里塢礦區(qū)降雨型滑坡勘察與評價

趙永洪

（浙江中材工程勘測設計有限公司，浙江 杭州 310022）

1 引言

滑坡是一種常見的地質(zhì)災害，特別對于礦區(qū)而言，由于礦產(chǎn)開采，使得巖土體的約束邊界條件得以改變，往往是下部因開采、切坡失去足夠支撐，導致上部土體失穩(wěn)，在降雨、爆破等誘因作用下形成滑坡。本文通過里塢水泥礦區(qū)的滑坡勘察實例，討論了滑坡巖土參數(shù)的合理確定方法。在穩(wěn)定性分析方面，傳統(tǒng)上通過設置合理水位，利用極限平衡法分析其坡體穩(wěn)定，但由于礦區(qū)地質(zhì)復雜，水力邊界條件難以查清，且傳統(tǒng)方法不能分析滑坡的發(fā)生過程，近年來隨著非飽和土力學理論的完善和數(shù)值計算方法的進步，采用有限元和非飽和土力學理論進行分析成為可能。如Ng等[1]利用有限元模擬在不同的降雨強度、降雨歷時、各向同性與各向異性的滲透系數(shù)和不同的初始水位下香港某滑坡的穩(wěn)定性。本文根據(jù)滑坡勘察情況，嘗試運用非飽和土理論，應用有限元方法建立滑坡體滲流場，采用調(diào)整試算并與實測水位相比較的方法得到滑坡體降雨期合理水頭分布及滑坡形成情況，對類似勘察工程具有借鑒意義。

2 滑坡特征

本文主要討論HP2滑坡，其滑坡區(qū)面積4 270m2(圖1)。2010年因在HP2滑坡東南側前緣開挖邊坡，導致雨后HP2滑坡體東側部位發(fā)生滑坡。當時在滑坡東側及北東側后緣發(fā)生大量坍塌，外圍形成了高度約1～2m的陡坎。在滑坡體前緣向前滑動并形成大量的裂縫，這些裂縫多數(shù)為臌脹拉張裂縫，呈鋸齒狀，延伸長度均較大。

2013年6月，在連續(xù)強降雨的作用下，在HP2西南側靠近西側部位，在滑坡內(nèi)小沖溝西側再次發(fā)生了規(guī)模較大的滑坡。形成后緣寬約66m，前緣寬約58m，相對高差約為40m?；轮骰较騍E140°，主軸長度約100m的滑坡?？辈榻沂镜幕瑒用?1-1'剖面)如圖2所示。

通過勘察年豐水期(梅汛期和臺汛期)的觀測，圖2中可見本滑坡1-1'剖面暴雨后的觀測水位線，此時滑體處于蠕動狀態(tài)，表現(xiàn)為下部臌脹裂隙繼續(xù)發(fā)育，但整體變形在可控范圍，坡體處于蠕滑狀態(tài)(可認為此時穩(wěn)定系數(shù)在1.00～1.05)。

圖1 滑坡勘查平面圖

圖2 1-1'剖面圖

根據(jù)勘察揭示和成因調(diào)查該滑坡主要有以下一些特點。

(1) 滑坡由降雨誘發(fā)，坡體后緣匯水區(qū)面積大(其HP2匯水區(qū)面積約2.1×104m2，滑坡面積4 270m2)，降雨后先在前緣形成小范圍滑坡，在后續(xù)降雨情況下引起大范圍滑動。

(2) 地質(zhì)條件復雜，多種巖土體并存?；挛挥诘V區(qū)的東北邊界區(qū)，F(xiàn)4～F5斷層之間，勘查揭示的主要巖土層有：①-1第四系殘坡積粉質(zhì)黏土混碎石，褐黃色，可塑—硬塑，稍濕，呈松散狀；①-2全風化石英砂巖，褐黃色、土黃色、褐紅色，可塑，濕，風化完全，原巖結構較為清晰；②強風化石英砂巖，為多數(shù)部位滑床的主要物質(zhì)；③泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，手摸砂感明顯，刻痕較明顯，斷口無光澤，暴曬或浸水后一段時間會發(fā)生崩解，裂縫極為發(fā)育。由于其地質(zhì)結構破碎、裂隙發(fā)育導致了地下水滲流通道的多樣性，既有淺部覆蓋層的順坡滲流也有沿構造裂隙帶的深部下切滲流。

