南江縣淺層土質(zhì)滑坡降雨入滲規(guī)律與成因機(jī)理

王 森，許 強(qiáng),羅博宇，王一超，劉文德

(1.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，成都 610059； 2.中鐵二院(成都)建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司，成都 610031)

南江縣淺層土質(zhì)滑坡降雨入滲規(guī)律與成因機(jī)理

王 森1,2，許 強(qiáng)1,羅博宇1，王一超1，劉文德1

(1.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，成都 610059； 2.中鐵二院(成都)建設(shè)發(fā)展有限責(zé)任公司，成都 610031)

為揭示土質(zhì)滑坡中降雨入滲規(guī)律和滑坡成因機(jī)理，通過(guò)對(duì)四川南江縣100多個(gè)滑坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)，選取二潢坪滑坡深入剖析典型滑坡成因機(jī)理，對(duì)降雨量、GPS累積位移、土體孔隙水壓力、土體含水率等綜合因素分析后，采用有限元數(shù)值法對(duì)滑坡的降雨入滲過(guò)程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：淺層土質(zhì)滑坡中孔隙水壓力及含水率變化有明顯滯后現(xiàn)象，降雨初期以垂直坡面入滲為主，一段時(shí)間后則以坡向滲流為主；斜坡中前緣孔隙水壓力變化比后緣對(duì)降雨更敏感，其原因?yàn)榍熬夝ば远逊e體、側(cè)壁陡崖及基巖面共同構(gòu)成斜坡儲(chǔ)水邊界；因滑體結(jié)構(gòu)的各向異性，降雨過(guò)程中土體中局部孔隙水壓力及滲流力瞬時(shí)劇增，土體飽水使得軟黏土層發(fā)生軟化，最終導(dǎo)致斜坡整體失穩(wěn)。

淺層土質(zhì)滑坡；降雨入滲；變形監(jiān)測(cè)；成因機(jī)理；孔隙水壓力

1 研究背景

國(guó)內(nèi)外很多地區(qū)因降雨誘發(fā)的滑坡發(fā)生最為頻繁，造成了巨大人員財(cái)產(chǎn)損失。筆者對(duì)南江縣100多處滑坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)淺層土質(zhì)滑坡形成的地形條件、匯水條件、物質(zhì)組成、高程分布，以及破壞后的破體形態(tài)、成因機(jī)制都很相似，但有別于常見的均質(zhì)陡傾斜坡。淺層土質(zhì)滑坡與普通的土質(zhì)滑坡有很大的區(qū)別，其下伏巖層傾角及斜坡坡角都很小,不超過(guò)25°；堆積體厚度小，一般為3～5 m，很少超過(guò)8 m；近基覆界面有一層黏性很高的軟黏土，為潛在滑動(dòng)面；滑動(dòng)后坡體仍然有很好的完整性，屬于整體沿平直滑動(dòng)面滑動(dòng)。

根據(jù)傳統(tǒng)的力學(xué)分析，淺層土質(zhì)滑坡很難形成。然而近年來(lái)愈來(lái)愈多的滑坡實(shí)例表明，強(qiáng)降雨期間，在紅層地區(qū)的緩傾斜坡中，不僅會(huì)發(fā)生滑坡，而且會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模、群發(fā)性的滑坡災(zāi)害[1]。2011年9月16—18日強(qiáng)降雨造成巴中市南江縣上千處紅層斜坡失穩(wěn)，其中更有相當(dāng)數(shù)量的這類土質(zhì)滑坡。對(duì)緩傾巖質(zhì)滑坡開展了大量的研究，相應(yīng)的理論有平推式理論[2]、滑帶土的膨脹性啟動(dòng)理論[3]。對(duì)于土質(zhì)滑坡,Huat等[4]認(rèn)為基質(zhì)吸力(負(fù)孔隙水壓力)是影響土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主要因素;Li 等[5]、Liu 等[6]認(rèn)為降雨型土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受控于土體的飽和滲透系數(shù);Rahardjo等[7]認(rèn)為降雨性邊坡失穩(wěn)不僅與某場(chǎng)暴雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，還取決于前期累計(jì)降雨量;袁東等[8]對(duì)不同植被覆蓋下的土體滲透性做了深入研究，認(rèn)為草本植物能夠降低土體滲透性，但部分植被如竹林會(huì)提高土體的滲透性。此外，還有大量學(xué)者對(duì)土質(zhì)滑坡做了深入研究，也得到了許多相應(yīng)的降雨入滲規(guī)律和成因機(jī)理。

