堆積斜坡降雨條件下失穩(wěn)機(jī)理分析
——以擦耳巖滑坡為例

李安潤(rùn)，鄧 輝，陳宇杭，陸泌鋒，郝 浩，李萬才

(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，四川 成都 610059；2.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)分公司，四川 成都 610041)

茂縣地處四川盆地西北緣，青藏高原向川西平原過渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)活躍。受汶川地震影響，該區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生大量崩塌、滑坡災(zāi)害，滑坡產(chǎn)生的大量堆積斜坡在降雨條件下極可能失穩(wěn)，發(fā)生滑移造成二次地質(zhì)災(zāi)害可能性較大。因此，對(duì)于震區(qū)堆積斜坡在降雨條件下的失穩(wěn)機(jī)理研究十分必要。目前，已有大量學(xué)者對(duì)堆積斜坡開展了相關(guān)研究[1-13]。甘鳳玲等通過室內(nèi)人工模擬降雨的方法，探討了堆積斜坡坡面入滲規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了不同土石比、降雨強(qiáng)度和坡度下的入滲特征[7-11]；魏寶龍等基于非飽和土力學(xué)及孔壓力理論，分析了暴雨工況下堆積斜坡的穩(wěn)定性時(shí)間效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著降雨持續(xù)時(shí)間增加，入滲影響深度增加，斜坡前緣率先產(chǎn)生變形[4-6]；劉興寧等利用顆粒離散元方法，分析了堆積斜坡穩(wěn)定性，并提出了阻絕上層滯水補(bǔ)給源，減少大氣降雨入滲，坡表覆蓋土工膜等治理方案[1-4]。本文結(jié)合野外調(diào)查資料，借助于PFC軟件，對(duì)茂縣擦耳巖滑坡在降雨條件下的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析。

1 堆積斜坡概況

2 堆積斜坡發(fā)育特征

2.1 斜坡邊界特征

擦耳巖滑坡為特大型堆積斜坡，斜坡分布高程1 700～2 010 m，斜坡主滑方向?yàn)?54°，體積約3×107m3，坡表為凹形，坡腳由于受到河流沖刷作用，形成前緣臨空面，斜坡上部坡度30°～45°，下部較緩(15°～30°)。斜坡大致呈“U”型，后緣可見滑動(dòng)后形成的陡壁，伴有崩落現(xiàn)象，靠近后緣處存在1處平臺(tái)，平臺(tái)為后緣崩塌覆蓋形成；斜坡側(cè)緣古沖溝已被崩坡積物質(zhì)所覆蓋，左側(cè)邊界可見次級(jí)滑動(dòng)所形成的拉陷槽，拉陷槽兩側(cè)揭露有成分為千枚巖的碎塊石土斜坡；斜坡前緣長(zhǎng)期遭受流水沖蝕作用，坡度較陡，并出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，有少量居民。沿岷江觀察斜坡前緣發(fā)現(xiàn)，堆積斜坡擠壓岷江河道。

2.2 斜坡物質(zhì)組成特征

2.3 斜坡水文地質(zhì)條件

滑坡區(qū)緊鄰岷江，地下水受岷江及大氣降水影響較大，岷江為區(qū)域內(nèi)最低排泄基準(zhǔn)面。擦耳巖滑坡范圍內(nèi)地下水類型主要為基巖裂隙水及第四系松散堆積層中的孔隙潛水，含水層主要為沖洪積成因的砂礫卵石層。斜坡中下部崩坡積層主要有碎石土組成，接受大氣降雨補(bǔ)給能力強(qiáng)，透水性好，常順坡流動(dòng)，排到亞皮溝中，地下水的運(yùn)移對(duì)斜坡穩(wěn)定性不利。風(fēng)化基巖是基巖裂隙水的主要賦存區(qū)域，水量較小，主要靠大氣降雨垂直滲透補(bǔ)給和側(cè)向的徑流補(bǔ)給，水體沿著基巖裂隙發(fā)生流動(dòng)，在附近的侵蝕基準(zhǔn)面或者地形較低的地方發(fā)生排泄，流量小于0.1 L/s。