(3) 巖土體受人工活動影響大。因采礦修路，2010年在坡體前緣進行了局部切坡，可能破壞巖土內(nèi)部既有的地下水滲流通道，改變了水力邊界條件，使地下水不易及時排出，導致水位上升從而誘發(fā)滑坡。

(4) 其滑體、滑床、滑帶由不同巖土體形成，傳統(tǒng)極限平衡法往往只能設置一個統(tǒng)一的滑帶土體參數(shù)，導致其分析的準確性較差。

(5) 滑坡由降雨引起，需考慮水位在坡體內(nèi)的積累過程，極限平衡法和單一水位有限元分析法均不能模擬滑坡形成過程。

3 滑坡的分析評價

3.1 現(xiàn)狀穩(wěn)定性

根據(jù)勘察鉆孔及探槽、探井取樣土工試驗可以得到滑體、滑帶、滑床的巖土物理力學試驗參數(shù)，其中對穩(wěn)定性分析起決定性作用的是滑帶的粘聚力c，內(nèi)摩擦角ψ值，但是由于滑帶土質(zhì)的多樣性，所以其土工試驗參數(shù)往往離散性較大，不能直接用于穩(wěn)定性計算[2](表1)。

表1 滑動帶土樣室內(nèi)力學試驗統(tǒng)計

試驗表明：滑帶土飽和快剪c=23kPa，ψ=35.1°，殘余剪cr=22kPa，ψr=14.4°，塑限Wp狀態(tài)下c=26kPa，ψ=15.4°，中塑((Wp+Wl)/2)狀態(tài)下c=7.0kPa，ψ=6.2°，由此可看出，滑動帶土含水量增加對其抗剪強度降低很大。

根據(jù)圖2中臨界狀況下的水位進行極限平衡法反分析，取此時穩(wěn)定系數(shù)為1.05時，反求得到滑帶土參數(shù)為c =15kPa，ψ=18.5°。

為了驗證參數(shù)的合理性，采用有限元強度折減法，以鉆探成果為基礎劃分各類土層分界線，輸入滑帶土層反分析代表參數(shù)和其他土層取樣所得的巖土試驗參數(shù)(表2)，計算滑坡的穩(wěn)定性和滑面位置，得到與極限平衡法相對比的結果。該法一方面回避了全滑帶土參數(shù)取值的同一性假設可能不合理問題，另一方面可自動求解出滑面位置，并取得相應的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)[3](圖3)。

表2 1-1'剖面有限元分析巖土參數(shù)

圖3 降雨狀態(tài)下強度法折減分析的最大剪應變云圖(FS =1.04)

可見有限元法安全系數(shù)的計算結果與極限平衡法相當，最大剪應變計算結果與勘查揭示的第二滑面基本一致。這一方面說明滑帶巖土參數(shù)取值較為合理，但對初期的滑動(第一滑面)計算結果沒有體現(xiàn)?？梢娫诮涤暾T發(fā)滑坡過程分析方面，設置統(tǒng)一水位方式不能體現(xiàn)降雨對滑坡形成的動態(tài)影響。為了分析降雨時滑坡的形成過程特別是初始滑動的產(chǎn)生還需要更精確的方法。

3.2 降雨條件下滑坡的形成過程

為了模擬降雨條件下滑坡體的形成過程，采用非飽和土理論建立滑坡體“滲流—穩(wěn)定”數(shù)值模型，建立模型時主要考慮了以下幾個方面。

3.2.1 邊界條件

模型尺寸(2D)：建立坡長257m，左側坡高149m，右側坡高90.7m，坡頂距左邊界44.2m，坡腳距右邊界59m，以原始地形為坡面的分析模型區(qū)域，并以勘察揭示土層情況劃分出土體層位，劃分網(wǎng)格，設置地基支撐條件。

水頭邊界條件：根據(jù)勘察揭示設置左側水頭為145m，右側水頭為70m，來考慮枯水期穩(wěn)態(tài)滲流。

降雨條件：降雨強度按80mm/d暴雨工況考慮，考慮匯水區(qū)影響，下部水量按降雨強度的3倍試算，上部邊界考慮上部滲流影響，按降雨強度的6倍試算，以此綜合考慮地形及匯水區(qū)對滑坡的影響。

3.2.2 人類活動

考慮2010年，因前緣施工礦區(qū)道路，對坡體前緣進行了切坡，施工擾動可能導致坡體前緣巖土內(nèi)滲流通道被破壞，對坡體排水產(chǎn)生不利影響。故在數(shù)值分析中對坡體前緣的滲透性進行降低，以模擬前緣排水不暢。

