臺風暴雨條件下滑坡水文響應過程及穩(wěn)定性分析

池永翔

摘要 以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過數(shù)值模擬重演滑坡體對臺風暴雨單峰型降雨的典型水文響應過程，得出了水文響應及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在降雨峰值期坡體表層快速形成飽水區(qū)，造成前緣局部孔隙水壓力增大，坡腳位置地下水位抬升。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)迅速下降，處于失穩(wěn)狀態(tài)；之后坡體的穩(wěn)定性逐漸提高，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 臺風暴雨；滑坡；水文響應；穩(wěn)定性

中圖分類號 S42 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-176-05

福建省屬典型的臺風暴雨影響區(qū)域，其具有降雨強度大、歷時短、雨量集中的單峰型典型特點。臺風暴雨條件下的滑坡既具有普通降雨型滑坡的特點，又具有自身的特殊性。深入研究強降雨尤其是臺風暴雨引起土坡失穩(wěn)的規(guī)律并分析各影響因素的作用機理，對于福建省以及全國其他地區(qū)類似成因滑坡的預測和防治工作均有著重要的指導意義。筆者以現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為基礎，基于飽和-非飽和滲流理論[1]，通過數(shù)值模擬手段建立福建省臺風暴雨條件下典型飽和-非飽和滑坡體的降雨入滲模型，探索滑坡體在臺風暴雨條件下的水文響應，研究臺風暴雨條件對滑體穩(wěn)定性的影響情況[2-4]，為臺風暴雨條件下滑坡的破壞機理分析提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 建立概化模型 福建省臺風暴雨后出現(xiàn)的滑坡災害滑坡多為小型淺層土質(zhì)滑坡，分布在坡高<30 m、坡度為25°～45°的斜坡地帶。在此選取了最為典型的房前屋后高陡邊坡，作為計算模型并切取計算坡面，即設計滑坡體坡高30 m、坡長50 m，自然坡度為30°，前緣由于人工建房開挖坡腳，坡度為60°，模型縱橫比設定為1∶1（圖1）。

滑體材料根據(jù)降雨入滲試驗區(qū)順昌縣大歷鎮(zhèn)洋后自然村淺層滑坡鉆孔資料，滑體的結(jié)構(gòu)自上而下分為坡積粘土、殘積砂質(zhì)粘土、強風化片麻巖、中風化片麻巖4層。其各層厚度根據(jù)野外地質(zhì)災害詳細調(diào)查資料統(tǒng)計的平均值，坡積層為1 m，殘積層為5 m。計算模型選用圖1中三角形剖分網(wǎng)格。計算模型共剖分單元格1 641個，計算節(jié)點1 264個?？紤]模型主要致力于模擬滑體在臺風暴雨條件下的內(nèi)部滲流場變化以及滑坡穩(wěn)定性變化的過程，因此對坡積粘土、殘積砂質(zhì)粘土、強風化片麻巖的網(wǎng)格進行加密處理從而提高計算精度。

1.2 模型參數(shù)

1.2.1 基本物理參數(shù)。

滑體模型的基本參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料、室內(nèi)土工試驗的統(tǒng)計結(jié)果、現(xiàn)場降雨入滲試驗數(shù)據(jù)以及工程類比法，綜合確定出滑坡體內(nèi)4種地層的滲透系數(shù)以及力學參數(shù)（表1）。

1.2.2 土水特征曲線與滲透系數(shù)方程。

坡積土的土水特征曲線是利用Wykeham Farrance（非飽和土）有效應力路徑三軸儀試驗測得（圖2a），下伏殘積砂質(zhì)粘土的土水特征曲線是基于Fredlund&Xing法利用顆粒級配曲線及飽和體積含水量得出（圖2b）。滲透系數(shù)方程是基于飽和滲透系數(shù)和土水特征曲線采用Fredlund法得出（圖3）。