然而紅層淺層土質(zhì)滑坡的研究尚不成熟，雖然有很多研究表明降雨是誘發(fā)緩傾紅層土質(zhì)滑坡的關(guān)鍵因素，但是不同地區(qū)地質(zhì)條件、氣候、降雨規(guī)律不同，影響降雨向坡體入滲，從而使得降雨對(duì)斜坡產(chǎn)生的影響也不同；且不同地質(zhì)條件組合、不同降雨入滲條件下，滑坡成因機(jī)理也不相同。胡澤銘[9]、李江等[10]以南江縣滑坡為例，對(duì)南江縣土質(zhì)滑坡的分布規(guī)律、發(fā)育地質(zhì)條件、成因機(jī)理進(jìn)行過(guò)研究，但是研究還不夠深入。張群等[11]通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)、G-A模型計(jì)算了南江縣淺層土質(zhì)滑坡降雨入滲深度，初步解釋了該地區(qū)淺層土質(zhì)滑坡的成因。但目前還沒有闡明降雨在斜坡中的具體運(yùn)移規(guī)律以及如何作用于這種淺層非均質(zhì)土體。因此本文著重研究該類滑坡的降雨入滲規(guī)律及成因機(jī)理，降雨入滲規(guī)律及成因機(jī)理的研究對(duì)滑坡災(zāi)害治理、易發(fā)性分析、滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估、滑坡預(yù)警模型建立都至關(guān)重要。

2 淺層土質(zhì)滑坡基本特征

(1) 滑坡規(guī)模小，多為小型，滑體平均厚度小于5 m。

(2) 滑面形態(tài)為沿基覆界面的直線型。

(3) 誘發(fā)因素為強(qiáng)降雨。

(4) 滑坡演化過(guò)程中形成特殊的地質(zhì)組合：①巖層略傾向坡內(nèi)；②斜坡坡內(nèi)一側(cè)地形較坡外一側(cè)低，但堆積層厚度相對(duì)較厚；③斜坡物質(zhì)在坡向和坡表至基巖面的垂向上都有差異，斜坡后緣為高孔隙率的泥巖風(fēng)化碎屑，前緣為密實(shí)粉質(zhì)黏土；④基覆面有一層軟黏土。

(5) 這類土質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)破壞特征主要為水的軟化及水壓力推動(dòng)作用發(fā)生，一旦滑動(dòng)，坡體內(nèi)的水得以排出，因坡度小又不受其他外力，滑坡體很快止動(dòng)。

圖1 二潢坪滑坡平面圖Fig.1 Planar graph of Erhuangping landslide

3 淺層土質(zhì)滑坡的降雨入滲規(guī)律及成因機(jī)理分析

3.1 二潢坪滑坡概況

二潢坪滑坡位于四川省南江縣趕場(chǎng)鎮(zhèn)白梁村三社，地理范圍為32°23′13″N—32°23′31″N,106°54′31″E—106°54′39″E。滑坡平面形態(tài)呈“掃帚狀”，滑坡縱向長(zhǎng)479 m，橫向?qū)?1～162 m，滑體厚度0.7～5.6 m，滑坡體積約28×104m3，主滑方向?yàn)?59°，坡度11°，滑坡坡面較緩，主要為階梯狀斜坡，滑坡右側(cè)后緣有走向與坡向相同的陡崖，前緣有一小沖溝(為滑坡變形后水流侵蝕形成)，兩溝在滑坡前緣相匯。地形上左側(cè)高右側(cè)低，形成了良好的匯水條件(如圖1)。

圖2 滑體土Fig.2 Soil of slip mass

圖3 滑帶土Fig.3 Soil of sliding zone

滑坡物質(zhì)組成為：

(1) 滑體為第四系殘坡積層(Q4el+dl)(見圖2),堆積層有明顯分層現(xiàn)象，下層為紫紅色、黃褐色—灰白色夾碎塊石粉質(zhì)黏土，土質(zhì)不均勻，透水性好，厚度0.4～4.2 m，平均厚度為2.0 m。