3 降雨條件下失穩(wěn)機(jī)理定性分析

擦耳巖滑坡地形高差大，坡面上分布有多級(jí)臺(tái)階，坡表沖溝發(fā)育，斜坡總體表現(xiàn)為上、下陡，中部較緩。斜坡前緣，由于河流的沖刷作用，在坡腳處發(fā)生崩滑而形成陡壁，受地震作用形成次級(jí)坍塌，地殼的劇烈運(yùn)動(dòng)，為堆積斜坡的失穩(wěn)提供了一定的外部條件，使得堆積斜坡沿著滑帶繼續(xù)滑動(dòng)。斜坡坡面有耕地分布，表現(xiàn)為多級(jí)階梯狀，此地形利于大氣降水的聚集，降雨入滲導(dǎo)致土體自身重力增大，加之斜坡后緣有大量拉張裂縫及錯(cuò)落坎，雨水通過錯(cuò)落坎和裂縫直接入滲，降低滑床與滑體間摩擦阻力和抗剪強(qiáng)度，使得斜坡極易失穩(wěn)，發(fā)生變形破壞。

堆積斜坡失穩(wěn)破壞的根本原因是由于土體內(nèi)部滑面上的剪應(yīng)力大于或等于其抗剪強(qiáng)度臨界值，使得土體內(nèi)部開始失去平衡；滑面貫通，降雨入滲進(jìn)一步軟化滑面，使得土體由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，自身容重增加，土體強(qiáng)度降低，在坡體巨大勢(shì)能作用下，產(chǎn)生滑移；隨著表層土體飽和后，雨水繼續(xù)下滲，斜坡變形加劇；受重力因素影響，雨水于坡腳不透水處發(fā)生聚集，當(dāng)雨水逐漸積累，最終導(dǎo)致坡體前緣坡腳發(fā)生變形破壞，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查坡腳處變形破壞強(qiáng)烈現(xiàn)象相符合。

4 降雨條件下失穩(wěn)機(jī)理定量分析

4.1 模型建立

二維顆粒流程序PFC2D是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及相互作用，本文中由于該斜坡是松散斜坡，可以適用PFC2D，將斜坡劃分成一個(gè)個(gè)顆粒，通過顆粒間的相互作用，來模擬斜坡在降雨條件下的失穩(wěn)破壞模式。通過Fish語言中的輸入輸出庫(kù)函數(shù)，讀取參數(shù)的幾何信息數(shù)據(jù)，生成PFC模型中的顆粒，通過該方法產(chǎn)生的顆?？杀ＷC顆粒與邊界或是與周圍其他顆粒之間均保持相切狀態(tài)，減少內(nèi)部重疊量，減少不平衡力，增加顆粒的配位數(shù)。模型X軸800 m，Y軸600 m，底部和兩側(cè)由墻體約束，該數(shù)值模型由4組顆粒組成，紫色和紅色為碎塊石，黑色為崩坡積物，藍(lán)色為茂縣千枚巖志留系層，模型總共含有9 964個(gè)顆粒，半徑0.52～1.63 m。為監(jiān)測(cè)斜坡在降雨條件下的位移特征和速度響應(yīng)特征，共設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)，具體位置見圖1。計(jì)算時(shí)步的選取以10 000步為單位讀取計(jì)算結(jié)果。

圖1 數(shù)值模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

4.2 參數(shù)選取

本模型采用LCBM模型(Linear contact bonded model)，模型中參數(shù)采用Hoke-Brown準(zhǔn)則校核，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料及工程類比法，確定微觀數(shù)值模擬中孔隙率、顆粒密度等細(xì)觀參數(shù)；通過PFC里面的table函數(shù)輸入降雨參數(shù)，施加一個(gè)恒定流量，持續(xù)恒定降雨，流體速度為1E-4 m/s。

現(xiàn)代漢語動(dòng)態(tài)助詞“過1”和“過2”主要是附著在動(dòng)詞之后，表示“動(dòng)作的結(jié)束和完成”和“過去曾經(jīng)有過這樣的事情”。所以“過”表“經(jīng)過”“通過”義時(shí)與動(dòng)詞組合是“過”語法化的關(guān)鍵。以下是一些“動(dòng)詞+過”的情況，如：