1.2.3 模型邊界條件。

在滲流模型中設定的邊界條件為模型的左側(cè)邊界為分水嶺，雨水在嶺頂滲流過程中會以分水嶺為界，分水嶺兩側(cè)之間沒有流量交換，因而在模型左側(cè)邊界設置零流量邊界條件；模型底部邊界同左側(cè)邊界，也設為零流量邊界。

降雨模擬時在邊坡坡面以降雨強度為標準施加流量邊界條件且同時施加潛在滲透面邊界。這樣在計算過程中，當降雨強度小于邊坡的入滲能力時，以降雨強度為流量邊界條件；當降雨強度大于邊坡的入滲能力時，如果繼續(xù)使用降雨強度為流量條件，就會在坡體頂部產(chǎn)生較高的孔隙水壓力與現(xiàn)實不符，這時潛在滲透面邊界條件發(fā)揮作用，將邊坡坡面邊界條件設計為零水頭邊界條件，即認為超出入滲能力之外的雨水不在地表貯留，而是瞬時流走。同時位于坡腳處設置一地下水溢出面。

1.2.4 模型初始條件。

瞬態(tài)滲流場的計算中，初始水文地質(zhì)條件是必要的條件。根據(jù)調(diào)查資料，這些淺層土質(zhì)滑坡的地下水位基本位于滑面以下，即位于強風化基巖以下，因而地下水的漲落對滑體的穩(wěn)定影響甚微，主要受非飽和帶含水量大小影響，模擬過程盡可能忽略地下水位的變動。同時在斜坡坡面賦予一個較小的流量邊界，反復調(diào)節(jié)該入滲值，使滑體內(nèi)部的含水量與孔隙水壓力分布與實測數(shù)據(jù)相吻合。

2 臺風暴雨條件下滑坡體水文響應過程模擬

2.1 降雨過程的確定 臺風背景下的暴雨是誘發(fā)滑坡的主要影響因素，為研究臺風暴雨條件下滑坡體內(nèi)滲流場變化過程，模型模擬了整個降雨過程來探討滑坡體內(nèi)滲流場

的變化情況。根據(jù)福建省臺風暴雨特征，臺風暴雨持續(xù)時間多為3 d，以臺風登陸當天降雨量100 mm和3 h短時降雨極值60 mm作為臺風暴雨誘發(fā)

滑坡的臨界降雨量。因此此次降雨過程模擬共計5 d，以臺風過程中雨量最多（大）的3 d為主。臺風登陸前2 d為均勻型降雨，第1天降雨量為15 mm，

第2天降雨量為60 mm；

第三天即登陸當天降雨為單峰型降雨，降雨

量為100 mm，其中60 mm的降雨量在前3 h內(nèi)完成；第4及第5天為臺風結(jié)束后的無雨期（圖4）。盡可能吻合臺風暴雨條件下的強降雨過程，以更好地模擬和演算該條件下強降雨滑坡體水文響應過程和穩(wěn)定性變化。

2.2 臺風暴雨條件下滑坡體滲流場變化過程 滲流矢量線的方向代表該點的滲流方向，大小代表該點的滲流速率。從臺風登陸前2 d即降雨開始第1天和第2天滑體暫態(tài)滲流場

情況（圖5）可以看出，由于臺風登錄前屬于均勻降雨期，降是位于滑坡中后部，地表水大量垂直下滲；二是位于滑坡前緣殘積層內(nèi)，受坡腳處人工開挖的影響，在坡體中前部形成了良好的滲流通道。因此，在降雨量小于土體飽和穩(wěn)定入滲系數(shù)時，滑體入滲的雨水逐漸擴散滑體內(nèi)部，并在滑體內(nèi)部進行垂直下滲和側(cè)向滲流過程。

