降雨誘發(fā)順層巖質(zhì)及土質(zhì)滑坡動(dòng)態(tài)預(yù)警力學(xué)模型*

亓 星，許 強(qiáng)，鄭 光，胡澤銘

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

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降雨誘發(fā)順層巖質(zhì)及土質(zhì)滑坡動(dòng)態(tài)預(yù)警力學(xué)模型*

亓 星，許 強(qiáng)，鄭 光，胡澤銘

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

對(duì)于降雨誘發(fā)的順層巖質(zhì)滑坡，當(dāng)滑坡后緣有裂隙存在時(shí)，水通過裂隙滲入坡體內(nèi)部導(dǎo)致滑帶土的軟化和抗剪強(qiáng)度減小，同時(shí)，由于裂隙水的靜水壓力以及揚(yáng)壓力的影響，滑坡體穩(wěn)定性隨降雨而動(dòng)態(tài)變化；對(duì)于降雨誘發(fā)的土質(zhì)滑坡，坡體的增重和滑面的抗剪強(qiáng)度降低使滑坡體穩(wěn)定性不斷變化。通過考慮巖質(zhì)滑坡后緣裂隙靜水壓力、揚(yáng)壓力、滑面軟化的動(dòng)態(tài)變化過程以及土質(zhì)滑坡浸潤(rùn)面高度、軟化作用的動(dòng)態(tài)變化過程建立了這兩類滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)預(yù)警模型，并驗(yàn)證了模型在順層巖質(zhì)滑坡中的準(zhǔn)確性。

滑坡；降雨；順層巖質(zhì)；土質(zhì)力學(xué)模型；預(yù)警

巖質(zhì)滑坡與土質(zhì)滑坡的坡體結(jié)構(gòu)不同，降雨誘發(fā)的這兩類滑坡機(jī)理也有明顯差別。巖質(zhì)滑坡的豎向張裂縫為重要導(dǎo)水通道，降雨通過裂縫進(jìn)入坡體內(nèi)部和滑動(dòng)面，并分別在后緣豎向裂縫和底滑面靜水壓力和揚(yáng)壓力，由此影響斜坡的穩(wěn)定性；土質(zhì)滑坡中降雨主要通過影響地下水位和坡體的增重對(duì)斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。E. Hoek[1]在對(duì)后緣有張裂縫的楔形巖質(zhì)邊坡做破壞分析時(shí)，對(duì)滑面處水壓力分布模式作了假設(shè)，最早提出了裂隙水壓力和揚(yáng)壓力的分布，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)平緩巖層滑坡的成因機(jī)理也進(jìn)行了探討[2-8]，王蘭生[9]等對(duì)平緩順層巖質(zhì)滑坡提出了“平推式滑坡”理論，認(rèn)為巖體裂縫中充水的靜水壓力和沿滑移面空隙水的揚(yáng)壓力對(duì)滑坡起了非常重要的作用。黃潤(rùn)秋[10]進(jìn)一步提出對(duì)于緩傾地層產(chǎn)生的大規(guī)?；拢严端畨毫偷叵滤碾p重作用是主要誘發(fā)因素。許強(qiáng)[11]通過分析四川省南江縣興馬中學(xué)滑坡和大河中學(xué)滑坡，提出了板梁狀滑坡滑動(dòng)機(jī)制，認(rèn)為在強(qiáng)降雨條件下，平行于坡面的張裂縫被快速充水至某一臨界高度后，強(qiáng)大的靜水壓力將外側(cè)巖體整體平推出去。這類巖質(zhì)滑坡均為降雨導(dǎo)致后緣拉裂充水，在后緣靜水壓力和滑移面處的浮托力聯(lián)合作用下，推動(dòng)滑坡平移，一般情況下，裂隙水壓力分布模式假設(shè)為一個(gè)靜態(tài)的水文條件，可能僅代表在特大暴雨條件下斜坡中水壓力的實(shí)際最大值。但降雨是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，往往持續(xù)多天，在整個(gè)降雨過程中，巖質(zhì)滑坡地下水壓力究竟是如何動(dòng)態(tài)變化的，滑動(dòng)面上由于降雨浸潤(rùn)作用導(dǎo)致的隨抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨時(shí)間減小的特征對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響研究也較少。對(duì)于巖質(zhì)和土質(zhì)滑坡，滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度可能隨著浸水時(shí)間產(chǎn)生軟化效應(yīng)，其穩(wěn)定性隨降雨的動(dòng)態(tài)變化過程并未在靜態(tài)的極限平衡法力學(xué)模型中體現(xiàn)出來。

因此，本文通過考慮滑坡體c、φ值隨降雨入滲而變化的特征，結(jié)合極限平衡法得到滑坡穩(wěn)定性隨降雨的動(dòng)態(tài)變化過程，建立單體滑坡預(yù)警的穩(wěn)定性力學(xué)概化模型。