表1 擦耳巖滑坡巖土體力學(xué)參數(shù)

4.3 位移分析

4.3.1位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

降雨作用下伴隨著流體入滲，10 s時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、4在X、Y方向上都出現(xiàn)較大位移，達(dá)20～40 m，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、5、6變化量比較小，僅4～8 m，說明在降雨條件下，滑帶前緣最先產(chǎn)生較大的變形位移，而后滑坡整體前移，對(duì)滑坡前部不斷形成堆積下壓。隨著降雨持續(xù)，1、2、3、4點(diǎn)的X、Y方向位移均不斷增大。45 s時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、6在X、Y方向位移均發(fā)生較大變形，滑坡整體已經(jīng)完全失穩(wěn)下滑，崩坡積塊石喪失部分支撐力，伴隨著滑坡的整體下移，崩坡積塊石也發(fā)生變形下滑(圖2—5)。

圖2 計(jì)算至10s時(shí)X方向位移

圖3 計(jì)算至10s時(shí)Y方向位移

圖4 計(jì)算至90s時(shí)X方向位移

圖5 計(jì)算至90s時(shí)Y方向位移

4.3.2位移場(chǎng)分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，計(jì)算到10 000步時(shí)長(zhǎng)，伴隨著雨水的滲透作用，堆積斜坡中后部沿坡面先出現(xiàn)較大的變形，而堆積斜坡前緣發(fā)生的位移變形量相對(duì)較小，堆積斜坡表層沉降量也很小。模型運(yùn)算至15 000步長(zhǎng)時(shí)，降雨過程持續(xù)進(jìn)行，堆積斜坡前緣上的顆粒發(fā)生變形位移量開始逐漸增大，直至貫通整個(gè)堆積斜坡。繼續(xù)運(yùn)算直至20 000步長(zhǎng)時(shí)，堆積斜坡坡面和坡頂?shù)挠晁卣麄€(gè)坡面下滲，最終聚集于斜坡坡腳處。在滲透作用下，土體顆粒間的黏結(jié)力和摩擦力存在不同程度的降低，滑帶前緣處最先產(chǎn)生較大的變形位移，崩坡積塊石喪失部分支撐力，而后斜坡整體前移，在重力作用和后部斜坡推移作用下，進(jìn)一步下滑，直至完全失穩(wěn)破壞。當(dāng)斜坡進(jìn)入岷江河谷中后，由于地形限制及流水阻力作用，能量得到釋放，斜坡土體顆粒由于相互碰撞也損失大部分動(dòng)能，堆積斜坡最終停滯(圖6、7)。

圖6 運(yùn)行15000步位移場(chǎng)矢量

圖7 運(yùn)行30000步位移場(chǎng)矢量

4.4 速度分析

4.4.1速度監(jiān)測(cè)結(jié)果

降雨入滲的初期滲流以垂直下滲為主，由于地形坡度不一致，僅僅在堆積斜坡中部地形陡緩的交界處出現(xiàn)局部的水平入滲，流速相對(duì)較小。T=3 s左右監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2在Y方向速度達(dá)到第一個(gè)峰值，5 s左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、在X方向速度也達(dá)到第一個(gè)波峰，表明滑坡前緣由于河流沖刷以及良好的臨空面，在降雨初期時(shí)滑坡剛剛啟動(dòng)時(shí)，速度增加較快。50 s左右滑坡前緣、中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、4，X方向上速度達(dá)到峰值速度，分別為4.2、4.6 m/s；Y方向上速度也達(dá)到峰值，分別為1.2、0.9 m/s。隨著降雨過程持續(xù)，流體沿堆積斜坡坡面和坡腳處滲透出來，在水體的滲透攜帶作用下土體顆粒向下的速度不斷加快。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，軟弱夾層帶顆粒在自重與滲透力共同影響下，土體顆?？朔w粒間的接觸黏結(jié)力，導(dǎo)致堆積斜坡發(fā)生變形破壞，相對(duì)堆積斜坡其他部位，具有較大速度矢量，下滑力更大(圖8—11)。

