楊世豪,蘇立君,張崇磊,李丞,胡兵立
(1.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;中國科學(xué)院、水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041;2.中國科學(xué)院 青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心,北京 100101;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
昔格達(dá)地層為廣泛分布于中國西南地區(qū)的半成巖河湖相沉積地層,形成于晚更新世與上第三系之間,主要由粉砂土和黏土組成[1-2]。隨著工程活動(dòng)在昔格達(dá)地層分布區(qū)廣泛開展,其工程性質(zhì)引起學(xué)者關(guān)注。周平等[3]、王志杰等[4]研究發(fā)現(xiàn),昔格達(dá)地層巖土體水穩(wěn)性差,極易崩解。杜翔宇等[5]研究昔格達(dá)地層巖土體的微觀結(jié)構(gòu)特性,并對(duì)其強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系進(jìn)行闡述。因力學(xué)性質(zhì)特殊,昔格達(dá)地層分布區(qū)滑坡頻發(fā),相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。黃紹檳等[6]將昔格達(dá)滑坡歸為覆蓋層滑坡、昔格達(dá)基底滑坡和昔格達(dá)組層面滑坡3類。丁文富等[7]提出,昔格達(dá)地層與上覆松散堆積層的接觸界面、與下伏地層的界面以及層間軟弱沉積結(jié)構(gòu)面是該地層中主要的不良結(jié)構(gòu)面。綜上,昔格達(dá)地層邊坡多為層狀結(jié)構(gòu)且滑面多位于不同土層接觸面上。
降雨是常見滑坡誘發(fā)因素[8],對(duì)昔格達(dá)地層巖土體遇水軟化的特殊土體而言,這種作用尤為顯著。降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的主要影響在于土體孔隙水壓力增加造成抗剪強(qiáng)度降低[9]。此外,雨水入滲將在邊坡表層巖土體形成暫態(tài)飽和區(qū),使該區(qū)域土體自重增加,下滑力增大,邊坡穩(wěn)定性降低[10]。White等[11]的研究采用降雨條件下土體體積含水率、孔隙水壓力的變化規(guī)律來表征邊坡的滲流特性。鑒于降雨入滲會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響,相關(guān)研究建立了邊坡滲流特性與穩(wěn)定性的關(guān)系[12]。張建等[13]對(duì)降雨觸發(fā)淺層坡體失穩(wěn)的遲滯現(xiàn)象及其與土質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究。層狀邊坡滲流規(guī)律較均質(zhì)邊坡更復(fù)雜。韓同春等[14]認(rèn)為,濕潤鋒至接觸面時(shí),引起接觸面孔隙水壓力上升是滑坡主要誘因。馬吉倩等[15]通過數(shù)值模擬方法,得到降雨條件及坡積土層厚度對(duì)含水率、孔隙水壓力沿高程分布的影響規(guī)律。石振明等[16]通過改進(jìn)Green-Ampt模型,提出考慮降雨入滲的多層非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析方法。上述研究闡述了層狀邊坡降雨滲流特征與穩(wěn)定性變化規(guī)律。
昔格達(dá)地層邊坡多為層狀邊坡,但目前針對(duì)降雨入滲作用下昔格達(dá)地層邊坡內(nèi)部滲流場(chǎng)分布規(guī)律研究較少。以四川省雅安市石棉縣莫家崗滑坡為例,利用有限元方法模擬經(jīng)歷降雨邊坡內(nèi)滲流過程,并以Morgenstern-Price方法計(jì)算邊坡各時(shí)刻穩(wěn)定性系數(shù)。通過研究坡內(nèi)滲流特點(diǎn)及邊坡在降雨作用下穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律,為昔格達(dá)地層滑坡治理提供參考。
降雨入滲實(shí)質(zhì)為坡內(nèi)土體含水率上升,由非飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)發(fā)展的過程。入滲過程中,含水率隨深度分布可分為4部分,即:淺層飽和帶、含水率變化較大的過渡帶、含水率均勻分布的傳導(dǎo)帶和濕潤度隨深度減小的濕潤區(qū),濕潤區(qū)前緣為濕潤鋒[17]。
坡體中,水的運(yùn)動(dòng)基本方程為根據(jù)達(dá)西定律及質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)得到的RICHARDS方程[18]。