1 順層巖質(zhì)滑坡力學(xué)模型

在降雨作用下，水對(duì)順層巖質(zhì)滑坡的主要影響為降雨沿滑坡后緣裂隙滲入并對(duì)裂隙壁面產(chǎn)生的靜水壓力，也對(duì)潛在滑動(dòng)面產(chǎn)生揚(yáng)壓力，隨著降雨持續(xù)，滑坡體裂縫中的水位不斷積聚上升，裂隙中的水在底滑面位置由后緣向前方不斷滲透，呈動(dòng)態(tài)變化，而裂隙水的高度也隨時(shí)間不斷變化，滑坡體的穩(wěn)定性也由于裂隙水和底部揚(yáng)壓力的影響而變化。同時(shí)，滑帶巖土體隨雨水的浸潤(rùn)而產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)減小的軟化特性，使滑坡體的整體穩(wěn)定性不斷降低。

這類滑坡的形成機(jī)制可簡(jiǎn)化為單個(gè)裂縫的順層巖質(zhì)滑坡，采用極限平衡法進(jìn)行解析計(jì)算，分析滑坡體穩(wěn)定性隨整個(gè)降雨過程的變化情況，獲得滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K值隨滑坡后緣拉裂縫中靜水壓力和底滑面楊壓力以及滑帶抗剪強(qiáng)度的不斷改變而呈現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并可采用穩(wěn)定性系數(shù)接近或達(dá)到臨界平衡狀態(tài)時(shí)構(gòu)建降雨誘發(fā)順層巖質(zhì)滑坡的物理預(yù)警模型。考慮滑坡體中裂隙水、揚(yáng)壓力、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力均隨時(shí)間產(chǎn)生變化，假設(shè)滑坡體作整體運(yùn)動(dòng)，滑面為直線，其受到的軟化作用衰減幅度相同。

設(shè)某一滑坡體巖層傾角為θ，后緣裂縫豎直的巖質(zhì)斜坡，潛在滑面總長(zhǎng)為L(zhǎng)，地下水從C點(diǎn)已經(jīng)入滲到潛在滑面A點(diǎn)，AC的高度為h，那么此時(shí)后緣裂縫內(nèi)已經(jīng)充水并產(chǎn)生了一定的水頭高度為hw，在經(jīng)過時(shí)間tf過后，地下水剛好滲流至O點(diǎn)貫通，tf為地下水由后緣向坡體前緣滲流貫通的總時(shí)間。由于該點(diǎn)底滑面上的地下水為持續(xù)滲流狀態(tài)，AB段的揚(yáng)壓力呈三角形分布，為了簡(jiǎn)化方便，本文考慮B點(diǎn)此時(shí)的水頭為0，在t(ttf)時(shí)刻，地下水運(yùn)移到O點(diǎn)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，假設(shè)滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角為φ，粘聚力為c，如圖1所示。

圖1 順層巖質(zhì)滑坡極限分析法示意圖

極限平衡分析法滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(1)

滑坡體重力w為：

w=rhL。

(2)

式中：r為坡體巖土體重度，h為坡面到潛在滑面的垂直高度。

滑坡體地下水揚(yáng)壓力為：

(3)

式中：rw為水的重度，hw為裂縫充水高度，x為滑坡體滑面揚(yáng)壓力長(zhǎng)度。

裂隙水作用在裂隙壁面的靜水壓力為：

(4)

帶入以上參數(shù)后可得到坡體的穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(5)

當(dāng)浸水時(shí)間t

K(t)=

(6)

當(dāng)浸水時(shí)間t>tf時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)k值為：

K(t)=

(7)

根據(jù)式(7)可以得到滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K隨滑坡體浸水時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)滑坡體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，令穩(wěn)定性系數(shù)K=1，把r、h、L、θ、rw的值和x(t)，c(t)，φ(t)三個(gè)與時(shí)間t的關(guān)系式代入上式中，即可得出K=1時(shí)滑坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間t。

2 順層巖質(zhì)滑坡實(shí)例分析

為了檢驗(yàn)這類巖質(zhì)滑坡預(yù)警思路和公式的有效性，采用2011年四川省南江縣“9.16”強(qiáng)降雨誘發(fā)的窯廠坪滑坡和石板溝滑坡進(jìn)行驗(yàn)證。

2011年9月6日，南江縣境內(nèi)普降中到大雨，降雨斷斷續(xù)續(xù)直到9月15日，前期過程累積降雨量達(dá)到268.1mm。9月16日20:00左右，區(qū)域內(nèi)再次出現(xiàn)大暴雨，連續(xù)2d日均降雨強(qiáng)度分別達(dá)到250.4mm、179.1mm，超過了9月份的月平均降雨量182.6mm(圖2)。南江縣緩傾單斜順層構(gòu)造較發(fā)育，由于強(qiáng)降雨的作用，此次降雨導(dǎo)致窯廠坪滑坡和石板溝滑坡兩處典型的順層巖質(zhì)滑坡發(fā)生。