(2) 滑帶土為軟黏土，黃褐色，呈軟塑狀態(tài)，含水率較高，經(jīng)室內(nèi)測(cè)定為43%，厚度0.01～0.07 m不等(滑坡前緣較厚，后緣較薄)，在軟黏土層的上下表面有一層厚度10～40 cm不等的碎石層，碎石中充填少量黏土，但孔隙度較大，為泥巖風(fēng)化顆粒?；瑤?見圖3)礦物成分主要為蒙脫石、伊利石，黏性高。

(3) 滑床為泥巖、砂巖(J2s)，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成分為黏土礦物，出露基巖節(jié)理發(fā)育，遇水易軟化。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

基于研究目的，采用一體化雨量站、土體含水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)站，分別對(duì)滑坡體上不同時(shí)間降雨量,不同位置、不同深度含水率和不同位置、不同深度孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用GPS滑坡地表位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)站對(duì)不同時(shí)間位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2.1 降雨量監(jiān)測(cè)

降雨監(jiān)測(cè)時(shí)段為2013年5月5日—11月23日,在監(jiān)測(cè)時(shí)段中，分別監(jiān)測(cè)了雨季及旱季的降雨情況(圖4(a));同時(shí),監(jiān)測(cè)期間還得到2013年8月份的日降雨量(圖4(b))。

圖4 降雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of rainfall

3.2.2 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)與分析

孔隙水壓力的變化是土體運(yùn)動(dòng)的前兆,能反映降雨入滲情況及滑坡的變形位移情況。2個(gè)監(jiān)測(cè)站埋深均未穿透地下水，監(jiān)測(cè)站有2支壓力傳感器,埋深分別為2.8 m及3.1 m。

如圖5所示，孔隙水壓力對(duì)降雨響應(yīng)明顯，在長(zhǎng)時(shí)間干旱之后孔隙水壓力對(duì)降雨更敏感?？紫端畨毫﹄S降雨變化有明顯的滯后效應(yīng)，只有降雨強(qiáng)度到達(dá)一定界限(此處>8 mm/min)地表水才能夠滲透到2.8 m以下(圖6)。

圖5 2013-07—2014-04不同深度日最大孔隙水壓力變化曲線Fig.5 Variation curves of monthly maximum pore water pressure of landslide at different depths from July,2013 to April,2014

圖6 2013年8月1日每10 min孔隙水壓力變化曲線Fig.6 Variation curve of pore water pressure with rainfall in every 10 minutes on August 1st,2013

3.2.3 土體含水率監(jiān)測(cè)與分析

土壤含水率變化反映被監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤含水率變化，如圖7所示，滑坡土體中不同深度的含水率都受降雨影響，雨強(qiáng)越大，含水率變化越大；滑坡中后緣各層土體含水率變化對(duì)降雨均較敏感，而滑坡中部只有0.6，2.4，3.0 m處含水率在降雨后變化較大，而位于1.2，1.8 m處含水率變化對(duì)于降雨敏感度較小。

圖7 滑坡中后部和中部不同深度含水率變化曲線Fig.7 Curves of moisture content at different depths in the middle and middle-rear of landslide

圖8 滑坡累積位移與降雨量關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between accumulated displacement of landslide and rainfall

3.2.4 累積位移監(jiān)測(cè)與分析

如圖8所示，滑坡在南北向的位移受降雨影響較大(主滑方向)，累積位移(監(jiān)測(cè)時(shí)間段某時(shí)間點(diǎn)之前的總位移量)與累積降雨量呈正相關(guān)，8月份滑坡在南北向產(chǎn)生了最大位移34.8 mm，后面幾個(gè)月降雨量減少，南北向累積位移幾乎沒有變化。

