受暫時性承壓水影響的南京游子山滑動機(jī)制分析

俞良晨，閻長虹,2，郭書蘭，談金忠，徐成華，劉 羊，黃 磊

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210089; 3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 南京 210041)

在我國，滑坡地質(zhì)災(zāi)害分布范圍較廣、危害大，降雨尤其是極端強(qiáng)降雨是誘發(fā)滑坡的最主要原因[1-5]。針對降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，國內(nèi)外許多學(xué)者都開展了研究。李紹紅等[6]考慮不同降雨特性對基巖型淺層邊坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為不同降雨類型對該類邊坡穩(wěn)定性影響較大，具有明顯的時效性；翟生軍等[7]運(yùn)用UDEC離散元軟件，以西南地區(qū)某順層滑坡為例，提出一種等效滲流法，實(shí)現(xiàn)了模擬降雨條件下地下水向坡腳的滲流過程；唐棟等[8]采用非飽和滲流分析方法研究了前期降雨對不同土體邊坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為邊坡土體滲透系數(shù)越低，邊坡穩(wěn)定性受前期降雨的影響越大、影響時間也越長；汪丁建等[9]基于Green-Ampt(GA)模型同時考慮濕潤鋒以上飽和帶滲流作用對強(qiáng)降雨條件下堆積層滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，認(rèn)為強(qiáng)降雨作用易造成堆積層滑坡發(fā)生，而且在強(qiáng)降雨初期，滑坡穩(wěn)定性下降較快，隨著降雨的持續(xù)，穩(wěn)定性下降速率逐漸放緩；賀可強(qiáng)等[10]針對堆積層滑坡物質(zhì)組成、地下水作用特點(diǎn)及位移動力學(xué)規(guī)律等，系統(tǒng)分析了堆積層滑坡持續(xù)位移和降雨變化規(guī)律的關(guān)系，建立了降雨動力增載位移響應(yīng)比評價參數(shù)與預(yù)測模型；涂園[11]基于地下河槽一維滲透理論，構(gòu)建受降雨影響新的平推式滑坡承壓水模型，認(rèn)為后緣裂隙水頭對承壓水作用范圍、滲透流量和潛水滲出高度的影響較大；趙權(quán)利等[12]構(gòu)建典型平推式滑坡地下水滲流分析模型并結(jié)合降雨型滑坡下山滑坡，認(rèn)為承壓水作用范圍將影響邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，且滑坡穩(wěn)定性系數(shù)會隨著承壓水作用范圍增大而線性減??；閻長虹等[13]在分析寧鎮(zhèn)地區(qū)典型山前緩坡新型滑坡地質(zhì)災(zāi)害時，認(rèn)為滑坡體具有特殊的地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)特性，受強(qiáng)降雨作用時，在坡體內(nèi)容易產(chǎn)生暫時性承壓水，在其浮托力的作用下緩坡發(fā)生頂托破裂和剪切破壞；Hong Y M等[14]利用連續(xù)方程建立了一個預(yù)測山坡地下水位隨降水量變化的模型，認(rèn)為地下水在滑坡中起著至關(guān)重要的作用，強(qiáng)降水會使山坡內(nèi)的地下水位升高，導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定而發(fā)生滑動；Matja M等[15]通過對斯洛文尼亞的兩個平推式滑坡進(jìn)行研究，提出誘發(fā)此類滑坡的主要原因是由持續(xù)降雨產(chǎn)生的高承壓水；Jiao J J等[16]提出了降雨條件下邊坡水文地質(zhì)概念模型，并認(rèn)為當(dāng)受強(qiáng)降雨影響形成承壓地下水帶時正確的水文地質(zhì)模型對邊坡工程顯得尤為重要；Borgatti L等[17]從水動力學(xué)的角度分析了意大利某山區(qū)古滑坡的復(fù)活，得到了承壓水誘發(fā)古滑坡復(fù)活的結(jié)論；Lee Y S等[18]以香港某松散填土邊坡為例，認(rèn)為分層填筑引起的水利傳導(dǎo)系數(shù)差異是該滑坡內(nèi)承壓水形成的主要原因，承壓水作用導(dǎo)致邊坡滑動。