從模擬的臺風登陸當天受福建省臺風暴雨特有的單峰型降雨影響滑坡體內(nèi)滲流場的變化過程（圖6～8）可以看出，當降雨峰值開始到結(jié)束，滑坡體上部的濕潤區(qū)基本保持不變，維持1 m左右的深度；而與峰值前滲流場對比發(fā)現(xiàn)，峰值開始1 h后，滑體內(nèi)部滲流矢量線消失，代表滑體內(nèi)部雨水幾乎停止運動，可以認為降雨峰值短時降雨量大于土體的入滲率，此時雨水入滲量以土體穩(wěn)定入滲率為主，大量降雨無法即時入滲至土體，缺少雨水補給入滲的滑體內(nèi)停止了滲流活動，滑坡體以坡面徑流為主。此時即使降雨量增大，其坡體入滲量仍增值較小。結(jié)合降雨入滲現(xiàn)場試驗結(jié)果，不同降雨量下滑體表層土體入滲率在降雨開始1 h內(nèi)差異較大，1 h后土壤入滲量逐漸趨于一致。該過程也同時驗證了降雨入滲的基本理論，即在飽和-非飽和降雨入滲過程中將呈現(xiàn)2個階段：第1個階段為降雨強度控制階段，即初始降雨量小于土體的入滲性能，入滲率等于降雨強度，降雨量完全轉(zhuǎn)化土體入滲量，入滲過程中邊坡的表層含水率將隨降雨入滲而逐漸提高，直至達到一個穩(wěn)定值；第2階段為表層土入滲能力控制階段，即經(jīng)過降雨的持續(xù)，土體入滲能力降低，當降雨量大于土體入滲性能，于是產(chǎn)生地表徑流；2個階段的交叉點即是為積水點。

當降雨峰值過后，降雨量減小至土體的飽和穩(wěn)定入滲率時，此時濕潤峰面暫態(tài)飽和帶雨水開始垂直下滲為主，同時在滑坡前緣臨空面地帶出現(xiàn)水平滲流，峰值過后3 h，坡體內(nèi)雨水已經(jīng)基本滲透整個殘積層。隨著當日強降雨的補給，坡體內(nèi)含水量普遍增高，導致巖土體自重亦隨之普遍增大；在殘積層與風化層分界面由于入滲率的急劇減小，在滲流中呈現(xiàn)出“瓶頸”效應，受坡腳剪出口排水作用，滲流方向由斜向下轉(zhuǎn)為水平，滑坡體內(nèi)雨水向滑坡前緣坡腳處匯聚排泄。此時滑體內(nèi)雨水排水作用取決于坡腳排泄量，由于入滲量大于排泄量，在地下水無法短時間排出滑坡體外的情況下，造成前緣局部孔隙水壓力增大，雨水囤積。在前緣坡腳雨水囤積一時間無法排出坡體，便垂直下滲補給中風化基巖層內(nèi)地下水，導致坡腳位置局部地下水位抬升，地下水位線出現(xiàn)坡腳鼓包現(xiàn)象（圖8）。因此地下水在坡體前緣殘積層、強風化層交界面處不斷冒出。這也是在野外實地調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)的，滑坡體在破壞之前，受降雨影響，坡腳常有渾水冒出的原因，即滑坡體破壞的征兆之一。

從臺風過后降雨停止2 d內(nèi)滑坡體滲流場變化過程（圖9）可以發(fā)現(xiàn)，降雨停止后，坡體無繼續(xù)入滲，滲流速率明顯放緩；雨水滲流主要發(fā)生于殘積層中。坡腳水平滲流增大，且在停雨數(shù)小時內(nèi)達到水平滲流速率最大值。水平滲流范圍也逐漸增大，從而使地下水位“隆起”范圍也同時擴大。表明降雨停止后地下水位上升的原因主要有2個：①殘積層內(nèi)殘余水流的持續(xù)補充；②“瓶頸”作用，即坡腳排泄能力不足，造成“頸”口前水流囤積增大。越靠近坡體前緣側(cè)向滲流越嚴重，越靠近坡體后緣垂直下滲越厲害。由于滑坡體內(nèi)部水平滲流分量產(chǎn)生的動水壓力會對滑體造成更為不利的影響[5]，所以大量雨水在坡腳處以水平滲流的形式冒出，是導致邊坡坡腳首先松動破壞進而牽引整個坡體發(fā)生破壞的直接原因。