3.3 降雨入滲規(guī)律分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析不難發(fā)現(xiàn)，滑坡內(nèi)地下水變化明顯受降雨影響，地下水最活躍期為該地區(qū)的雨季。土體厚度小，部分區(qū)域孔隙度大，拉張裂隙發(fā)育，根系通道發(fā)育，為降雨垂直坡面入滲提供了良好的入滲通道；整個(gè)斜坡坡度較小，后緣有較好的匯水條件，使得降雨不能在很短時(shí)間內(nèi)沿斜坡表流走，為地表水入滲提供了充足的時(shí)間；滑坡后緣物質(zhì)組成主要為砂泥巖風(fēng)化碎屑物，空隙較大，為降雨入滲提供良好的入滲通道；近基巖面有一層高含水量、致密、高黏性、透水性低的軟黏土，阻止了降雨的進(jìn)一步下滲，從而沿著高孔隙度的碎塊石層傾向產(chǎn)生徑流。

利用seep/W模塊進(jìn)行降雨入滲數(shù)值模擬：雨水在滑坡表層主要以垂直入滲為主，到達(dá)基巖風(fēng)化面時(shí)以沿著巖層傾向方向滲流,靜水壓力隨著水位的升高逐漸增加，水位線處水壓力為0，水位線之上水壓力為負(fù)，水位線之下水壓力為正(如圖9)。

注：圖中數(shù)值表示水壓力，單位為kPa

在斜坡體內(nèi)中部和后部往往因補(bǔ)給大于排泄而賦存大量的地下水，孔隙水壓力異常增高，當(dāng)降雨時(shí)間到達(dá)一定值時(shí)會(huì)使整個(gè)坡體物質(zhì)飽水。在這種地質(zhì)組合下，雨水主要沿表面拉張裂隙，后緣、兩側(cè)孔隙度高的堆積物垂直入滲，進(jìn)入坡體沿著層面方向排泄通道滲流，前緣土體孔隙度小，透水性相對(duì)較差，長(zhǎng)時(shí)間降雨易在中部和后部坡體內(nèi)大量賦存地下水，甚至使堆積體完全飽水(如圖10)。

圖10 降雨入滲模型

3.4 成因機(jī)理

紅層土質(zhì)滑坡不同于其他類型的滑坡，其基巖傾角小，斜坡坡度與巖層坡度基本相同，按常規(guī)滑坡發(fā)育條件來(lái)說(shuō)<25°的土質(zhì)斜坡很難形成滑坡。之所以能大量形成滑坡，與降雨及地形地貌組合密切相關(guān)。

從典型實(shí)例二潢坪滑坡及野外地質(zhì)調(diào)查可以看出，南江縣形成的土質(zhì)滑坡與其形成的地質(zhì)條件、滑坡形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征基本相似。其中滑坡之間的差異在于其臨空面組合和沖溝與陡崖的組合不同。當(dāng)補(bǔ)給量大于排泄量時(shí)存儲(chǔ)大量的地下水，形成較大的靜水壓力及軟化軟黏土層,使滑坡失穩(wěn)破壞。

滑坡變形破壞的控制因素為持續(xù)強(qiáng)降雨，強(qiáng)降雨時(shí)斜坡體會(huì)出現(xiàn)2種變形破壞形式。

圖11 非飽和土體穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.11 Diagram of calculating the stability of unsaturated soil

(1) 動(dòng)水壓力驅(qū)動(dòng)型。當(dāng)補(bǔ)給量小于排泄量時(shí)，水流在土體內(nèi)部產(chǎn)生滲透壓力，長(zhǎng)時(shí)間掏蝕產(chǎn)生管涌，土體酥松部位容易被帶走，形成局部變形破壞。因其坡度小形成整體滑動(dòng)的可能性很小，單位土顆粒所受滲透壓力f=ρwgI，其中ρw,g分別為水的密度、重力加速度,這兩者都是定值。滲透壓力大小只與水力坡度I有關(guān)，緩傾斜坡水力坡度較小，故對(duì)整體穩(wěn)定作用較小。此時(shí)變形破壞主要產(chǎn)生于坡表(即在第一個(gè)相對(duì)隔水層之上的變形破壞)。此時(shí)的整體破壞模式為蠕滑-拉裂，浸潤(rùn)峰以上土體穩(wěn)定性可由改進(jìn)的非飽和土斜坡穩(wěn)定性公式進(jìn)行計(jì)算(計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖11)，即

(1)