近年來，南京及其周邊地區(qū)極端天氣頻繁發(fā)生，降雨的強(qiáng)度和持續(xù)時間在不斷增大和加長，由此誘發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害也越來越多，如南京江寧方山、牛首山、燕子磯以及鎮(zhèn)江的跑馬山滑坡等[19-22]。這些滑坡均發(fā)生在降雨頻繁的6—9月，其破壞形式主要有圓弧型滑坡及山前緩坡蠕動滑坡等，其中山前緩坡蠕動滑坡的規(guī)模和危害性最大。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，山前緩坡相當(dāng)于反壓馬道，有利于山體整體的穩(wěn)定。然而，近年來受極端降雨天氣的影響，出現(xiàn)山前緩坡連同上部山體發(fā)生較大規(guī)模的整體性滑坡。目前，針對此類滑坡的形成機(jī)制缺乏系統(tǒng)的研究和認(rèn)識，治理措施沒有針對性。

本文結(jié)合南京游子山降雨誘發(fā)型滑坡，通過分析場區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，對此類滑坡的影響因素和形成機(jī)制進(jìn)行綜合分析，探討緩坡內(nèi)“暫時性承壓水”在滑坡形成過程中的作用。

1 滑坡概況和工程地質(zhì)特征

南京市的地形地貌特征主要為低山崗地和平原，新生代以來構(gòu)造運(yùn)動相對較弱[23-25]，山體長期遭受剝蝕風(fēng)化，形成上陡下緩的坡形。山體上部巖石裸露，坡度較陡；下部地表多被第四系松散沉積物覆蓋且坡度很緩，沉積物顆粒粒徑隨深度的增加由細(xì)變粗；下覆基巖主要為強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、碳質(zhì)頁巖、灰?guī)r和斑狀石英閃長巖。

圖1 滑坡區(qū)地形及周邊環(huán)境地質(zhì)影像圖Fig.1 Topographic and surrounding environmental geological image maps of the landslide area

1.1 滑坡概況

本文研究的南京游子山滑坡位于南京南部，2016年7月1日邊坡后緣出現(xiàn)拉裂，7月3日坡體整體發(fā)生滑動。山體表現(xiàn)為上陡下緩地貌形態(tài)，上部陡坡平均坡度約36°，局部大于50°，下部緩坡平均坡度約15°，山前緩坡上有一些建筑物，造成了下部緩坡上局部有分布荷載(圖1)。在經(jīng)歷持續(xù)強(qiáng)降雨后，山體上部陡坡連同中下部坡度較緩的山前緩坡一起發(fā)生整體滑動，其破壞形式呈現(xiàn)為上部為圓弧滑動、下部為緩坡蠕動滑動。從圖1可以看出，滑坡周界清晰，滑壁呈圈椅狀。滑坡后緣高程99 m，后緣出現(xiàn)拉張裂縫，形成滑坡壁，高差0.5 m。前緣高程53 m，滑動面剪出位置位于山體緩坡下部坡腳附近，滑坡前緣出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，土體發(fā)生疊瓦狀涌起(圖2)。滑坡長約190 m，滑體厚度4～15 m，滑體總體積達(dá)4×105m3，滑坡體上道路路面鼓脹拉裂，房屋開裂破損嚴(yán)重，有些建筑物完全損毀。

圖2 滑坡區(qū)平面圖Fig.2 Plane maps of the landslide area

1.2 地層巖性特征

根據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)勘察資料，坡體上部為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖石裸露破碎，中下部坡體表層主要為第四系松散沉積物，以粉質(zhì)黏土為主，滲透性差。受地殼間歇性升降運(yùn)動及沉積環(huán)境變化的影響，沉積物顆粒粒徑隨深度向下由細(xì)變粗，下部以粗顆粒土及全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主，透水性和賦水性較好，與河流相二元結(jié)構(gòu)有類似特征，有利于地下水的賦存和承壓水的形成。下覆基巖主要為強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，透水性差，強(qiáng)度較高。根據(jù)巖土層的成因、形成時代及埋深，本文將坡體地層劃分為4個工程地質(zhì)層組，其巖性特征見表1，典型剖面圖見圖3。場區(qū)第四系沉積物厚度較大，地層巖性可分為四個部分：其上部為②粉質(zhì)黏土，發(fā)育有垂直裂隙，性質(zhì)軟弱，局部分布素填土或碎石土，透水性較差；中部為③黃褐色的碎石土，碎石大小不等，部分碎石粒徑大于5 cm，碎石間泥砂充填，透水性較好；下部為④-1全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，風(fēng)化嚴(yán)重，多為泥質(zhì)粉砂巖碎塊且局部被泥質(zhì)充填，透水性微弱；底部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)度較高，其透水性較差。

