滲透性與降雨強(qiáng)度對堆積層滑坡穩(wěn)定性的影響

覃 偉,徐智彬,李東林

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260)

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滲透性與降雨強(qiáng)度對堆積層滑坡穩(wěn)定性的影響

覃 偉,徐智彬,李東林

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260)

本文基于非飽和滲流理論及非飽和土的Fredlund雙應(yīng)力變量強(qiáng)度理論，對一沿巖土接觸面滑動的堆積層滑坡模型，分別進(jìn)行了8種條件下的降雨入滲數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了不同土體滲透性及降雨強(qiáng)度對滑坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：(1)堆積層滑坡的穩(wěn)定性與土體的滲透性有密切關(guān)系，在降雨后的短期內(nèi)，土體滲透性越好，滑面孔隙水壓力升高越明顯，滑坡的穩(wěn)定性降低程度越大；(2)降雨期間，埋深較淺的滑面，入滲雨水能夠較快到達(dá)，對滑坡穩(wěn)定性的影響較大；(3)在相同的降雨時間內(nèi)，降雨強(qiáng)度越大，滑坡穩(wěn)定性降低速率越快；(4)降雨強(qiáng)度影響著滑坡發(fā)生的滯后性，在降雨總量一定的條件下，若降雨強(qiáng)度較大，雨停后，滑坡穩(wěn)定性繼續(xù)下降的程度較大；(5)降雨總量控制著滑坡的最終穩(wěn)定性。

滲透性 降雨強(qiáng)度 堆積層滑坡

堆積層滑坡是指發(fā)生在第四系地層內(nèi)松散堆積層(黃土、粘土及其它軟土層除外)中的滑坡,其滑體物質(zhì)一般由崩積物、崩坡積物、沖積與崩坡積混合物堆積而成，具有結(jié)構(gòu)松散、孔隙比高、透水性強(qiáng)等特點(diǎn)(戴自航等，2000；陳善雄等，2005；孫紅月等，2012)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，堆積層滑坡的發(fā)生，絕大多數(shù)由降雨激發(fā)，例如，湖北省秭歸縣50×104m3以上的堆積層滑坡共計(jì)154處，其中149處由降雨激發(fā)產(chǎn)生，占96.75%(王發(fā)讀，1995；賀可強(qiáng)等，2005)。

堆積層滑坡的滑面常為堆積層與下伏基巖的接觸面，來自上覆松散堆積層中的地下水及地表滲入水常匯集在基巖頂面，導(dǎo)致其強(qiáng)度較低，使上覆堆積層失去穩(wěn)定，沿下伏基巖面滑動(白云峰等，2004；許建聰?shù)龋?005；成國文等，2008；巨能攀等，2010；吳火珍等，2010；馬世國等，2014；王維早等，2015；尹劍輝等，2015)。已往許多學(xué)者對降雨入滲與土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，取得了豐富的成果(王平衛(wèi)等，2007；劉俊新等，2010；徐全等，2012；李海亮等，2013；唐棟等，2015)，但對堆積層滑坡體沿基巖面滑動的穩(wěn)定性研究鮮見報道。本文將分析不同降雨強(qiáng)度條件下具有不同滲透性的堆積層滑坡體沿基巖面滑動的穩(wěn)定性，為該類型滑坡的預(yù)測評價提供方法。

1 降雨入滲影響堆積層滑坡穩(wěn)定性的分析方法

1.1 降雨入滲非飽和滲流計(jì)算

降雨入滲非飽和滲流分析，可采用Richards方程來描述(吳吉春等，2009)，該方程以總水頭H為因變量的二維表達(dá)式為：

(1)

其中：

式中，uw為孔隙水壓力；θ為體積含水率；γw為水的重度；t為時間；kx、ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)，是基質(zhì)吸力的函數(shù)，可由土水特征曲線確定。