式中:x為水平方向;z為豎直方向;hm為基質(zhì)吸力水頭;k(hm)為非飽和土滲透系數(shù)函數(shù);C(hm)為比水容量及水土特征曲線斜率;t為時(shí)間。其中,非飽和土滲透系數(shù)k(hm)有別于飽和土,達(dá)西定律中,k(hm)等于常數(shù)滲透系數(shù),為與體積含水率相關(guān)的函數(shù),反映非飽和土中的水力關(guān)系對(duì)滲流的影響。
Morgenstern-Price法可對(duì)任意形狀滑動(dòng)面進(jìn)行求解,同時(shí),滿足豎向力、水平力及力矩的平衡,是一種常用極限平衡求解方法?;居?jì)算原理為,假定兩相鄰?fù)翖l的法向條間力和切向條間力之間存在一對(duì)水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系,根據(jù)整個(gè)滑動(dòng)土體邊界條件進(jìn)行迭代,求出問題的解[7]。作為典型的復(fù)雜條分法,其計(jì)算過程比一般條分法復(fù)雜,但計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,因而,適用于利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行求解。
莫家崗滑坡位于石棉縣美羅鄉(xiāng)獅子村4組,后緣地理坐標(biāo):N29°17′07.9″,E102°26′52.8″,主滑方向?yàn)?84°,剖面呈上陡下緩形態(tài),主滑方向坡高80 m,總體坡度16°,為中型淺層土質(zhì)滑坡。坡體為典型層狀結(jié)構(gòu),上部為第四系全新統(tǒng)殘坡積物(Q4el+dl),黃褐色粉質(zhì)粘土,局部夾碎塊石,厚度1.0~4.0 m;下部為第三系中統(tǒng)昔格達(dá)組粉砂土,強(qiáng)度較差;基巖為第三系中統(tǒng)昔格達(dá)組粉砂巖。
由試驗(yàn)測(cè)得,滑坡中第四紀(jì)殘坡積物及昔格達(dá)組粉砂土相關(guān)參數(shù)見表1。殘坡積物水土特征曲線由軟件內(nèi)置樣本函數(shù)擬合;昔格達(dá)粉砂土水土特征曲線由粒徑級(jí)配曲線擬合。兩類土滲透系數(shù)函數(shù)根據(jù)相應(yīng)土壤水分特征曲線,由V-G模型擬合[19],昔格達(dá)組粉砂土粒徑級(jí)配曲線如圖1所示,兩類土水土特征曲線及滲透系數(shù)函數(shù)曲線如圖2所示。
表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters
圖1 昔格達(dá)組砂土粒徑級(jí)配Fig.1 Particle size distribution of Xigeda Formation soil
圖2 兩種土水土特征曲線及滲透系數(shù)曲線Fig.2 SWCC & permeability coefficient curve
采用Geo-studio中的seep/w模塊計(jì)算邊坡滲流規(guī)律,geostudio是適用于巖土工程數(shù)值模擬的計(jì)算軟件,seep/w為軟件內(nèi)專門用于非飽和土滲流計(jì)算的分析模塊。seep/w可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)滲流計(jì)算分析,可以獲得土體內(nèi)部孔隙水壓力、體積含水率等指標(biāo)的空間及時(shí)間變化規(guī)律。此外,seep/w模塊的計(jì)算結(jié)果可與其他模塊進(jìn)行耦合計(jì)算,如與SLPOE/W耦合,獲得考慮邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力空間以及時(shí)間分布條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。
莫家崗滑坡平面圖利用無人機(jī)航拍圖像獲得,如圖3所示,剖面圖如圖4所示,其中,剖面圖參考文獻(xiàn)[20]。坡體地下水位以上網(wǎng)格尺寸為1 m,以下網(wǎng)格尺寸為5 m。坡頂、坡中及坡腳設(shè)置A、B、C三處觀測(cè)面。穩(wěn)態(tài)分析中,模型上表面為自由邊界,兩側(cè)及底部為不透水邊界。瞬態(tài)分析包括降雨和不降雨兩段,其中,降雨期間,坡體表面設(shè)為單位流量邊界,流量等于降雨量,雨停后為自由邊界。
結(jié)合石棉縣當(dāng)?shù)厍闆r及中國氣象局關(guān)于降雨強(qiáng)度的劃分標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定模擬共歷時(shí)7 d,前4天為降雨過程,降雨強(qiáng)度分別設(shè)為工況1大暴雨(0.006 m/h)和工況2大雨(0.001 6 m/h)兩種,后3天無降雨作用。