圖8 計(jì)算至10s時(shí)X方向速度

圖9 計(jì)算至10s時(shí)Y方向速度

圖10 計(jì)算至90s時(shí)X方向速度

圖11 計(jì)算至90s時(shí)Y方向速度

4.4.2速度場(chǎng)分析

降雨初期階段，隨著降雨開始，土體顆粒位移由表層向下逐漸減小，堆積斜坡流體單元受到施加的流體速度作用；模型運(yùn)行到10 000步長(zhǎng)時(shí)，在堆積斜坡中部存在著中部平臺(tái)，加上滑坡中前部的地形較平緩，在這種地形條件下碎塊石透水性條件良好，降雨快速入滲到堆積斜坡土體內(nèi)部，雨水入滲方式以垂直入滲為主，堆積斜坡中部陡緩交界處出現(xiàn)水平入滲，流速較小。

降雨中期階段，雨水入滲，滲透力開始作用土體顆粒，隨著深度的增加，顆粒受到上部顆粒的自重作用力加大，下層土體顆粒雖然也受到滲透力的作用，但相對(duì)于表層土體顆粒對(duì)其顆粒位移的影響相對(duì)較??；模型運(yùn)行至15 000步長(zhǎng)，雨水下滲到軟弱夾層帶附近，在軟弱夾層帶上形成滯水，致使整個(gè)堆積斜坡內(nèi)部空隙水壓力逐漸升高，雨水入滲從坡度比較陡處向坡腳方向進(jìn)行水平運(yùn)移，堆積斜坡中后部流速明顯增加。

降雨中后期階段，坡面上下位移從滑坡后緣處向下依次逐漸增大，逐漸形成貫通面，坡面降雨和降雨沿坡面入滲雨水匯集于坡腳處，導(dǎo)致滑動(dòng)體積有所增大，并在水流滲透力和重力的作用下繼續(xù)向下滑動(dòng)；模型運(yùn)行至20 000步長(zhǎng)，滑帶由于雨水入滲接近飽和狀態(tài)，雨水匯集于坡腳前緣，導(dǎo)致斜坡前緣空隙水壓力逐漸增大，堆積斜坡內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)已基本貫通，此時(shí)，堆積斜坡內(nèi)各處的流速均有一個(gè)明顯的增幅，無論是水平方向還是垂直方向速度均達(dá)到峰值。

降雨終期階段，降雨持續(xù)作用，堆積斜坡發(fā)生大規(guī)模位移，沖向岷江河谷，速度逐漸減慢，并最終靜止；模型運(yùn)行至30 000步長(zhǎng)，在水流滲透力和重力共同影響下，滑體底部滑面全面貫通，斜坡整體下滑，堆積斜坡到達(dá)岷江河谷后，由于受到水流阻力作用及地形限制，速度急劇減小，顆粒間相互碰撞強(qiáng)烈消耗能量巨大，水平速度和垂直速度都急劇減小并趨近于0，堆積斜坡最終停止(圖12、13)。

圖12 運(yùn)行15000步速度場(chǎng)矢量

圖13 運(yùn)行30000步速度場(chǎng)矢量

4.5 失穩(wěn)全過程

斜坡失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)過程分析：當(dāng)模型運(yùn)算至10 000步長(zhǎng)時(shí)；在堆積斜坡中部存在著中部平臺(tái)加上滑坡中前部的地形較平緩，在這種地形條件下碎塊石透水性條件良好，降雨快速入滲到堆積斜坡的土體內(nèi)部，在降雨初期階段，雨水入滲方式的主要是垂直向下入滲，由于堆積斜坡各處地形不一致，水平入滲僅僅在堆積斜坡中部陡緩交界處出現(xiàn)，并且流速較小。模型運(yùn)算至15 000步長(zhǎng)時(shí)，滑坡表層顆粒出現(xiàn)零星的滑落，次級(jí)滑帶開始發(fā)育并且出現(xiàn)裂隙，堆積斜坡前后緣等位置呈現(xiàn)出明顯拉裂隙，堆積斜坡整體呈近似松散狀態(tài)，為其發(fā)生進(jìn)一步大范圍的破壞奠定了基礎(chǔ)，滑動(dòng)方式為前牽后推式。模型運(yùn)算20 000步長(zhǎng)時(shí)，在堆積斜坡中部，隨著雨水下滲到軟弱夾層帶附近，在軟弱夾層帶上形成滯水，致使整個(gè)堆積斜坡內(nèi)部空隙水壓力逐漸升高，整個(gè)斜坡內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)已基本貫通，滑坡整體沿卸荷裂隙面滑動(dòng)。模型運(yùn)算30 000步長(zhǎng)時(shí)，大部分斜坡已進(jìn)入河道堵塞流域，滑動(dòng)速度逐漸降低，堆積斜坡在慣性力和重力作用下壓密、自穩(wěn)，斜坡最終停止運(yùn)動(dòng)，模型運(yùn)算結(jié)束。