表1 場區(qū)坡體地層基本情況

圖3 滑坡區(qū)典型剖面圖Fig.3 Typical section of the landslide area

1.3 水文地質(zhì)特征

場區(qū)地下水類型主要分為孔隙水和基巖裂隙水兩種：孔隙水存在于山體下部緩坡的第四系松散沉積物中，受季節(jié)影響明顯，地下水位變化幅度較大；基巖裂隙水主要分布于山坡裂隙發(fā)育的巖體中。在枯水季節(jié)，山體下部表層土體處于非飽和狀態(tài)，干濕循環(huán)作用強(qiáng)烈，而位于地下水位以下的中下層碎石土，孔隙性較好，地下水豐富，形成較好的含水層。在汛期強(qiáng)降雨來臨時，由于山體上部風(fēng)化層較薄，巖石裸露，破碎較為嚴(yán)重，巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，在降雨入滲補(bǔ)給后形成基巖裂隙水，為坡體下部松散沉積物中的孔隙水提供補(bǔ)給。同時由于坡體上部地形較陡，降雨可以沿著裂隙快速入滲運(yùn)移到坡體中下部的緩坡含水層中，短時間內(nèi)來不及排泄，在山前緩坡特有的地層結(jié)構(gòu)及其水文地質(zhì)條件控制下，極易形成“暫時性承壓水”。

我們提出的“暫時性承壓水”概念，和承壓水一樣是充滿于兩個隔水層之間的含水層的水。但暫時性承壓水的形成主要受強(qiáng)降雨影響，雨水不斷入滲，坡體的水位逐漸抬升，形成承壓水；強(qiáng)降雨過后，坡體中的地下水經(jīng)過一段時間的徑流和蒸發(fā)，水位逐漸下降，承壓性消失，所以具有暫時性和季節(jié)性。

2 滑坡成因機(jī)制分析

南京這一山前緩坡在強(qiáng)降雨條件下連同上部山體一起發(fā)生了較大規(guī)模的滑坡，顯然有其特殊性。因此從現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查及勘察資料來看，該山前緩坡具有特有的地層結(jié)構(gòu)特征，在極端強(qiáng)降雨條件下可能產(chǎn)生暫時性承壓水。因此，這里主要從這一特殊影響因素出發(fā)，綜合考慮山坡地層巖性、地形地貌及人類工程活動等因素，分析該山體整體滑坡的滑動機(jī)制。

2.1 內(nèi)在因素

首先，滑坡區(qū)山體表現(xiàn)為上陡下緩坡形，上部山體高差較大，具有良好的臨空面且有利于地表水的徑流。同時場地受新構(gòu)造運(yùn)動的影響，山體上部地形陡峻，風(fēng)化層較薄，基巖裸露，巖體裂隙較為發(fā)育，利于降水的快速入滲和以地表徑流形式向山前緩坡匯集。而山前緩坡表層粉質(zhì)黏土的黏粒含量高，具有弱膨脹性，物理力學(xué)性質(zhì)較差，在受干濕循環(huán)的反復(fù)作用下，力學(xué)性質(zhì)不斷降低；入滲的地下水流在基巖面上部滯留下來，使土體和碎裂巖體性質(zhì)軟化，尤其是山體上部泥質(zhì)充填的泥質(zhì)粉砂巖碎塊，在雨水的浸泡作用下，黏聚力大大降低。

2.2 外在因素

南京處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季暴雨或連續(xù)降雨頻發(fā)，特別是近年來，極端強(qiáng)降雨天氣增多。2016年，南京經(jīng)歷了歷史同期罕見的暴雨，該滑坡區(qū)從6月中旬至7月初的降雨量高達(dá)623 mm，較常年偏多一倍。尤其是7月1日至7月3日連續(xù)三天的強(qiáng)降雨，導(dǎo)致了緩坡土體中孔隙水壓力的增大，內(nèi)聚力和摩擦角降低，有效應(yīng)力減小，抗滑力不斷下降，而土體和碎裂巖體則吸水飽和，使其重力增加，造成下滑力不斷增大。

另外，因當(dāng)?shù)鼐皡^(qū)的開發(fā)，人工切坡和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)破壞了原有的平衡狀態(tài)，部分工程還采用爆破法施工，造成了巖土體強(qiáng)度的降低。這些活動都會對邊坡的穩(wěn)定性造成影響。

2.3 暫時性承壓水的影響

除了以上分析的內(nèi)因和外因之外，下部緩坡在經(jīng)歷連續(xù)的強(qiáng)降雨后形成的暫時性承壓水，是誘發(fā)該滑坡發(fā)生整體滑動的最重要因素。坡體上部裸露巖石中的斷層、節(jié)理和風(fēng)化裂隙以及碎石土為降雨的入滲提供了通道，山前緩坡黏性土層以下的碎石土層和全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層為地下水的聚集與賦存提供了條件，同時由于山前緩坡上部粉質(zhì)黏土層的不透水性，導(dǎo)致緩坡中的地下水短時間內(nèi)不能即時排出，形成暫時性承壓水。