圖3 莫家崗滑坡平面圖Fig.3 Plane map of Mojiagang landslide
圖4 莫家崗滑坡剖面圖(單位:m)Fig.4 Profile of Mojiagang landslide(unit:m)
3.1.1 坡頂監(jiān)測(cè)面 圖5、圖6為兩種工況下模擬過程監(jiān)測(cè)面A的含水率分布。在大暴雨工況下,t=48 h,坡體出現(xiàn)飽和區(qū),隨降雨持續(xù),飽和區(qū)擴(kuò)大;t=96 h,最大入滲深度約3 m,飽和區(qū)深度達(dá)2 m;雨停后,飽和區(qū)消散,雨水繼續(xù)入滲。t=168 h,入滲深度達(dá)3.5 m。A處滲流僅發(fā)生在覆蓋層中,為均質(zhì)土體中滲流。降雨時(shí),含水率沿深度分布曲線含飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)、濕潤區(qū)及濕潤鋒,與張建等[13]的結(jié)論一致。雨停后,高程87.5 m以上同深度含水率,隨時(shí)間延長而減少;高程87.5 m以下同深度含水率,隨時(shí)間延長而增大,濕潤鋒深度增加。在大雨工況條件下,降雨入滲總深度明顯減小,t=96 h時(shí),降雨入滲深度僅為2 m,但與大暴雨工況下的滲流場(chǎng)特征相對(duì)比,可以看出,在降雨結(jié)束后,大雨工況條件下,雨水的入滲深度及同深度處的含水率都在繼續(xù)增長。
圖5 大暴雨工況下坡頂監(jiān)測(cè)面A體積含水率分布圖Fig.5 The water content distribution with elevation on section A in situation 1
圖6 大雨工況下坡頂監(jiān)測(cè)面A體積含水率分布圖Fig.6 The water content distribution with elevation on section A in situation 2
3.1.2 坡中監(jiān)測(cè)面含水率 圖7、圖8為兩種工況下模擬過程監(jiān)測(cè)面B的含水率分布。在大暴雨工況下,0 圖7 大暴雨工況下坡中監(jiān)測(cè)面B體積含水率分布圖Fig.7 The water content distribution with elevation on section B in situation 1 圖8 大雨工況下坡中監(jiān)測(cè)面B體積含水率分布圖Fig.8 The water content distribution with elevation on section B in situation 2 3.1.3 坡腳監(jiān)測(cè)面含水率 圖9、圖10為兩種工況下模擬過程監(jiān)測(cè)面C的含水率分布。坡腳覆蓋層厚度1.04 m,t=48 h時(shí),覆蓋層已飽和,且雨水滲入昔格達(dá)地層中;t=96 h時(shí),雨水最終入滲至粉砂土層內(nèi)約3 m。因入滲深度范圍內(nèi)兩種土體滲透性質(zhì)不同,含水率分布曲線分層明顯。降雨過程中,覆蓋層迅速飽和,因而,從t=48 h開始,該層土體處于飽和狀態(tài);雨停后,層面附近,殘坡積物含水率約0.35,昔格達(dá)組粉砂土含水率約0.17,表明,雨停后層面附近土體含水率較高。在大雨工況下,由于坡腳覆蓋層厚度較薄,降雨期間,雨水已經(jīng)滲透至昔格達(dá)地層內(nèi)部,但由于入滲量較小,未形成明確分區(qū)。與大暴雨工況下的滲流場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn),在降雨結(jié)束后,水分在坡體內(nèi)的最大入滲深度仍在不斷增加,且同深度處的土體含水率不斷增加。 圖9 大暴雨工況小坡腳監(jiān)測(cè)面C體積含水率分布圖Fig.9 The water content distribution with elevation on section C in situation 1 圖10 大雨工況下坡腳監(jiān)測(cè)面C體積含水率分布圖Fig.10 The water content distribution with elevation on section C in situation 2 3.2.1 坡頂監(jiān)測(cè)面孔隙水壓力變化情況 圖11、圖12為兩種工況下模擬過程中監(jiān)測(cè)面A孔隙水壓力分布情況。兩種工況下,A處滲流均發(fā)生在覆蓋層中,為均質(zhì)土體中滲流。在大暴雨工況下,雨水入滲深度范圍內(nèi),孔隙水壓力持續(xù)增長,土體發(fā)生孔隙水壓力增長范圍勻速拓展;由圖11、圖12可知,對(duì)于均質(zhì)土體,雨停后,孔隙水壓力隨高程分布曲線可分為兩個(gè)段,高程87.5 m以上土體中孔隙水壓力消散;87.5 m以下土體中濕潤鋒深度增加,同深度孔隙水壓力增加。在大雨工況下,水分滲透滲透深度更小,因此,全過程僅發(fā)生在上層覆蓋物中??