3 穩(wěn)定性分析

利用GEO-SLOPE軟件SLOPE/W模塊通過加載SEEP/W滲流模塊中臺風暴雨條件下滑坡體滲流模型，應用簡化Bishop法、簡化Janbu法和Morgenstem-Price法對滑坡模型進行穩(wěn)定性分析，取其穩(wěn)定性系數(shù)最小值[6-12]。經(jīng)過模擬計算后，將水動力結(jié)果直接耦合到SLOPE/W模塊進行穩(wěn)定性系數(shù)的計算，安全系數(shù)隨降雨過程變化而變化。從圖10可看出，初始條件下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.113 60，經(jīng)歷2 d 80 mm過程雨量的均勻降雨，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，但下降速度緩慢，第2天結(jié)束穩(wěn)定性系數(shù)僅下降了1.085 30，下降幅度為0.050 70，即0.001 06/h；在臺風登陸當天，降雨峰值開始，穩(wěn)定性系數(shù)迅速下降，在峰值后3 h，即第54時穩(wěn)定性系數(shù)已經(jīng)下降至1.002 00，也就是當強降雨峰值滯后3 h，滑坡體已經(jīng)達到臨界狀態(tài)，此時穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度高達0.013 83/h，足足高出均勻降雨的一個數(shù)量級；此后滑體穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)下降，在第3天結(jié)束時已下降至0.949 44，當天下降幅度為0.083 30，即0.002 12/h，相對于前2 d的降雨，高出了2倍以上。

與前面水文響應和孔隙水壓力變化過程相對應，當降雨峰值開始，坡面迅速產(chǎn)生積水區(qū)，并形成坡面徑流，峰值過后表層飽水區(qū)快速向滑坡體內(nèi)部擴散，在3 h內(nèi)已基本布滿整個殘積層，同時在坡腳排水作用下，大量雨水向坡腳前緣處匯集，無法及時排出的雨水集聚在前緣，導致前緣形成暫態(tài)飽和區(qū)。通過非飽和土變含水率強度試驗分析表明外部水力條件的變化對非飽和土強度影響顯著，當含水量超過20%以后，非飽和土體強度隨含水量的升高迅速降低，抗剪強度降至400 kPa以下?；虑熬壙紫端畨毫υ龃?，基質(zhì)吸力下降，抗剪強度降低，帶來水平位移量升高，引起滑坡的失穩(wěn)。隨著臺風登陸當天的降雨持續(xù)，穩(wěn)定性系數(shù)已迅速下降1.000 0以下，表層土體受雨水的補給不斷向坡腳剪出口排泄，引發(fā)坡腳地下水位出現(xiàn)“水丘”，導致滑坡體繼續(xù)失穩(wěn)。

另外，在降雨停止后，雖然整個坡體已經(jīng)處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)，但僅從穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢來看，滑體穩(wěn)定系數(shù)在這一階段呈先降后升趨勢，這主要是因為雖然坡體停止降雨補給，但滑體中后部隨著雨水的繼續(xù)滲流，前緣排水作用能力有限，滑體前緣的積水仍有聚集，導致滑體穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)下降。在模擬臺風暴雨條件下滑坡穩(wěn)定性過程分析中，穩(wěn)定性系數(shù)最低的時刻是在降雨停止后的第2個小時，即第4天前2 h，穩(wěn)定性系數(shù)降至0.948 33。

隨后伴隨坡腳持續(xù)排水和坡體內(nèi)雨水擴散下滲雙重作用下，前緣孔隙水壓力和含水量逐漸降低，正如前面土水特征曲線所示，基質(zhì)吸力有所回升，抗剪強度增大，穩(wěn)定性系數(shù)也隨之有所回升，到停止后2 d穩(wěn)定性系數(shù)回升至0.981 77，但整個滑坡仍處于失穩(wěn)狀態(tài)[13-14]。