圖2 四川省南江縣2011年“9.16”強(qiáng)降雨過程

窯廠坪滑坡位于南江縣高橋鄉(xiāng)三星村，9月16日開始的長(zhǎng)歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨作用使滑坡體后緣裂隙中的水頭高度迅速增加，最終導(dǎo)致窯廠坪發(fā)生大規(guī)?；拢斐?5戶住戶約275間房屋被毀，滑坡堆積體將前緣主干公路掩埋，并堵塞岷江。

窯廠坪滑坡長(zhǎng)650m，寬約580m，相對(duì)高差150m，滑體平均厚度15m，總體積約3.0×106m3，為大型順層巖質(zhì)滑坡。滑面主要為灰白色、紫紅色砂泥巖互層，傾向?yàn)?30°～350°，傾角8°～16°，滑坡結(jié)構(gòu)特征見滑坡前典型工程地質(zhì)剖面圖(圖3)。

圖3 窯廠坪滑坡工程地質(zhì)剖面圖

石板溝滑坡位于南江縣沙河鎮(zhèn)將營(yíng)村，9月18上午10時(shí)20分左右，在強(qiáng)降雨作用下山體發(fā)生大規(guī)?；?，導(dǎo)致487間房屋被毀，多人傷亡。

石板溝滑坡長(zhǎng)600m，平均寬約250m，滑坡堆積體長(zhǎng)度超過1 000m，相對(duì)高差290m，滑體平均厚度17m，滑體體積約4.0×106m3，為大型順層巖質(zhì)滑坡。滑面主要為薄層狀泥巖軟弱夾層，巖層產(chǎn)狀170°∠12°?；陆Y(jié)構(gòu)特征見石板溝滑坡滑前典型工程地質(zhì)剖面圖(圖4)。

圖4 石板溝滑坡工程地質(zhì)剖面圖

窯廠坪滑坡巖層平均傾角為10°，坡長(zhǎng)L=650 m，坡體重度w=122 042 (kN)；石板溝滑坡巖層傾角為12°，坡長(zhǎng)L=600 m，坡體重度w=224 400 (kN)。根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算坡體在此次降雨過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化值，得到窯廠坪滑坡、石板溝滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化如圖5、圖6所示。

圖5 窯廠坪滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨關(guān)系

圖6 石板溝滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨關(guān)系

可見，這類巖質(zhì)滑坡與后緣靜水壓力以及滑帶浸水軟化關(guān)系密切，對(duì)于這類緩傾順層巖質(zhì)滑坡，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著隨著降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)的變化而變化。隨著降雨過程的持續(xù)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)K值逐漸下降，結(jié)合降雨過程分析及考慮滑面軟化效應(yīng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法對(duì)這類緩傾順層巖質(zhì)滑坡的形成過程進(jìn)行預(yù)測(cè)得到的結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。

3 淺層土質(zhì)滑坡力學(xué)模型

土質(zhì)滑坡在降雨過程中的穩(wěn)定性主要受降雨入滲的影響，降雨滲入土體后導(dǎo)致土體自重增加，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的變化而變化，從而影響土體抗剪強(qiáng)度，降雨成為了土質(zhì)滑坡的重要致滑因素[13]。若土體后緣也有拉裂縫存在，降雨通過拉裂縫進(jìn)入土體內(nèi)部，并到達(dá)潛在滑動(dòng)面，增加滑動(dòng)面附近孔隙水壓力，并由于軟化和有效應(yīng)力減小雙重作用，削弱土體抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致滑坡。

因此，可以以斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)K作為基本依據(jù)，采用解析方法分析整個(gè)降雨過程中斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨土體重量增加、滲透壓力和滑帶抗剪強(qiáng)度的不斷改變的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并以穩(wěn)定性系數(shù)接近或達(dá)到臨界平衡狀態(tài)例如K=1作為預(yù)警判據(jù)，構(gòu)建降雨誘發(fā)緩傾角淺表層土質(zhì)滑坡的物理預(yù)警模型。

假定土體為圓弧滑動(dòng)面，滑面總長(zhǎng)為L(zhǎng)，在降雨過程中隨著降雨時(shí)間t的變化，坡體內(nèi)含水量也隨之變化，對(duì)應(yīng)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)也產(chǎn)生變化。假設(shè)土體滑動(dòng)面的內(nèi)摩擦角為φ，粘聚力為c，如圖7所示。

圖7 土質(zhì)滑坡極限分析法示意圖[14]

極限平衡分析法滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(8)