梢钥闯觯M全過程土體中,孔隙水壓力始終在逐漸增大,但未達(dá)到正值。 圖11 大暴雨工況小坡頂監(jiān)測(cè)面A孔隙水壓力分布圖Fig.11 The pore water pressure distribution with elevation on section A in situation 1 圖12 大雨工況下坡頂監(jiān)測(cè)面A孔隙水壓力分布圖Fig.12 The pore water pressure distribution with elevation on section A in situation 2 3.2.2 坡中監(jiān)測(cè)面孔隙水壓力變化情況 圖13、圖14為兩種工況下模擬過程中監(jiān)測(cè)面B孔隙水壓力分布。在大暴雨工況下,0 圖13 大暴雨工況下坡中監(jiān)測(cè)面B孔隙水壓力分布圖Fig.13 The pore water pressure distribution with elevation on section B in situation 1 圖14 大雨工況下坡中監(jiān)測(cè)面B孔隙水壓力分布圖Fig.14 The pore water pressure distribution with elevation on section B in situation 2 3.2.3 坡腳監(jiān)測(cè)面孔隙水壓力變化情況 圖15、圖16為兩種工況下模擬過程中監(jiān)測(cè)面C孔隙水壓力分布。在大暴雨工況下,因覆蓋層厚度僅1.04 m,t=48 h時(shí),昔格達(dá)組粉砂土中出現(xiàn)飽和區(qū),孔隙水壓力增長至正值,層面附近孔隙水壓力增長范圍加速拓展;由圖15、圖16可知,因兩種土質(zhì)滲流特性差異,雨停后,坡內(nèi)孔隙水壓力隨高程分布曲線存在分區(qū),分區(qū)特征與坡中監(jiān)測(cè)面B類似,覆蓋層中,近坡體表面孔隙水壓力減少明顯;昔格達(dá)粉砂土地層中,t=96 h時(shí),昔格達(dá)粉砂土中含水率曲線飽和區(qū)與過渡區(qū)交點(diǎn)為同時(shí)刻坡內(nèi)孔隙水壓力最大部位,該深度以下同深度孔隙水壓力隨時(shí)間增長而增長,濕潤鋒深度加大。在大雨工況下,孔隙水壓力隨降雨過程的發(fā)展而不斷增長,但在t=96 h時(shí),土體內(nèi)部最大孔孔隙水壓力仍未達(dá)到正值,降雨結(jié)束后,由于土體中水分繼續(xù)入滲,孔隙水壓力逐漸增長為正值。 圖15 大暴雨工況下坡腳監(jiān)測(cè)面C孔隙水壓力分布圖Fig.15 The pore water pressure distribution with elevation on section C in situation 1 圖16 大雨工況下坡腳監(jiān)測(cè)面C孔隙水壓力分布圖Fig.16 The pore water pressure distribution with elevation on section C in situation 2 參考對(duì)層狀結(jié)構(gòu)邊坡滲流特性的相關(guān)研究成果,并結(jié)合《工程地質(zhì)手冊(cè)》等資料,對(duì)普通巖土體相關(guān)參數(shù)的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn),與普通層狀結(jié)構(gòu)土質(zhì)邊坡相比,昔格達(dá)地層邊坡中,上層松散堆積物覆蓋層的滲透系數(shù)及飽和含水率的參數(shù)與下層昔格達(dá)地層巖土體的滲透系數(shù)及飽和含水率值之間的差距更大。這種層狀結(jié)構(gòu)邊坡中,上下層土體之間在滲透系數(shù)以及飽和含水率等參數(shù)相差懸殊的特點(diǎn),使得昔格達(dá)地層層狀結(jié)構(gòu)邊坡在經(jīng)歷降雨過程時(shí),在土層交界面處土體含水率以及孔隙水壓力的突變較普通層狀結(jié)構(gòu)土質(zhì)邊坡更為劇烈,突變量值更大。 昔格達(dá)地層層狀結(jié)構(gòu)邊坡所具有的相較于普通層狀結(jié)構(gòu)土質(zhì)邊坡更為劇烈的土層交界面處,土體含水率以及孔隙水壓力的突變表明,該類邊坡更易在土層交界面附近形成高含水率區(qū)域,且該區(qū)域內(nèi)含水率更高,持續(xù)時(shí)間更久,消散更緩慢,這一特點(diǎn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成較大影響。首先,由于接觸面附近持續(xù)處于高含水率狀態(tài),降雨結(jié)束后,邊坡內(nèi)部仍會(huì)持續(xù)發(fā)生雨水滲流過程,使得邊坡安全系數(shù)持續(xù)下降,其滯后性較普通層狀結(jié)構(gòu)土質(zhì)邊坡更為明顯。