如圖4所示，受暫時性承壓水的影響，山前緩坡坡體內(nèi)部形成巨大的“承壓水盆”，而表層弱透水或不透水土體被高水位壓力“浮托”，抗滑力急劇降低；與此同時，在邊坡前緣位置，由于相對隔水層土體厚度較薄，受暫時性承壓水的浮托力影響被托起頂裂。

圖4 滑動機(jī)制示意圖Fig.4 Schematic diagram showing the sliding mechanism

綜合上述分析來看，地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和山前緩坡特有的地層結(jié)構(gòu)特征是該整體性滑坡發(fā)生的內(nèi)因，強(qiáng)降雨和人為工程活動等因素起著促進(jìn)和誘發(fā)的作用。在強(qiáng)降雨條件下，雨水入滲導(dǎo)致山體中上部土體下滑力不斷增大，抗滑力不斷減小率先發(fā)生圓弧滑動，而山體下部緩坡在受坡體內(nèi)形成的暫時性承壓水和中上部坡體圓弧滑坡下滑力的共同作用下發(fā)生山體中部及下部緩坡整體滑動。坡腳土層較薄位置受暫時性承壓水的浮托力作用下形成塑性破壞區(qū)，表層黏性土被頂裂?？傮w來看，該山體邊坡中上部圓弧滑動土體沿著滑移面從上向下作用于山前緩坡，而緩坡坡腳在暫時性承壓水作用下被頂裂，從而造成山體邊坡中部到下部整個坡體貫通，從而形成較大規(guī)模的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

3 數(shù)值模擬分析

為了獲取邊坡內(nèi)部的應(yīng)力位移分布情況，揭示邊坡破壞的內(nèi)在機(jī)理，本文利用GeoStudio軟件中的SEEP/W、SLOPE/W及SIGMA/W模塊模擬降雨等因素對該邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文首先采用SEEP/W模塊將7月1—3日的降雨作為流量邊界進(jìn)行入滲模擬，初始地下水位按照圖3所示的地下水位定義初始水位，采用飽和-非飽和滲透模型和定水頭邊界，模擬所需的巖土體參數(shù)見表2。入滲模擬結(jié)果再與SLOPE/W、SIGMA/W模塊進(jìn)行耦合來分析邊坡的滲流、孔隙水壓力、位移和穩(wěn)定性系數(shù)。

表2 巖土體相關(guān)參數(shù)指標(biāo)

3.1 坡體滲流

降雨的入滲、徑流和排泄伴隨著土體的基質(zhì)吸力、滲透系數(shù)、飽和度和含水率等變化。通過SEEP/W模塊模擬計(jì)算得到降雨條件下邊坡3 d內(nèi)孔隙水壓力分布、徑流等的變化，如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果對比顯示，在3 d連續(xù)強(qiáng)降雨作用下，上部山體雨水主要通過裸露的全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中的裂隙和碎石土層向坡體內(nèi)部滲流，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸向下延伸并與含水層貫通，土體逐漸飽和，孔隙水壓力增大，地下水位上升，導(dǎo)致土體軟化，抗剪強(qiáng)度減小，同時由于雨水入滲形成較大的水力梯度，產(chǎn)生了沿碎石土層指向坡腳的動水壓力，增大了邊坡下滑力。山前緩坡由于山體坡度很緩，地表水流流速較慢，使緩坡表層粉質(zhì)黏土層形成暫態(tài)飽和區(qū)，強(qiáng)降雨入滲并徑流進(jìn)入山前緩坡含水層，并導(dǎo)致坡體中下部地下水位的持續(xù)抬升，隨之導(dǎo)致局部地下水開始與隔水層頂板(粉質(zhì)黏土層)接觸，短時間內(nèi)地下水無法排出，形成暫時性承壓水，隨著降雨入滲的持續(xù)進(jìn)行，暫時性承壓水區(qū)域逐漸擴(kuò)大，山前緩坡地下水位持續(xù)抬升至坡面以上,承壓水施加于緩坡表層土的浮托力隨降雨的持續(xù)而不斷增大。

圖5 不同時間孔隙水壓力和水位線圖Fig.5 Pore water pressure and groundwater level lines at different times