4 小結(jié)

以強降雨入滲現(xiàn)場試驗為科學依據(jù)，利用數(shù)值模擬對臺風暴雨條件下滑坡體內(nèi)部的飽和與非飽和滲流場進行了反演，揭示了臺風暴雨條件下單峰型強降雨滑坡體內(nèi)特殊的水文響應過程及穩(wěn)定性變化規(guī)律。

（1）臺風登陸前期均勻降雨，滲流主要集中于2個部位，一是位于滑坡中后部的垂直下滲，二是位于滑坡前緣坡腳殘積層處側(cè)向滲流。在孔隙水壓力變化方面，主要以淺層表土帶和前緣坡腳地帶土體孔隙水壓力緩慢抬升。

（2）滑坡體對臺風暴雨特有的單峰型降雨的水文響應與均勻降雨截然不同。在峰值期坡體表層短時內(nèi)形成飽水區(qū)，在坡體表層1 m深度內(nèi)形成濕潤區(qū)，坡體受雨水入滲量以表層土體穩(wěn)定入滲率為主。再現(xiàn)了飽和-非飽和降雨入滲過程中的降雨強度控制階段和表層土入滲能力控制階段，驗證了積水點的問題。

（3）降雨峰值過后，濕潤峰面水分開始快速垂直下滲，峰值過后3 h，雨水滲透整個殘積層，受到巖土分界面入滲系數(shù)的差異和坡腳排水作用的影響，滲流方向由斜向下轉(zhuǎn)為水平，滑坡體內(nèi)雨水向滑坡前緣坡腳處匯聚排泄。在雨水無法短時間排出滑坡體外的情況下，造成前緣局部孔隙水壓力增

大，雨水囤積，坡腳位置局部地下水位抬升。這也是在野外實地調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)的，滑坡體在破壞之前，受降雨影響，坡腳常有渾水冒出的原因，即滑坡體破壞的征兆之一。

（4）降雨停止后，雨水在滑體內(nèi)部繼續(xù)擴散。坡體雖然無降雨補給，但排泄量仍小于側(cè)向補給量，水流匯集于坡腳形成溢出面，造成前緣孔隙水壓力和含水量依舊維持較高值。隨著排泄過程的繼續(xù)，坡體內(nèi)雨水逐漸減少，側(cè)向補給量小于排泄量，前緣孔隙水壓力和含水量降低，地下水位逐漸下降。模擬與強降雨條件下滑坡入滲現(xiàn)場試驗的含水量變化情況相吻合，再一次表明了此次模擬的可靠性。

（5）對于臺風暴雨單峰型強降雨，降雨強度越大，降雨持時越久，坡體滲入的雨水量也就越大。降雨在入滲過程中先以垂直下滲為主，受到坡腳溢流面排水作用和巖土分界面滲透能力的差異性，雨水向坡腳前緣處排泄，排泄能力小于側(cè)向和垂向入滲的補給量，造成地下水在滑體前緣大量囤積，孔隙水壓力和地下水位抬升。其結(jié)果是殘積層內(nèi)的基質(zhì)吸力和抗剪強度逐漸降低，抗滑力的減少、下滑力的增大，造成邊坡穩(wěn)定性降低。

（6）通過穩(wěn)定性變化規(guī)律和破壞概率的分析，臺風暴雨條件下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律具有其特殊性，在臺風登陸

前2 d均勻降雨下，穩(wěn)定性系數(shù)緩慢降低，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；在臺風登陸當天，降雨峰值開始，穩(wěn)定性系數(shù)迅速下降，在峰值后3 h，破壞概率超過50%，處于危險狀態(tài)，伴隨降雨繼續(xù)，坡體的穩(wěn)定性持續(xù)降低；停雨后2 h滑坡體仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

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