3.2.3 滲透性

考慮到地表徑流和地下滲流對土體的淋濾作用，導致土體滲透系數(shù)的各向異性，將上部殘積土、全風化石英砂巖土體的滲透系數(shù)設為各向異性，根據(jù)實測水力坡降，取ky=3kx(kx為水平方向滲透系數(shù)，ky為垂直方向滲透系數(shù))調(diào)整試算比較。其他層土體由于滲透性弱，且結構強度較高，滲流對其穩(wěn)定影響有限，取為滲透各向同性計算。

非飽和土的滲透性，可用Cardner(1958)提出的雙參數(shù)模型表示如下：

式中：ks為飽和時土體滲透系數(shù)(m/s)；ψ為基質(zhì)吸力；α為與進氣壓力值相關的參數(shù)(kPa-1)，隨著土體的脫水，它控制著滲透系數(shù)開始下降的起點；參數(shù)n控制著滲透系數(shù)下降的斜率。

3.2.4 土—水特性曲線

該方法的難點是如何求得非飽和土相關參數(shù)，可直接采用試驗方法獲取參數(shù)[4-6]，但目前受限于設備能力和技術水平，工程運用受到一定限制。隨著土力學理論和軟件技術的進步，勘察單位可以運用巖土軟件，通過設置不同的參數(shù)進行試算，然后與觀測結果進行對比，這樣可以方便求得較為合理的結果，實現(xiàn)降雨條件下對滑坡體的穩(wěn)定性進行預測。本例采用van Genuchten模型進行模擬，數(shù)學表達式如下：

式中：Θ為含水量變量，無量綱，它由飽和含水量和殘余含水量定義成標準化體積含水量的形式：Θ=(θ-θr)/(θs-θr)；θ體積含水量，θs飽和體積含水量，θr殘余體積含水量；Se為標準化飽和度，Se=(s-sr)/(1-sr)；s土體飽和度，sr殘余飽和度。α、m、n為擬合參數(shù)。

典型圖層水文地質(zhì)參數(shù)如表3所示[7]。

表3 砂土、粉土與黏土的典型水文參數(shù)

3.2.5 工況條件

根據(jù)降雨情況，將工況分為枯水期，豐水期和暴雨后三種情況。枯水期的地下水位基本為基巖裂隙水，水力連通性差，水位多位于滑帶之下，此時為穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)；豐水期水體基本沿殘坡積層底部排泄，通過設置一段時間的降雨工況來實現(xiàn)；暴雨后是指豐水期遇到強降雨的情況下，此時水位位于滑體中部，達到最高水位。通過降雨瞬態(tài)模擬從低水位逐漸達到高水位的過程來研究滑坡的形成過程。

3.2.6 數(shù)值分析成果

參考表3所提供的參數(shù)，設置了表4所示參數(shù)進行試算，對比降雨后高水位情況和穩(wěn)定性監(jiān)測評估情況，進行試算調(diào)整，通過設置—試算—比較—調(diào)整—再試算的反復，較為準確的模擬出各種降雨情況下的水位分布和穩(wěn)定性狀況，實現(xiàn)動態(tài)分析。

表4 1-1剖面非飽和土體計算參數(shù)

(1) 各時期地下水滲流情況。

枯水期根據(jù)初始水頭邊界條件可以模擬出枯水期穩(wěn)態(tài)滲流情況和相應水頭等勢線空間分布情況。豐水期根據(jù)初始水頭、降雨強度和降雨歷時可模擬出降雨期瞬態(tài)滲流情況分布情況。同時也能得出相應的飽和度空間分布。

圖4為枯水期穩(wěn)態(tài)滲流流徑及水頭分布情況，圖5為豐水期暴雨后臨界狀態(tài)下的滲流情況及水頭等勢線分布情況，圖6為枯水期飽和度云圖，圖7為雨后臨界狀態(tài)下飽和度云圖。

由圖4、圖6可見在枯水期，地下水位較低，坡體含水量低，滲透性較均勻，水滲流受重力和路徑共同影響，表現(xiàn)為流線較為平緩和均勻；由圖5、圖7可見在豐水期和暴雨臨界工況下，地下水位上升明顯，地表水體下滲后主要沿地下水位線流動，由于此時飽和區(qū)滲透性遠大于非飽和區(qū)，其滲透性差異對其滲流影響明顯，坡面水體下滲在坡腳形成泉眼。

圖4 穩(wěn)態(tài)流徑及水頭等勢線(枯水期)