為分析暫時性承壓水對邊坡前緣不透水層薄弱地段的頂裂作用，選取圖5所示山前緩坡表層土體較厚的A點(diǎn)和較薄的B點(diǎn)作對比分析，其中A點(diǎn)表層土體厚度為6.73 m，B點(diǎn)為1.86 m。將兩點(diǎn)隨降雨入滲在不同時間下的承壓水頭繪制成圖，得到承壓水頭隨時間的變化關(guān)系(圖6)。隨著強(qiáng)降雨的持續(xù)，A、B兩點(diǎn)的承壓水頭不斷增加，A點(diǎn)承壓水頭的增長速度較B點(diǎn)明顯緩慢，強(qiáng)降雨持續(xù)3 d后A點(diǎn)的承壓水頭僅為2.302 m，浮托力不足以頂裂上覆土體，而此時B點(diǎn)承壓水頭達(dá)6.248 m，超過其上覆土層厚度的兩倍，完全可將B點(diǎn)附近的土體托起、頂裂。

3.2 坡體變形及穩(wěn)定性

基于上述山坡滲流分析結(jié)果，這里對降雨引起的邊坡應(yīng)力場和位移場進(jìn)行了模擬計(jì)算，考慮土體為彈塑性體，采用邊坡標(biāo)準(zhǔn)邊界條件即模型左右邊界約束水平位移，底部約束水平和豎直位移，得到坡體位移和穩(wěn)定性系數(shù)(圖7、表3)。

在強(qiáng)降雨中初期，受降雨入滲影響，發(fā)生了相對較小的位移，坡體中上部有效應(yīng)力降低，土體容重增加，下滑力增大，上部山體率先發(fā)生圓弧滑動，第一日和第二日的最大位移量分別為0.213 m和0.473 m，下部土體則主要受上部土體擠壓和局部小范圍承壓水浮托影響而發(fā)生較小形變，坡體整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；強(qiáng)降雨后期，有效應(yīng)力進(jìn)一步降低，下滑力不斷加大，抗滑力減小，上部山體圓弧滑動位移逐漸加大，山前緩坡受暫時性承壓水影響，浮托力不斷增大，在山前緩坡坡腳土層較薄的地方被暫時性承壓水頂裂，頂裂滑動位移達(dá)0.45 m，加之上部坡體圓弧滑動擠壓山前緩坡表層土體，最終導(dǎo)致塑性破壞區(qū)從中上部陡坡后緣拉裂處到下部緩坡坡腳貫通，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)已不足1.0，坡體最大位移達(dá)0.660 m，中下部坡體整體處于滑動狀態(tài)。

圖7 不同時間坡體位移圖Fig.7 Slope displacement maps at different times

表3 降雨入滲模擬結(jié)果

從模擬計(jì)算結(jié)果看，研究區(qū)山體中下部自然邊坡隨強(qiáng)降雨和入滲的持續(xù)，邊坡體由上至下逐漸趨于飽和狀態(tài)，中上部首先達(dá)到極限平衡狀態(tài)，而下部富水層地下水位不斷抬升，浮托力加大，進(jìn)而頂裂坡腳土層厚度較薄地段，同時巖土界面土體強(qiáng)度下降，滑動面貫通，山體中下部發(fā)生整體滑動。

4 結(jié)論及建議

(1)一般認(rèn)為山前緩坡相當(dāng)于反壓馬道，有利于山體整體的穩(wěn)定，而研究區(qū)恰恰是山前緩坡發(fā)生了滑坡。通過地質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)這一山前緩坡具有特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，即表層為不透水或弱透水性的黏性土，下層為粗顆粒土，利于地下水富集及賦存，在持續(xù)強(qiáng)降雨條件下會形成“暫時性承壓水”。

(2)坡體中上部主要為黏性土，土質(zhì)均勻，坡度相對較陡，具有良好的臨空條件，在降雨條件下容易發(fā)生圓弧型滑動。

(3)在持續(xù)強(qiáng)降雨條件下，山前緩坡受上部圓弧型滑動的下滑力擠壓作用和緩坡內(nèi) “暫時性承壓水”浮托力的作用而發(fā)生滑動。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果顯示在極端持續(xù)強(qiáng)降雨條件下，最終造成塑性破壞區(qū)從中上部陡坡后緣拉裂處到山前緩坡坡腳貫通，從而造成山體中下部整體滑動，有效驗(yàn)證了滑坡機(jī)制地質(zhì)分析結(jié)果。

(5)極端持續(xù)強(qiáng)降雨使緩坡內(nèi)形成暫時性承壓水是誘發(fā)緩坡滑動的主要因素，因此在治理該類滑坡時應(yīng)重點(diǎn)防排水。如在坡面修建截、排水溝，有效減少雨水的入滲；在緩坡內(nèi)打排水井，當(dāng)?shù)叵滤贿^高時，應(yīng)進(jìn)行排水降壓，防止雨水入滲形成暫時性承壓水以及對邊坡巖土體的軟化作用。