暴雨及久雨作用下東嶺信滑坡堆積體的滲流特性及穩(wěn)定性分析

周偉杰徐衛(wèi)亞王如賓李學(xué)政

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,南京210098；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210098；3.中國(guó)電建中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,長(zhǎng)沙410014)

滑坡是一種常見(jiàn)的危害性大的地質(zhì)災(zāi)害,目前對(duì)于堆積體滑坡已有大量研究[1-5],研究表明,降雨是引起滑坡的主要因素之一[6].飽和-非飽和降雨入滲是一種非線(xiàn)性的,多重耦合的自然過(guò)程.流體在介質(zhì)內(nèi)部流動(dòng)造成介質(zhì)飽和度上升,從而引發(fā)應(yīng)力場(chǎng)變化,應(yīng)力場(chǎng)變化使得位移場(chǎng)發(fā)生變化,后者又導(dǎo)致介質(zhì)的滲透性能改變,從而形成了一個(gè)大的耦合過(guò)程.

目前已有一些文獻(xiàn)將滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算,并得到了許多有益的結(jié)果[7-10],但往往計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況還有一定的差距.直接進(jìn)行全耦合分析滑坡穩(wěn)定性有較大難度,因此目前常用的方法還是先通過(guò)求解降雨引起的滲流場(chǎng)變化,再將滲流場(chǎng)轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力帶入到應(yīng)力場(chǎng)中求解穩(wěn)定性:張桂榮,程偉[11]依據(jù)入滲雨量模擬了八字門(mén)滑坡滲流場(chǎng)變化,而后利用極限平衡理論預(yù)測(cè)了不同降雨總量下的滑坡穩(wěn)定性；魏寶龍,徐衛(wèi)亞,王如賓[12]則研究了滑坡堆積體滲流與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,并通過(guò)滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果使用應(yīng)力應(yīng)變有限元法研究了堆積體的滑坡機(jī)制.隨著滑坡事故的頻繁發(fā)生,對(duì)于復(fù)雜條件下堆積體滲流穩(wěn)定機(jī)理的研究十分必要,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理的研究也越來(lái)越成熟.在滑坡自身因素方面,吳輝,馬雙科,鄭婭娜[13]研究了不同坡體厚度對(duì)降雨入滲的敏感程度,發(fā)現(xiàn)坡體厚度越大,則對(duì)降雨的敏感性越小,降雨造成的位移變化也越小,而坡體厚度較小的邊坡則有較大的位移；劉新喜,夏元友,蔡俊杰等[14]在研究強(qiáng)風(fēng)化軟巖高填方路堤邊坡的穩(wěn)定性時(shí),著重考慮了土體壓實(shí)度對(duì)滲流場(chǎng)的影響,認(rèn)為填土壓實(shí)度與土的滲透性、強(qiáng)度緊密相關(guān)；此外,Ebel等[15]研究了土水特征曲線(xiàn)的影響,認(rèn)為不考慮濕土水特征曲線(xiàn)可能會(huì)高估滑坡的穩(wěn)定性.在滑坡受到的外部影響因素方面:林鴻州,于玉貞,李廣信等[16]通過(guò)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)適合用降雨強(qiáng)度和累計(jì)降雨量作為滑坡預(yù)警的參數(shù)；譚新,陳善雄,楊明[17]研究了前期降雨對(duì)邊坡滲流場(chǎng)變化的影響,發(fā)現(xiàn)前期降雨對(duì)邊坡滲流場(chǎng)有較大的影響,且降雨對(duì)滲流場(chǎng)的影響具有滯后性；林孝松,郭躍[18]從雨頻、降雨周期、持時(shí)、雨量、雨型等多方面研究了滑坡與降雨的關(guān)系.

本文基于飽和-非飽和滲流理論,通過(guò)滲流分析軟件Seep/W對(duì)東嶺信堆積體滑坡典型剖面二維概化模型進(jìn)行了一定雨量下不同雨型的滲流計(jì)算,而后采用極限平衡法分析穩(wěn)定性,探求不同雨型下的滑坡堆積體滲流穩(wěn)定機(jī)理,為該類(lèi)堆積體滑坡工程防治提供理論依據(jù).

1 東嶺信滑坡堆積體概況

東嶺信滑坡堆積體坐落于深山峽谷中,地形上屬于中低山峽山谷地區(qū).該滑坡堆積體北東以及東側(cè)為臨近水庫(kù)的庫(kù)岸邊坡,堆積體西北側(cè)和南側(cè)為山脊,南側(cè)后緣坡坡度約35°；后緣坡緊接一緩坡地帶,坡度約17°；西側(cè)后緣坡為一埡口,坡度約25°.