圖5 瞬態(tài)流徑及水頭等勢線(雨后臨界)

圖6 枯水期飽和度云圖

圖7 臨界狀態(tài)下飽和度云圖

通過與各時段的水位實測情況與飽和度相比較和對應泉眼出露情況與滲流流徑圖相比較，可見模擬與實際吻合，這樣可認為本模型較為符合實際，可以進一步以此模型為基礎得出坡體在降雨工況下的穩(wěn)定性情況，從而實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定性分析。

(2) 各時期穩(wěn)定性情況。

根據(jù)上面求得的空間飽和度分布情況和土水特曲線可得到對應的基質(zhì)吸力分布，在運用考慮基質(zhì)吸力的非飽和土強度理論即可求得枯水期和豐水期降雨后的穩(wěn)定性情況。

圖8給出了枯水期的最大剪應變云圖分布，圖9則給出了雨后臨界狀態(tài)下最大剪應變分布情況和相應的坡體穩(wěn)定系數(shù)。

圖8 枯水期強度法折減分析的等效剪應變云圖(FS =1.250)

圖9 臨界狀態(tài)強度法折減分析的最大剪應變云圖(FS =1.00)

從圖8、圖9可以看出隨著坡體含水量的增加，最大剪切應變發(fā)生區(qū)域向前緣移動，這樣就解釋了降雨時前緣首先滑動的變形特征(第一滑裂帶)。進一步分析降雨歷時與穩(wěn)定性的關系，當豐水期(枯水期降雨1～2天后，設為初始時刻)，遇暴雨工況時，降雨兩天后邊坡即達臨界狀態(tài)(圖9，此時坡體滑動安全系數(shù)約為1.00)。這與滑坡發(fā)生時的過程降雨相當(2013年6月6～12日滑坡區(qū)普降大到暴雨，過程雨量為96～135mm； 6月18～30日連續(xù)降雨，其中24～30日為大到暴雨，過程雨量為218.1mm；其中26～27日連續(xù)出現(xiàn)暴雨，2天總雨量達161.0mm，雨后發(fā)現(xiàn)發(fā)生滑坡)。

從破壞的情況看，在降雨作用下，兩天后首先在坡體前緣發(fā)生滑動，模擬的臨界狀態(tài)最大剪應變區(qū)域也與這一破壞面(第一滑動面)基本吻合(圖9)，這就模擬了滑坡形成的過程。從地下水出露的情況看位于坡腳的泉眼(圖2)也與豐水期滲流流線圖的分布一致(圖5)。至此，通過非飽和土力學理論建立的有限元數(shù)值方法，較為準確地模擬了坡體內(nèi)地下水的滲流情況和滑坡體初始滑動的形成過程，達到了研究預期目的。

3.3 滑坡治理方法建議

通過在滑坡體后部設置截水溝，阻擋匯水區(qū)地表水進入滑坡體，在坡面加強植被作為毛細隔離帶阻止雨水下滲或在坡體內(nèi)部設置順坡排水管道來有效降低降雨時地下水位，均可提高坡體在降雨工況下的穩(wěn)定性。

4 結語

(1) 礦區(qū)滑坡由于滑帶土質(zhì)成分差異較大，土工試驗結果離散性大，一般難以直接運用于滑體穩(wěn)定性分析。實際分析時，一般采用極限平衡法反分析求得滑帶土近似力學參數(shù)，為了使得分析結果更符合巖土力學破壞理論，建議用有限元強度折減法進行符合性驗證。

(2) 由于礦區(qū)構造運動活躍，斷層裂隙發(fā)育，地下水滲流路徑和水頭分布不易查清，若進行長期的水文地質(zhì)監(jiān)測，耗時費力。采用非飽和土滲流理論建立數(shù)值分析模型，合理設置巖土參數(shù)和模型邊界條件，進行滲流數(shù)值模擬分析，并將模擬結果與短期監(jiān)測水頭數(shù)據(jù)相比較(主要比較滲透水力坡降與水位)，以趨于實測值為目標進行修正調(diào)整參數(shù)試算，是求取滑坡體滲流場分布的有效方法。

(3) 對降雨誘發(fā)的滑坡，利用非飽和土力學理論，采用有限元方法，是分析模擬滑坡形成過程的有效方法。在工程運用時要充分運用勘察成果和調(diào)查情況，特別注意邊界條件(人工影響、水頭條件和排水條件)的設置和分析成果與實際情況的對比驗證，以期獲得較為滿意的成果。