1.2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算可采用極限平衡法進(jìn)行，常用的極限平衡法有瑞典圓弧法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等，其中Morgenstern-Price法充分考慮了條間力的相互作用，具有誤差較小的優(yōu)點(diǎn)(佴磊等，2010；段偉強(qiáng)等，2014)。本文采用Morgenstern-Price法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析，計(jì)算時，引入非飽和土的Fredlund雙應(yīng)力變量強(qiáng)度理論來表示非飽和土的抗剪強(qiáng)度特征，該理論將非飽和土抗剪強(qiáng)度表示為(Ningetal.，2012)：

τf=c′+(σ-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(2)

式中,(σ-ua)f為土體破壞時，其破壞面上的凈法向應(yīng)力；(ua-uw)f為土體破壞時的基質(zhì)吸力；c′為有效內(nèi)聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；φb為對應(yīng)于基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦角。

上式表明，對于非飽和土，隨著孔隙水壓力(負(fù)壓)的升高，基質(zhì)吸力將降低，最終導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低。

2 分析模型與計(jì)算方案

堆積層滑坡模型如圖1所示，滑坡前后緣高差為33m，滑坡體主體厚度為3.2 ～ 5.5m?；矠榛鶐r，滑坡體為堆積層，滑面為基巖與堆積層接觸面，呈折線型，共由5段(a、b、c、d、e)組成，其幾何特征見表1。滑體上表面為入滲邊界；滑床的滲透性遠(yuǎn)低于上覆滑體，視為不透水介質(zhì)，即滑體與基巖接觸面為不透水邊界。初始條件下，地下水位位于滑床基巖內(nèi)，滑坡體處于包氣帶中，地下水位線以上，基質(zhì)吸力呈線性增加，當(dāng)超過最大毛細(xì)高度5m后，孔隙水壓力為常數(shù)。

圖1 滑坡剖面模型

本文將對粒度相對較粗、較細(xì)的兩種滑坡土體分別進(jìn)行4種不同降雨強(qiáng)度下的穩(wěn)定性分析，即共進(jìn)行8種模擬試驗(yàn)(表2)，其中試驗(yàn)M1、M2、M3、M4的土體具有相同的土水特征曲線及滲透系數(shù)曲線(圖2、圖3)，其粒度相對較粗，飽和滲透系數(shù)為1×10-4m/s，飽和體積含水率為0.4；試驗(yàn)M5、M6、M7、M8的土體具有相同的土水特征曲線及滲透系數(shù)曲線(圖2、圖3)，其粒度相對較細(xì)，飽和滲透系數(shù)為5×10-6m/s，飽和體積含水率為0.4。8種模擬試驗(yàn)中，滑坡體天然重度取值為20 kN/m3，滑面有效內(nèi)聚力c′取值為15.09 kPa，有效內(nèi)摩擦角φ′取值為9.97°，φb取值為9.97°。

表1 滑面幾何特征表Table 1 Geometry characteristics of sliding surface

表2 降雨入滲模擬試驗(yàn)基本參數(shù)Table 2 Parameters of rainfall infiltration simulation tests

圖2 土水特征曲線

圖3 滲透系數(shù)曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

對上述8種模型進(jìn)行非飽和有限元滲流分析，并用Morgenstern-Price法進(jìn)行滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算，得到各試驗(yàn)降雨(無雨)1天時，豎直剖面A(位置見圖1)內(nèi)孔隙水壓力隨埋深變化曲線(圖4)、各試驗(yàn)滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線(圖5～12)及滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線(圖13)。

3.1 滲透性對滑體穩(wěn)定性的影響

由于地下水位相對較深，滑坡土體處于包氣帶中，基質(zhì)吸力較大，由滲透系數(shù)曲線(圖3)可知，試驗(yàn)M5、M6、M7、M8土體的滲透系數(shù)總體較試驗(yàn)M1、M2、M3、M4的大。