式中：孔隙水壓力Nwi=rwhiwLicosαi，即近似等于浸潤(rùn)面以下土體的面積hiwLicosαi，乘以水的容重rw。滲透壓力產(chǎn)生的平行滑面分力為：

TDi=rwhiwLisinβicos(αi-βi)。

(9)

滲透壓力產(chǎn)生的垂直滑面分力為：

RDi=rwhiwLisinβisin(αi-βi)。

(10)

式中：K為穩(wěn)定性系數(shù)，hiw為第i條塊浸潤(rùn)面高度，wi為第i條塊的重量(kN/m)，ci為第i條塊的內(nèi)聚力(kPa)，φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角(°)，Li為第i條塊滑面長(zhǎng)度(m)，αi為第i條塊滑面傾角(°)，βi為第i條塊地下水流向(°)。

帶入以上參數(shù)后可得到坡體的穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(11)

式中：穩(wěn)定性系數(shù)K隨時(shí)間的變化而變化，記為K(t)；hiw，ci，φi值隨著浸水時(shí)間的變化而變化，與降雨時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，記為hiw(t)，ci(t)，φi(t)。hiw(t)可以通過對(duì)滑坡體地下水水位的實(shí)際監(jiān)測(cè)獲得浸潤(rùn)高度與降雨時(shí)間的關(guān)系，對(duì)于不同特性的土體，可以通過實(shí)驗(yàn)獲得滑動(dòng)面土體ci，φi值與浸水時(shí)間的關(guān)系公式ci(t)，φi(t)，將以上參數(shù)代入穩(wěn)定性系數(shù)公式中可得到穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

K=

根據(jù)公式可以得到滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K隨坡體滑動(dòng)面浸水時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)滑坡體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，令穩(wěn)定性系數(shù)K=1，把wi、rw、Li、αi、βi、θ的值和hiw(t)、ci(t)、φi(t)，三個(gè)與時(shí)間t的關(guān)系式代入上式中，即可得出K=1時(shí)滑坡體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間t。

4 結(jié)論

降雨過程中，斜坡中地下水位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律可以通過斜坡地下水位的實(shí)際觀測(cè)得到，如果沒有地下水位觀測(cè)，也可以利用數(shù)值模擬軟件(如SEEP/W專業(yè)地下水滲流分析軟件)分析計(jì)算降雨過程中斜坡地下水位的動(dòng)態(tài)變化過程。降雨過程中，滑帶土抗剪強(qiáng)度衰減規(guī)律可通過試驗(yàn)得到。圖8中顯示了同時(shí)考慮降雨過程中地下水位變化以及滑帶土抗剪強(qiáng)度變化等因素后，斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)動(dòng)態(tài)變化情況。若將斜坡穩(wěn)定性系數(shù)K(t)=1作為降雨型滑坡預(yù)警判據(jù)，便可實(shí)現(xiàn)降雨型滑坡的動(dòng)態(tài)預(yù)警。

圖8 穩(wěn)定性系數(shù)動(dòng)態(tài)變化示意圖

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Dynamic Mechanics Early Warning Model of Rainfall InducedBedding Rock and Soil Landslide

Qi Xing, Xu Qiang, Zheng Guang and Hu Zeming

(StateKeyLaboratoryofGeo-hazardsPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Forrainfallinducedbeddingrockslope,whenthebacklandslidehasfissures,waterleadstosofteningslidingzoneandreduceshearingstrength.Becauseoftheinfluenceoffissurewaterhydrostaticpressureandupliftpressure,thestabilityofthelandslidehavedynamicchangewithrainfall;forthesoillandslideinducedbyrainfall,theslopebodyweightincreaseandtheshearstrengthreductionmakesthestabilityofthelandslidechanging.Byconsideringthedynamicchangeprocessofhydrostaticpressure,upliftpressure,softenslidingsurfaceinrocklandslideandphreaticsurfaceheight,softeningeffectinsoillandslidetoestablishthestabilitycoefficientearlywarningmodelofthetwokindsoflandslide,andvalidatethemodelaccuracyinlayeredrocklandslide.

landslide;rainfall;layeredrock;soilmechanicalmodel;earlywarning

2015-01-15

2015-03-20

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB733200);中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(水[2014]02-028-004);四川省科技支撐計(jì)劃(2012SZ0066)

亓星(1988-)，男，四川成都人，博士研究生，主要從事地質(zhì)工程相關(guān)研究.E-mail: qixing2009@163.com

P642.22; X43

A

1000-811X(2015)03-0038-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.008

亓星，許強(qiáng)，鄭光，等. 降雨誘發(fā)順層巖質(zhì)及土質(zhì)滑坡動(dòng)態(tài)預(yù)警力學(xué)模型[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):038-042. [Qi Xing, Xu Qiang, Zheng Guang, et al. Dynamic mechanics early warning model of rainfall induced bedding rock and soil landslide [J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：038-042.]