其次,由于地層接觸面附近的覆蓋層土體含水率較高,且不能較快消散,相較于普通層狀結(jié)構(gòu)土質(zhì)邊坡,昔格達(dá)地層層狀結(jié)構(gòu)邊坡土體內(nèi)部水分更易發(fā)生沿土層接觸面的流動(dòng),對(duì)邊坡內(nèi)部土顆粒產(chǎn)生較大滲流力,甚至對(duì)土體顆粒產(chǎn)生淘蝕。 圖17為兩種工況條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨入滲的變化曲線。由圖17可知,兩種工況下,邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律基本一致,降雨期間,穩(wěn)定性系數(shù)持續(xù)下降,下降速率先增大后減小,反映出雨水入滲至坡體不同部位時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律不同;24 h 根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論,莫家崗滑坡為受歷時(shí)長的強(qiáng)降雨誘發(fā)的昔格達(dá)地層牽引式滑坡,滑面位于基覆界面部位,其變形過程與降雨過程密切相關(guān)。研究區(qū)滑坡最早發(fā)生于2008年汛期,降雨導(dǎo)致斜坡后緣巖土體發(fā)生強(qiáng)烈變形;2012年雨季斜坡后緣再次產(chǎn)生張拉裂縫;受暴雨影響,2013年7月斜坡發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)烈變形,形成局部錯(cuò)臺(tái),斜坡中下部變形十分明顯,附近鄉(xiāng)村公路受路基出現(xiàn)不均勻沉降;2014年7月,研究區(qū)突降暴雨,致使斜坡局部強(qiáng)烈變形;2014年8月,研究區(qū)持續(xù)強(qiáng)降雨,斜坡體多處發(fā)生變形,斜坡后緣產(chǎn)生張拉裂縫[20]。 圖17 安全系數(shù)變化規(guī)律Fig.17 Safety factor versus time 結(jié)合滲流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果,可以將莫家崗滑坡破壞類型概述為兩種,即局部淺層滑塌以及深層牽引型滑坡。莫家崗滑坡為典型的層狀邊坡,雨水在邊坡中逐層滲入,降雨入滲,首先對(duì)邊坡上層第四紀(jì)殘坡積物覆蓋層產(chǎn)生影響,造成覆蓋層土體處于飽和狀態(tài),加之表層土體受人類活動(dòng)改造劇烈,易引起局部淺層滑塌。結(jié)合滲流場(chǎng)模擬結(jié)果以及邊坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以對(duì)邊坡深層牽引型滑坡的破壞機(jī)理做出解釋:邊坡中下部第四紀(jì)殘坡積物覆蓋層厚度較薄,降雨可滲流至下層昔格達(dá)組地層中,且由于兩種土體的水土性質(zhì)差異懸殊,造成界面處長期處于高含水率狀態(tài),由于昔格達(dá)地層土體力學(xué)性質(zhì)差,在長期受雨水作用下,易造成坡體下部巖土體發(fā)生滑面位于土層交界面的變形破壞,因而,邊坡強(qiáng)烈變形多發(fā)生于坡體中下部。坡體上部覆蓋層土體厚度較大,雨水不易滲入下層昔格達(dá)地層中,因此,上部坡體能保持較好完整性,但由于下部坡體力學(xué)性質(zhì)不斷減弱,上部坡體抗力減少,整體受牽引下滑,后緣產(chǎn)生拉裂縫。 1)昔格達(dá)地層邊坡多為層狀結(jié)構(gòu),該工程為上覆第四紀(jì)坡殘積物的昔格達(dá)組粉砂土邊坡;降雨過程中,雨水在坡體中逐層入滲;雨停之后,入滲過程仍將持續(xù),但殘坡積物與昔格達(dá)組粉砂土中含水率及孔隙水壓力分布特征有明顯差異。 2)土層交界面處含水率、孔隙水壓力變化明顯;界面上部土體長期處于高含水率狀態(tài),使昔格達(dá)地層靠近界面處土體長期受水分軟化作用,易形成軟弱夾層,誘發(fā)滑面位于界面的滑坡;土體中孔隙水壓力發(fā)生增長的影響范圍在界面附近會(huì)加速拓展,使邊坡抗滑力減弱,導(dǎo)致穩(wěn)定性系數(shù)加速降低。 3)降雨入滲導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低,當(dāng)雨水入滲至坡體不同部位時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律;降雨結(jié)束后,穩(wěn)定性系數(shù)不會(huì)立即回升,表明邊坡對(duì)降雨入滲的響應(yīng)存在滯后性。3.2 降雨作用下邊坡孔隙水壓力變化情況
3.3 昔格達(dá)地層層狀結(jié)構(gòu)邊坡滲流特征討論
3.4 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化情況
3.5 邊坡破壞機(jī)理分析
4 結(jié)論