圖4 降雨(無雨)持續(xù)1天時豎直剖面A內(nèi)孔隙水壓力隨埋深變化曲線

3.1.1 滲透性對孔隙水壓力分布的影響

各試驗(yàn)降雨(試驗(yàn)M2、M3、M4、M6、M7、M8)1天或無雨(M1、M5)持續(xù)1天時豎直剖面A內(nèi)孔隙水壓力隨埋深變化曲線(圖4)顯示，試驗(yàn)M1的滲透系數(shù)較低，初始的總水頭差對滲流的貢獻(xiàn)微弱，整條曲線與初始值相近；試驗(yàn)M5的滲透系數(shù)較高，在初始總水頭差的作用下，上部土體內(nèi)的地下水逐漸向滑面方向滲流，使上部土體的孔隙水壓力減小，下部土體的孔隙水壓力升高；試驗(yàn)M2、M3、M4滲透系數(shù)較低，雨水入滲速率緩慢，形成的濕潤鋒主要位于埋深為1m的范圍內(nèi)，且濕潤鋒以上區(qū)域的孔隙水壓力升高幅度較大，濕潤鋒之下深度范圍內(nèi)的孔隙水壓力與試驗(yàn)M1的曲線基本重合；試驗(yàn)M6、M7、M8滲透系數(shù)較高，雨水入滲速率相對較快，其中試驗(yàn)M7、M8，降雨入滲形成的濕潤鋒主要位于埋深為3m的范圍內(nèi)，且濕潤鋒以上區(qū)域的孔隙水壓力升高幅度相對較小，試驗(yàn)M6降雨強(qiáng)度較小，無法從曲線上識別出濕潤鋒；試驗(yàn)M6、M7、M8在埋深約4m之下的孔隙水壓力隨埋深增加而逐漸升高，與試驗(yàn)M5相應(yīng)埋深的曲線重合，說明該區(qū)域孔隙水壓力的升高主要是由于初始總水頭差作用形成的，而與降雨入滲無明顯相關(guān)性。

上述分析表明滲透系數(shù)的大小影響著孔隙水壓力的分布。滲透系數(shù)越大，越利于地下水從高勢區(qū)向著低勢區(qū)滲流，使低勢區(qū)孔隙水壓力升高的速率越快，高勢區(qū)孔隙水壓力降低的速率越快。

3.1.2 試驗(yàn)M1、M2、M3、M4滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性

試驗(yàn)M1、M2、M3、M4具有相同的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線。試驗(yàn)M1的總降雨量為0mm，計(jì)算結(jié)果(圖5)顯示，試驗(yàn)M1由于無降雨入滲土體，且土的滲透系數(shù)低，初始的總水頭差使地下水向滑面發(fā)生的滲流微弱，使滑面孔隙水壓力僅有略微上升，9天后滑坡穩(wěn)定性系數(shù)僅降低0.009。因此，可以忽略此條件下初始孔隙水壓力(含水量)分布對滑坡穩(wěn)定性的影響。

圖5 試驗(yàn)M1滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

試驗(yàn)M2、M3、M4具有相同的總降雨量，盡管降雨強(qiáng)度不同，但滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線是相似的(圖6、圖7、圖8)。降雨期間，由于雨水的入滲，使得滑面埋深相對較淺的滑坡后緣與前緣含水程度相對較高，其對應(yīng)的滑面(a區(qū)、e區(qū))孔隙水壓力迅速升高，而滑面埋深相對較深的滑坡中部區(qū)域滑面(b區(qū)、c區(qū)、d區(qū))孔隙水壓力變化不大。雨停后，入滲雨水繼續(xù)由坡體表層向深部滑面滲流，導(dǎo)致滑坡體后緣及前緣滑面的孔隙水壓力繼續(xù)升高，而滑面埋深相對較深的滑坡中部區(qū)域滑面，由于含水程度較低，滲透系數(shù)低，從而難以得到足夠雨水補(bǔ)給，其孔隙水壓力仍無明顯變化。因此，滑坡體穩(wěn)定性的降低主要是由于雨水滲入滑坡體后緣及前緣滑面，導(dǎo)致孔隙水壓力升高，基質(zhì)吸力降低，使抗剪強(qiáng)度減小的結(jié)果。