擦耳巖滑坡失穩(wěn)過程為：降雨過程開始；雨水入滲使得土體內(nèi)部剪應(yīng)力加大，造成滑坡前后緣發(fā)生剪切破壞，滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)；斜坡本身勢(shì)能和下滑動(dòng)能同時(shí)作用，驅(qū)動(dòng)斜坡做遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)，斜坡在下滑過程中伴隨著部分塊體滑落、土體顆粒之間相互碰撞鏟刮作用。

堆積斜坡失穩(wěn)機(jī)理為：拉剪破壞—整體下滑—滑落堆積。在雨水滲透的作用下，雨水入滲使斜坡內(nèi)部的剪應(yīng)力加大，隨著降雨量的不斷增多，斜坡內(nèi)部的含水量不斷增大，強(qiáng)度也伴隨著這種變化而發(fā)生改變，雨水入滲前期先使斜坡表層飽和度增加，然后在斜坡內(nèi)部向下入滲，最后在斜坡坡腳處不透水層匯聚。此后隨著降雨的持續(xù)，隨著孔隙水壓的上升、土的強(qiáng)度降低和土體容重的增加導(dǎo)致滑坡前后緣拉剪破壞，最終導(dǎo)致滑坡整體失穩(wěn)下滑。

5 結(jié)論

通過對(duì)擦耳巖滑坡在降雨條件下變形破壞過程及失穩(wěn)機(jī)理分析，得出結(jié)論如下。

a)擦耳巖滑坡為大型滑坡，堆積斜坡失穩(wěn)成因?yàn)榻涤暾T發(fā)堆積斜坡發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)方式為前牽后推式。

b)堆積斜坡在降雨入滲下，斜坡前緣處最先產(chǎn)生較大變形位移，而后牽引斜坡整體前移，對(duì)斜坡前部不斷形成堆積，最終造成堆積斜坡整體失穩(wěn)下滑。

c)擦耳巖滑坡失穩(wěn)過程為：雨水入滲導(dǎo)致土體飽和，抗剪強(qiáng)度降低，滑體剪應(yīng)力加大，斜坡前后緣迅速拉裂，雨水繼續(xù)入滲，于坡體前緣不透水層匯集，滑面貫通，前緣帶動(dòng)后部滑動(dòng)，后部坡體前移不斷堆積造成滑體整體滑動(dòng)，勢(shì)能和動(dòng)能同時(shí)作用下滑體加速下滑，受阻能量耗散而停滯。

d)堆積斜坡失穩(wěn)機(jī)理為：降雨不斷累積—坡體前后緣首先產(chǎn)生變形破壞—坡體呈松散狀加速下滑—能量耗散并堆積。降雨入滲，斜坡表層斜坡先達(dá)到飽和，而后沿斜坡內(nèi)部向下入滲，坡體前后緣出現(xiàn)拉剪破壞；降雨持續(xù)，入滲雨水被不透水層阻隔，最終匯集于坡體前緣，首先產(chǎn)生剪切破壞，而后滑面貫通，在重力和滲透力共同作用下，坡體急劇下滑，下滑進(jìn)入岷江河谷后，顆粒不斷碰撞，坡體動(dòng)能逐漸消散，斜坡最終停滯。