圖1東嶺信滑坡堆積體全貌

2007年?yáng)|嶺信滑坡堆積體后緣發(fā)現(xiàn)裂縫,單條裂紋張開(kāi)寬度約1～5 cm,局部寬度7 cm,局部下錯(cuò),同時(shí)發(fā)現(xiàn)后緣住房混凝土基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫,后緣水田混凝土墻出現(xiàn)斷裂以及木結(jié)構(gòu)房屋榫頭拉脫現(xiàn)象.

東嶺信滑坡堆積體主要由粉質(zhì)黏土、塊碎石土以及碎裂巖體組成.上部以粉質(zhì)黏土夾塊碎石為主,透水性較差；中部以塊碎石夾粉質(zhì)黏土為主,透水性較好；下部滑動(dòng)帶以粉砂質(zhì)含礫黏土為主.

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可知,堆積體所處地區(qū)氣候?qū)僦衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,雨量充沛,降雨高峰集中在春夏時(shí)節(jié),易誘發(fā)滑坡.

鑒于該堆積體工程地質(zhì)條件的特殊性和地理位置的重要性,需要針對(duì)滑坡堆積體,開(kāi)展數(shù)值模擬分析,揭示在降雨條件下的滑坡堆積體失穩(wěn)破壞機(jī)制,進(jìn)而建立該類(lèi)堆積體滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng).

2 概化模型及數(shù)值模擬方案

2.1 模型及參數(shù)

選用Geostudio 軟件中的Seep/W和Slope/W程序開(kāi)展東嶺信滑坡堆積體非飽和降雨入滲數(shù)值模擬以及滑坡穩(wěn)定性計(jì)算.降雨條件下堆積體滲流場(chǎng)的變化滿(mǎn)足式(1),該式的物理意義即單位時(shí)間內(nèi)流入與流出單元的水的質(zhì)量相等.由于非穩(wěn)定滲流是一個(gè)非線(xiàn)性過(guò)程且求解依賴(lài)于時(shí)間的推移,因此計(jì)算分若干時(shí)步,對(duì)每個(gè)時(shí)步進(jìn)行迭代計(jì)算,直到計(jì)算結(jié)果收斂轉(zhuǎn)入下個(gè)時(shí)步的計(jì)算,否則將時(shí)間步長(zhǎng)減半直至計(jì)算收斂為止.

式中:hm為吸力水頭；ki(hm)(i取x、y、z)為 水 頭hm下i方向的滲透系數(shù)；C為土水特征曲線(xiàn)的斜率.

根據(jù)東嶺信滑坡堆積體的地形特征建立如圖2所示的堆積體二維概化模型.其中下層為基巖,上層為滑體.滑體主要為含碎塊石粉質(zhì)黏土,其天然狀態(tài)下粘聚力為20 k Pa,摩擦角為26°；飽和狀態(tài)下粘聚力為18 k Pa,摩擦角為24°；天然密度為2.00 g/cm3,飽和密度為2.10 g/cm3.結(jié)合勘測(cè)報(bào)告給出的數(shù)值范圍與相關(guān)經(jīng)驗(yàn),取滑體飽和含水量0.4,飽和滲透系數(shù)0.0108 m/h.基巖幾乎不透水,取基巖飽和滲透系數(shù)2×10-6m/h.概化模型網(wǎng)格由2512個(gè)節(jié)點(diǎn),2413個(gè)單元構(gòu)成,左側(cè)高10 m,水頭為6 m,右側(cè)高1 m,水頭為0.2 m.數(shù)值模擬采用Seep/W軟件求解非飽和滲流微分方程得到滲流場(chǎng).

圖2堆積體二維概化網(wǎng)格模型

土水特征曲線(xiàn)與滲透系數(shù)曲線(xiàn)如圖3所示,其中土水特征曲線(xiàn)由Seep/W軟件中的樣本模型擬合得到,滲透系數(shù)曲線(xiàn)通過(guò)Fredlund和Xing法擬合得到.

圖3滑體土水特征曲線(xiàn)與滲透系數(shù)曲線(xiàn)

基于滲流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果,使用Slope/W軟件進(jìn)行極限平衡計(jì)算.取滑體飽和狀態(tài)下的容重21 k N/m3,粘聚力18 k Pa,內(nèi)摩擦角24°.考慮到滑體非飽和滲流過(guò)程的容重變化,設(shè)置通過(guò)土水特征曲線(xiàn)來(lái)確定非飽和區(qū)的滑體容重.

2.2 數(shù)值模擬方案

為研究同一降雨量下,不同的降雨強(qiáng)度和持時(shí)對(duì)堆積體內(nèi)部滲流場(chǎng)影響的差別,又根據(jù)滑坡堆積體所處地帶最大日降雨量以及實(shí)際情況,將降雨總量定為80 mm,并分為6種不同強(qiáng)度的降雨工況見(jiàn)表1.