圖6 試驗(yàn)M2滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

圖7 試驗(yàn)M3滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

圖8 試驗(yàn)M4滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

3.1.3 試驗(yàn)M5、M6、M7、M8滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性

試驗(yàn)M5、M6、M7、M8具有相同的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線。試驗(yàn)M5的總降雨量為0mm，計(jì)算結(jié)果(圖9)顯示，試驗(yàn)M5由于無降雨入滲土體，但土的滲透系數(shù)較高，在初始的總水頭差的作用下，地下水向滑面方向發(fā)生的滲流，使滑面b區(qū)、c區(qū)的孔隙水壓力有明顯上升，9天后滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低0.064。這說明滲透性較好的條件下，初始的孔隙水壓力(含水量)分布將對滑坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

試驗(yàn)M6、M7、M8具有相同的總降雨量，盡管降雨強(qiáng)度不同，但滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線是相似的(圖10、圖11、圖12)。降雨期間，由于滑坡體滲透系數(shù)較高，在初始總水頭差及入滲雨水的共同作用下，地下水能夠較快地向滑面方向移動，使得整個滑面孔隙水壓力持續(xù)升高，且由于滑坡后緣與前緣滑面埋深相對較淺，其孔隙水壓力上升速率大，尤其是在降雨強(qiáng)度較大的條件下，變化更為顯著。降雨結(jié)束后，由于滑坡后緣滑面含水程度高，滲透性較好，該處的孔隙水在重力作用下向滑坡前緣方向滲流的速率快于其上部土體中地下水向滑面滲流的速率，導(dǎo)致滑坡后緣滑面孔隙水壓力持續(xù)降低；滑坡前緣滑面，孔隙水壓力表現(xiàn)為較為平穩(wěn)的特征；滑面其他部位，孔隙水壓力的升高速率隨著時間的增加逐漸降低，且降雨強(qiáng)度越大，孔隙水壓力變化越明顯。通過滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力變化越明顯，則滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化就越明顯。

圖9 試驗(yàn)M5滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

圖10 試驗(yàn)M6滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

圖11 試驗(yàn)M7滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

圖12 試驗(yàn)M8滑面孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

3.1.4 滲透性對滑體穩(wěn)定性的影響

試驗(yàn)M1、M2、M3、M4與試驗(yàn)M5、M6、M7、M8滑面孔隙水壓力及滑坡穩(wěn)定性的差異，主要由滑坡體滲透性的差異造成。根據(jù)滑坡穩(wěn)定性隨時間的變化曲線(圖13)，可以看出在相同的觀察時間內(nèi)，滲透系數(shù)較小的試驗(yàn)M1、M2、M3、M4所得到的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低程度較透系數(shù)較大的試驗(yàn)M5、M6、M7、M8的小，說明滑坡體的滲透性對滑坡的穩(wěn)定性有明顯影響。因此，在短期內(nèi)，滲透性越好，上部地下水越容易到達(dá)滑面，孔隙水壓力升高越明顯，滑坡的穩(wěn)定性降低程度越大。但是，對長期而言，滲透性越好，越有利于地下水排出滑坡體，利于滑坡的穩(wěn)定；而滲透性越差，地下水越容易在滑坡體內(nèi)滯留，并向滑面緩慢滲流，導(dǎo)致滑坡的穩(wěn)定性逐漸降低。

