁巖。主滑方向27°，剪出口寬572m。在滑坡中后緣形成長80～102m，寬5～19.1cm的拉張裂縫，，特別是2012年4月的大暴雨（75.6mm）時(shí)，，監(jiān)測裂縫加寬了1.1～3.14cm不等。目前處于蠕滑階段，發(fā)展趨勢不穩(wěn)定。

3）天平滑坡：發(fā)生于2002年6月，滑坡縱長105～182m平均122m，寬160～89m，平均140m，厚3.2～7.9m，平均7.5m。體積12.6萬m3?；w主要為第四系粘土、少量碎石土（碎塊石粒徑4-36cm約占57%）；滑帶土主要為塑性粘土，厚3～7cm，平均傾角22°；滑床為志留系中統(tǒng)秀山組（S2x）灰綠色泥巖、粉砂質(zhì)頁巖。主滑方向91°，剪出口寬120m。在滑坡中后緣形成長2～12m，寬1～10.2cm的拉張裂縫，2012年4月大暴雨（75.6mm）時(shí)，監(jiān)測裂縫加寬了1.2～3.09cm不等。目前處于蠕滑階段，發(fā)展趨勢不穩(wěn)定。

4）小河口滑坡：發(fā)生于2012年3月，滑坡縱長38～72m平均66m，寬89～140m，平均100m，厚3～10m，平均7.2m。體積4萬m3?；w主要為第四系粘土夾少量碎石土（碎塊石粒徑1-21cm約占55%）；滑帶土厚6-9 cm，為塑性粘土，厚12～16cm，平均傾角24°；滑床為志留系下統(tǒng)龍馬溪（S1L）泥巖、粉砂質(zhì)頁巖。主滑方向275°，剪出口寬135m。在滑坡中后緣形成長4～14m，寬3～22.1cm的拉張裂縫，特別是2012年4月大暴雨（75.6mm）時(shí)，監(jiān)測裂縫加寬了2～14.13cm不等。滑體中下部已滑動，整體為不穩(wěn)定。

各滑坡采用的參數(shù)見表1。

3.2 滑坡破壞的臨界降雨強(qiáng)度

當(dāng)滑坡體形態(tài)一定，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)的地下水位高度臨界值（滑坡啟動瞬時(shí)），由穩(wěn)定性系數(shù)K=1推算出如下公式： Pw(t)=γXcos2a-（γXsina cosa- c′）/tanψ′ （14）

從（14）公式可計(jì)算出各滑坡體高水位臨界值（pct）：Pw(t)=h(t)γwcos2a （15）

從（15）公式可計(jì)算出各滑坡體啟動時(shí)臨界地下水位的高度(hL)。結(jié)合各滑坡體水文地質(zhì)特征，均取初始水位高度為 0.5m時(shí)，可算出滑坡體初始孔隙水的壓力（pL）分別為龍家?guī)r滑坡 4.04 kpa, 小寨滑坡4.11 kpa, 天平滑坡4.30 kpa, 小河口滑坡4.17 kpa。根據(jù)太沙基-維固結(jié)原理，隨著孔隙水壓力的逐步降低，Pw(t)也隨之減小，地下水位標(biāo)高將降低，滑坡體逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)降雨量猛增時(shí)，引起地下水位上升，滑坡體越易失穩(wěn)，產(chǎn)生滑動。根據(jù)表1相關(guān)參數(shù)，按（12）公式計(jì)算，可能推測出松散堆積體滑坡在降雨作用下的臨界降雨量值，也就表明該區(qū)當(dāng)降雨強(qiáng)度大于此臨界降雨量時(shí)，引發(fā)滑坡失穩(wěn)，產(chǎn)生滑動的可能性極大，造成災(zāi)害的機(jī)率也就越大。

3.3 滑坡滑動因素的敏感性分析

圖3 降雨量與滑坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖

當(dāng)滑坡體性質(zhì)確認(rèn)情況下，通過計(jì)算各滑坡在不同降雨強(qiáng)度下，滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系。當(dāng)初始水位為0.5m時(shí) ,降雨量分別是25mm/d，50mm/d，100mm/d，150mm/d時(shí)，地下水位線分別上升到一定高度時(shí)，各滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)見表2，其變化關(guān)系見圖3。

從圖 3可知，在滑坡滑面傾角、內(nèi)摩擦角一定的條件下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨量有十分密切的線性關(guān)系，并隨降雨量的增加穩(wěn)定系數(shù)值減小。

當(dāng)其它參數(shù)不變，滑面傾角由緩逐漸變陡時(shí)，滑坡啟動的臨界降雨強(qiáng)度分別見表3，其變化關(guān)系見圖4。

從圖 4可知，滑坡啟動的降雨強(qiáng)度與滑面傾角成反向關(guān)系，即滑坡啟動的臨界降雨強(qiáng)度隨滑面傾角的增加而減小，表現(xiàn)出滑面傾角越陡，則越容易引發(fā)滑坡的滑動。

表3 滑坡啟動時(shí)降雨量與滑面傾角關(guān)系表

當(dāng)其它條件不變時(shí)，滑帶土內(nèi)摩擦角發(fā)生變化時(shí)，滑坡啟動的臨界降雨強(qiáng)度分別見表4，其變化關(guān)系見圖5。

表4 滑坡啟動時(shí)降雨量與內(nèi)摩擦角關(guān)系表

從圖 5表明，各滑坡起啟時(shí)臨界降雨強(qiáng)度與滑帶土內(nèi)摩擦角成正比關(guān)系，即內(nèi)摩擦角增加，引起滑坡啟動所需的降雨強(qiáng)度要隨之增大。

圖4 滑坡傾角與滑坡啟動臨界降雨量關(guān)系圖

圖5 滑坡啟動時(shí)降雨量與內(nèi)摩擦角關(guān)系表

4 結(jié)論

1）應(yīng)用滑坡地質(zhì)災(zāi)害-水文地質(zhì)相耦合的模型對沿河縣龍家?guī)r、小寨、天平、小河口四個(gè)松散堆積體滑坡體進(jìn)行了探討，所得的結(jié)論與現(xiàn)各滑坡體監(jiān)測變形特征基本一致。

2）松散堆積體滑坡達(dá)到臨滑狀態(tài)時(shí)，與降雨強(qiáng)度、滑體物質(zhì)成份、滑面傾角有較為切密的關(guān)系，是它們綜合作用的結(jié)果。

3）通過對松散堆積體滑坡的敏感分析表明：滑坡開始滑動時(shí)的最大降雨強(qiáng)度與滑面傾角成反相關(guān)系，滑面傾角越陡，引發(fā)滑坡滑動所需的降雨強(qiáng)度越低?；缕饎铀璧淖畲蠼涤炅颗c滑帶土內(nèi)摩擦角成正比關(guān)系，即內(nèi)摩擦角越大，引起滑坡滑動所需的降雨強(qiáng)度也要增大。

4）目前要準(zhǔn)確判斷滑坡啟動的降雨強(qiáng)度還有許多制約因素，一是還難準(zhǔn)確獲取與滑帶土原狀土實(shí)際完全相吻合的各項(xiàng)參數(shù)，二是數(shù)學(xué)模型還不能全方面反映復(fù)雜地質(zhì)體各種要素（巖性、斜坡結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂縫、水文地質(zhì)等）及其變化情況，并且還作了部份理想的假設(shè)條件，但通過定量分析，探索了降雨量與滑坡啟動的關(guān)系，從而為加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警不疑具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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