表1降雨工況表

事實(shí)上,由于淺層飽和區(qū)以及坡面積水的影響,降雨對(duì)滑坡滲流場(chǎng)的作用往往存在滯后性,為了研究雨后滑體滲流場(chǎng)的變化情況,在降雨結(jié)束后撤銷(xiāo)坡面的入滲邊界,繼續(xù)計(jì)算雨后滲流場(chǎng).為研究不同深度的孔壓變化規(guī)律,選取若干網(wǎng)格點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn),位置選擇在坡頂處垂直分布,相鄰觀測(cè)點(diǎn)深度差為0.2 m,最深的觀測(cè)點(diǎn)距離坡面3.8 m,在計(jì)算結(jié)束后,可獲取觀測(cè)點(diǎn)處的孔隙水壓力值.

圖4觀測(cè)點(diǎn)布置情況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 降雨滲透特性

使用Geostudio中的Seep/W 模塊進(jìn)行迭代計(jì)算,得到了每個(gè)時(shí)步各觀測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力.圖5為降雨1 h、4 h、5 h、10 h、20 h和40 h坡頂孔隙水壓力隨深度變化曲線(xiàn).可以看到,隨著降雨的進(jìn)行,整體的孔隙水壓力迅速提高.降雨1h,距離坡頂1.5 m范圍內(nèi)的孔隙水壓力明顯增大,而1.5 m以下變化不太明顯,增大幅度與降雨強(qiáng)度大小正相關(guān),20 mm/h的降雨導(dǎo)致孔壓增長(zhǎng)最快.因而在降雨初期,堆積體內(nèi)部的滲流場(chǎng)主要是受降雨強(qiáng)度制約；而在豎直方向上,坡表的孔壓值變化最為明顯,在暴雨的影響下,坡表很快形成暫態(tài)飽和區(qū),孔壓接近于0.降雨4 h,20 mm/h的曲線(xiàn)因?yàn)榻涤晖Ｖ苟_(kāi)始回落,其他雨型的曲線(xiàn)依舊緩慢上升,距離坡面2 m 以外的孔壓在各雨型下依舊區(qū)別不大；降雨5 h,16 mm/h的降雨停止,其對(duì)應(yīng)的孔壓也發(fā)生了明顯的回復(fù),在距離坡面0.8 m以外的孔壓低于20 mm/h的降雨,這表明20 mm/h的強(qiáng)降雨在雨停1 h以后依舊對(duì)坡頂深處的滲流場(chǎng)造成影響,這是降雨對(duì)堆積體的滯后影響造成的；降雨10 h,4 mm/h與2 mm/h的曲線(xiàn)繼續(xù)上升,4 mm/h的淺層孔壓遠(yuǎn)大于2 mm/h,而在深層,由于降雨已經(jīng)持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間,距坡面3 m 以外的孔壓也開(kāi)始有明顯的變化；降雨40 h,各雨型曲線(xiàn)幾乎已趨于一致,僅有2 mm/h與4 mm/h等久雨的坡表孔壓還稍高于其他雨型,這表明久雨對(duì)堆積體淺層滲流場(chǎng)的影響更為持久.

圖5不同時(shí)刻各雨型下孔壓隨深度變化

3.2 雨后滲透特性

從3.1節(jié)的分析能夠看到,降雨入滲過(guò)程中,滑坡堆積體內(nèi)部孔壓迅速上升,上升的速度與極限孔壓均與雨強(qiáng)正相關(guān),而與降雨時(shí)長(zhǎng)關(guān)系不大.而近年來(lái)許多研究認(rèn)為,降雨雨后的邊坡穩(wěn)定性依舊會(huì)有一定時(shí)間的劣變,即所謂的降雨入滲的滯后性影響.降雨滯后性主要是由介質(zhì)的物理特性和不穩(wěn)定滲流控制,在不同雨型下,滑坡堆積體雨后滲流場(chǎng)也會(huì)有不同.

圖6為滑坡堆積體剖面概化模型在不同雨型下雨后觀測(cè)點(diǎn)處的孔壓變化情況.