圖13 滑坡穩(wěn)定性隨時間變化曲線

3.2 降雨強(qiáng)度對滑體穩(wěn)定性的影響

本文進(jìn)行了不同降雨強(qiáng)度條件下的滑坡穩(wěn)定性分析，由圖4、圖13可看出，對于同一滑坡(試驗(yàn)M2、M3、M4，或試驗(yàn)M6、M7、M8)，在相同的降雨時間內(nèi)(如降雨1天時)，降雨強(qiáng)度越大，入滲降雨的濕潤鋒向下移動速度越快，滑坡穩(wěn)定性降低越快；在降雨總量一定的條件下(試驗(yàn)M2、M3、M4、M6、M7、M8的降雨總量均為100mm)，降雨強(qiáng)度較大時，雨停后，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)下降的程度較大，即滑坡發(fā)生的滯后性較強(qiáng)，但在雨停經(jīng)過一段時間后，穩(wěn)定性系數(shù)總體將趨于相近，且降雨強(qiáng)度較大的，穩(wěn)定性系數(shù)相對略高。因此，降雨總量控制滑坡的最終穩(wěn)定性，降雨強(qiáng)度影響著滑坡發(fā)生的滯后性。

4 結(jié)論

(1)堆積層滑坡的穩(wěn)定性與土體的滲透性有密切關(guān)系。在降雨后的短期內(nèi)，滲透性越好，上部地下水越容易到達(dá)滑面，孔隙水壓力升高越明顯，滑坡的穩(wěn)定性降低程度越大。

(2)降雨期間，埋深較淺的滑面，入滲雨水能夠較快到達(dá)，其內(nèi)孔隙水壓力上升速率較快，對滑坡穩(wěn)定性的影響較大。

(3)在相同的降雨時間內(nèi)，降雨強(qiáng)度越大，滑坡穩(wěn)定性降低速率越快；降雨強(qiáng)度越小，滑坡穩(wěn)定性降低速率越慢。

(4)降雨強(qiáng)度影響著滑坡發(fā)生的滯后性。在降雨總量一定的條件下，降雨強(qiáng)度較大時，雨停后，滑坡穩(wěn)定性繼續(xù)下降的程度較大。

(5)降雨總量控制著滑坡的最終穩(wěn)定性。在降雨總量一定的條件下，盡管降雨強(qiáng)度不同，雨停后經(jīng)過一段時間，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)均將趨于相近，且降雨強(qiáng)度較大的，穩(wěn)定性系數(shù)相對略高。

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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Controls of Permeability and Rainfall Intensity on Accumulation Landslide Stability

QIN Wei,XU Zhi-bin,LI Dong-lin

(ChongqingVocationalInstituteofEngineering,Chongqing402260)

This study was based on unsaturated seepage theory and Fredlund double stress variable strength theory for unsaturated soil.For a slope model of the accumulation layer sliding along the contact surface of the rock and soil,we have conducted numerical simulation tests of rainfall infiltration under eight conditions,and analyzed the effects of different soil permeability and rainfall intensity on the landslide stability.The results show that the stability of the accumulation slope is closely related to the permeability of soil.The better soil permeability will cause higher pore water pressure on the sliding surface and cause larger probability of slope failure in the short time since rainfall.The shallower sliding surface can cause infiltration rainfall to arrive the sliding surface quickly and lead to larger probability of slope failure during rainfall.The intense rainfall may reduce landslide stability rapidly under the same rainfall amount.Rainfall controls the backwardness of landslide stability after the end of rain.Under a certain total amount of rainfall,the larger the rainfall intensity is,the landslide stability is more likely to continue to decrease when the rain stops.The total amount of rainfall controls the final landslide stability.

permeability,rainfall,accumulation landslide

2016-02-18；

2016-06-06；[責(zé)任編輯]郝情情。

重慶市教委科技項(xiàng)目(編號 KJ1403204)和重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題(編號KJB201512)資助。

覃偉(1981年-)，男，2011年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，獲碩士學(xué)位，助教，主要從事地質(zhì)災(zāi)害教學(xué)、研究工作。E-mail:qinw09@163.com。

P642.22

A

0495-5331(2016)04-0743-08

Qin Wei,Xu Zhi-bin,Li Dong-lin.Controls of permeability and rainfall intensity on accumulation landslide stability [J].Geology and Exploration,2016,52(4):0743-0750.