式中：Fs為安全系數(shù)；γsat為土的飽和重度；zw為飽水深度；c′為土體的有效黏聚力；φ′為土體有效摩擦角；α為坡角。

(2) 靜水壓力驅(qū)動(dòng)型。當(dāng)補(bǔ)給量大于排泄量時(shí)，不僅在透水層產(chǎn)生滲透壓力、承壓段產(chǎn)生揚(yáng)壓力，最主要是在裂縫及土體滲透性差異面形成的靜水壓力將斜坡啟動(dòng)(如圖12中的當(dāng)滲透系數(shù)k1

(2)

圖12 靜水壓力下斜坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig．12 Diagramofcalculatingtheslopestabilityunderhydrostaticpressure

其中：

式中：γw為水的重度；Zw為拉裂面的水位高度；Hw為排泄口到穩(wěn)定水面的高差；G為土與水的總重力；c″為軟黏土層飽水時(shí)的黏聚力;φ″為軟黏土層的內(nèi)摩擦角。

降雨不僅使坡體重度增加，還會(huì)使軟黏土層的抗剪強(qiáng)度大大降低。在斜坡自重力、動(dòng)水壓力及凈水壓力作用下最終使整個(gè)斜坡發(fā)生整體滑動(dòng)，滑動(dòng)后前緣還能保持較好的完整性。

4 結(jié) 論

(1) 滑坡形成的前提條件：巖層順坡向，略傾坡內(nèi)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)各向異性；斜坡前緣孔隙度低，后緣孔隙度高；基覆界面處夾軟黏土層。

(2) 降雨后含水率、孔隙水壓力都有強(qiáng)烈的響應(yīng)，且有一定滯后性；降雨在斜坡后緣以垂直入滲為主；而在前緣主要沿近基巖面的風(fēng)化碎石層和碎塊石層徑流。

(3) 降雨強(qiáng)度補(bǔ)給量小于排泄量時(shí)，斜坡只會(huì)產(chǎn)生坡體局部變形破壞，不會(huì)產(chǎn)生整體滑動(dòng)；當(dāng)補(bǔ)給量大于排泄量時(shí)會(huì)在坡體內(nèi)形成穩(wěn)定水位，長(zhǎng)時(shí)間、大面積軟化軟黏土層，同時(shí)產(chǎn)生靜水壓力啟動(dòng)斜坡滑動(dòng)。

[1] 孔紀(jì)名，陳自生.川東“89·7”暴雨過(guò)程中的紅層滑坡[C]∥滑坡文集(第九集). 北京：中國(guó)鐵道出版社，1992：36-42.

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(編輯：黃 玲)

Rainfall Infiltration and Formation Mechanismof Shallow Soil Landslides in Nanjiang

WANG Sen1,2，XU Qiang1, LUO Bo-yu1, WANG Yi-chao1，LIU Wen-de1

(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)

Through field investigation and statistics of more than 100 landslides in Nanjiang county, the Erhuang-

ping landslide was selected as a case study to reveal the formation mechanism of and rainfall infiltration in soil landslide. Through analyzing multiple factors including precipitation, accumulative displacement of GPS, pore-water pressure and moisture content of soil, the process of rainfall infiltration of Erhuangping landslide was simulated by finite element analysis. Results showed that the variations of pore-water pressure and soil moisture of shallow soil in the landslide lagged obviously in the initial stage of rainfall precipitation. The main infiltration direction was perpendicular to the surface of slope, and then changed to be along the slope direction. As a water-storing boundary was formed by the cohesive accumulation body, steep side cliff and bedrock surface, pore water pressure in the front edge of slope was more sensitive to rainfall than that in the rear edge does. Due to the anisotropy of slip mass, local pore water pressure and seepage force rises sharply during rainfall, and the soft clay softened, finally resulting in the global instability of slope.

shallow soil landslide; infiltration of rainfall; deformation monitoring; formation mechanism; pore water pressure

2016-05-05；

2016-06-13

四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(KJ-2015-18))

王 森(1988-)，男，四川巴中人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害防治，(電話)18117832947(電子信箱)wanliao@outlook.com。

10.11988/ckyyb.20160431

2017,34(8):96-100，105

P642.22

A

1001-5485(2017)08-0096-05