圖6不同雨型雨后孔壓變化情況

縱觀6種不同雨型來(lái)看,其孔隙水壓力變化均呈現(xiàn)出一定的滯后性,且20 mm/h與16 mm/h的降雨滯后效應(yīng)最為明顯,滯后程度隨著降雨強(qiáng)度的降低而降低.從滯后范圍的空間特性分析,降雨停止后2 h,20 mm/h的降雨在0.55 m 左右深度開(kāi)始產(chǎn)生滯后效應(yīng),滯后效應(yīng)的起始深度隨降雨強(qiáng)度的減小而加深；同一雨型下,雨后不同時(shí)刻滯后效應(yīng)的起始深度隨時(shí)間的持續(xù)而加深.從滯后效應(yīng)的時(shí)間特性分析,20 mm/h與16 mm/h的降雨對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)(距坡面3.8 m以?xún)?nèi))的孔隙水壓力的滯后影響持續(xù)至雨后38 h,10 mm/h的降雨對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的孔隙水壓力的滯后影響持續(xù)至雨后37 h,而8 mm/h的降雨對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的孔隙水壓力的滯后影響持續(xù)至雨后36 h,因此可以認(rèn)為,降雨對(duì)滑坡堆積體滯后影響的持續(xù)時(shí)間是隨降雨強(qiáng)度的增大而增大的.

圖7反映了降雨結(jié)束后1 h內(nèi),各雨型下堆積體觀測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力的變化值,其中正值代表孔壓的增加、負(fù)值代表孔壓下降.能夠看出,不同降雨強(qiáng)度滯后效應(yīng)的空間差異性在雨停初始階段并不明顯,在后期才會(huì)慢慢顯示出差異；從不同雨型對(duì)滯后程度的影響來(lái)看,20 mm/h的降雨造成孔壓滯后的程度最大,在雨后1 h內(nèi)孔壓升高了近3 k Pa,該點(diǎn)位于距離坡面0.6 m 處,為所有雨型中最淺.

圖7不同雨型雨后1 h孔壓變化量

3.3 堆積體穩(wěn)定性

對(duì)東嶺信滑坡堆積體典型剖面概化模型穩(wěn)定性計(jì)算采用Geostudio中的Slope/W 模塊進(jìn)行極限平衡分析,計(jì)算方法采用Morgenstern-Price法,該方法能夠充分考慮條間力的相互作用.

從圖8可以看出,在降雨影響下,由于基質(zhì)吸力的降低導(dǎo)致了堆積體最危險(xiǎn)滑面安全系數(shù)的降低,降雨強(qiáng)度越大,安全系數(shù)降低速率越快,這與孔隙水壓力對(duì)降雨強(qiáng)度的反饋是一致的；在固定降雨總量的條件下,降雨強(qiáng)度越大,最小安全系數(shù)越大,即久雨較短時(shí)暴雨更易造成滑坡堆積體的失穩(wěn)；各雨型降雨結(jié)束時(shí)會(huì)有一個(gè)明顯的安全系數(shù)的突增,這是由于撤去降雨流量邊界后豎向下滑力降低造成的；除2 mm/h的降雨外,其余雨型在降雨結(jié)束后安全系數(shù)仍有一段時(shí)間的持續(xù)下降,其中20 mm/h的雨型下降最多,且下降持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),這也驗(yàn)證了暴雨產(chǎn)生的滯后效應(yīng)較久雨更強(qiáng)的結(jié)論.

圖8不同雨型下的安全系數(shù)

4 結(jié)論

對(duì)東嶺信滑坡堆積體二維概化模型進(jìn)行降雨作用下的滲流與穩(wěn)定性計(jì)算,考慮相同降雨總量下不同雨型的變化對(duì)其的影響,研究了暴雨和久雨對(duì)東嶺信滑坡堆積體滲流穩(wěn)定性的影響機(jī)制以及降雨型滑坡堆積體在降雨作用下滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性的演化機(jī)理.結(jié)果表明,降雨對(duì)東嶺信滑坡堆積體的滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性影響顯著,其影響機(jī)制具體表現(xiàn)為:

1)降雨初始,坡表孔隙水壓力迅速上升,雨強(qiáng)越大,上升越快；在降雨過(guò)程中,坡表的孔隙水壓力增長(zhǎng)速度大于坡體內(nèi)部.

2)降雨結(jié)束后,孔隙水壓力的恢復(fù)呈現(xiàn)出滯后性,將滯后性的表現(xiàn)從滯后程度、滯后時(shí)間和滯后空間3個(gè)角度來(lái)分析:在滯后程度上,暴雨較久雨滯后程度更大,即降雨結(jié)束后孔隙水壓力的增量更大；在滯后時(shí)間上,暴雨較久雨滯后時(shí)間更長(zhǎng)；在滯后空間上,久雨造成的滯后區(qū)的起始深度較暴雨更深.

3)暴雨能夠造成堆積體內(nèi)部產(chǎn)生更高的孔壓,而久雨使得堆積體達(dá)到更小的安全系數(shù),穩(wěn)定性較暴雨更低；暴雨滯后效應(yīng)明顯,發(fā)生失穩(wěn)時(shí),更易在雨后造成堆積體失穩(wěn),而久雨滯后效應(yīng)弱,往往在降雨過(guò)程中達(dá)到最低安全系數(shù),誘發(fā)整體性失穩(wěn).