四川寶輪服務區(qū)降雨型滑坡活動過程分析

郭 斌，賈 燕，梁 彧，紀志陽

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅，蘭州 730000；2.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

對于中國而言，滑坡災害的分布范圍相對較廣，并且有著嚴重的危害性。尤其在四川等地區(qū)，滑坡災害的發(fā)生受降雨的影響顯著，甚至成為該地區(qū)誘發(fā)滑坡的主要因素?；碌漠a生常常與降雨的作用密切相關[1]。由于受到降雨條件的影響，大量地表水入滲，導致斜坡土體內部的孔隙水壓力急劇增大，在滑動面應力與抗剪強度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象[2-3]。在受到自重力的影響下，滑坡體出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，進而引發(fā)滑坡災害[4-5]。

關于降雨誘發(fā)滑坡發(fā)生發(fā)展方面的研究，國內外一些專家學者展開了深入的研究與分析。其中，邵山等[6]通過借助GIS技術以及系數(shù)法研究方式對大量滑坡數(shù)據分析之后，并對滑坡的分布、穩(wěn)定性進行了研究，并提出了不同的致災因子；另外，文海家等[7]、蘇燕等[8]，李秀珍等[9]，通過概括降雨型滑坡的主要類型、特征以及控制因素，基于室內人工降雨滑坡試驗模型，對不同降雨強度影響滑坡的機理進行了研究；此外，郜澤鄭[10]以不同地區(qū)為例，利用數(shù)據統(tǒng)計分析，結合監(jiān)測數(shù)據，對滑坡演化階段進行研究，確定了降雨誘發(fā)滑坡的預警閾值。在防治工程措施方面，降雨型滑坡首要控制主控因素-水，完善地表截排水系統(tǒng)[11]。在滑坡抗滑支擋加固措施方面，抗滑擋墻、普通抗滑樁、錨索抗滑樁、錨索框架及微型樁群等的到了很好的應用[12-13]。

從降雨誘發(fā)滑坡發(fā)生發(fā)展方面的國內外研究現(xiàn)狀分析來看，目前國內外學者研究主要集中在滑坡的致災因子誘發(fā)機制、影響機理及防治工程措施方面，關于運用有限元計算分析降雨型滑坡誘發(fā)過程的分析較少。本文以寶輪服務區(qū)1號滑坡為例，結合工程地質勘查資料，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析滑坡誘發(fā)機理。在此條件下，對滑坡問題的變形演化過程進行了研究，同時還建立了相應的滑坡力學模型，為該類滑坡治理設計方案提供了重要依據。

1 滑坡工程概況

寶輪服務區(qū)滑坡群的影響路線里程是K51+056～+523。在這一路段內，公路的總體走向大致為SE70°，路基的寬度為24.5 m，路基左右兩側為寶輪服務區(qū)。原設計右側服務區(qū)寬約75.0 m，主要以開挖為主，向山側開挖形成兩級邊坡，邊坡高約20.0 m；左側服務區(qū)寬約105.0 m，主要以填方改溝為主，最大填方高度為18.0 m。右側服務區(qū)及其匝道開挖而形成的邊坡原設計采用錨桿框架進行防護，坡率1∶0.75。由于滑坡范圍內寶輪服務區(qū)右側場坪斜坡在開挖較多，且在開挖過程及開挖后受多次強降雨的影響，2009年12月開挖到設計高程后，該滑坡開始部分滑動變形，在2010年7月20～24日連續(xù)暴雨后出現(xiàn)新的變形，淺層前級滑坡部分滑體已堆至原開挖處。目前1號滑坡變形明顯(圖1)。

圖1 1號滑坡形態(tài)特征圖Fig.1 1st Landslide morphological characteristics

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

該研究路段處于我國四川省境內的東北部，路段地處四川盆地北部邊緣位置，同時和秦嶺西部山區(qū)相毗鄰。通過對地貌成因以及組合形態(tài)特征做出分析之后，確定了滑坡區(qū)內的地貌類型為地處淺切割構造剝蝕溝谷底蓋，同時屬于斜坡地貌。

該路段的平均高程介于578～587 m。另外，由于滑坡群區(qū)內部的地形存在著不平順的問題，因而可以將滑坡區(qū)微地貌概括成“兩山夾一寬緩溝谷”地貌狀態(tài)。此外，該路段所經區(qū)域的總體地勢大體呈現(xiàn)出西南高、東北低的趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，滑坡后緣位置的高程635 m，前緣低點高程 560 m。該路段的坡面坡度存在著較大的差異，但總體介于5°～20°。1號滑坡的后緣位置是一個滑坡平臺，并呈現(xiàn)出負地形。

2.2 研究區(qū)巖性特征

據區(qū)域資料、挖探揭示及工程地質調繪，寶輪滑坡群區(qū)的上覆層主要是第四系崩坡積層。另外，還有滑坡堆積層的初露，一些地區(qū)存在大量的填筑土。對于新老地層的描述如下：

1.殘坡積成因分析

這一地層呈現(xiàn)出灰褐色以及淺黃色，另外還有少量的紫紅色以及淺灰色地層。此外，這一地區(qū)的碎石、塊石含量達到了60%～70%，成分主要為微風化礫巖和風化程度不均一的砂巖及少量泥巖。偶見粒徑較大的礫巖或砂巖塊石。

2.滑坡堆積成因分析

(1)碎石土：主要呈現(xiàn)出灰褐色以及淺黃色，同時還夾有一定量的紫紅色以及淺灰色，在顏色方面存在著雜亂的特點。另外，物質的成分不均勻，表現(xiàn)出松散的狀態(tài)。其中，碎石的含量達到了50%～70%。

(2)塊石土：主要呈現(xiàn)出淺灰色，還有一些地區(qū)呈現(xiàn)出淺黃色。另外，物質的成分不均勻，塊石的含量達到了70%～80%，粒徑地貌也表現(xiàn)出大小不一的特點。該層在滑坡群區(qū)內分布較少，偶見粒徑較大的礫巖或砂巖塊石。

(3)粉質黏土：主要呈現(xiàn)出紫褐色以及淺黃色，局部地區(qū)呈現(xiàn)出灰黑色。另外，土質相對均勻，有著較強的可塑性。該地區(qū)的角礫、碎石含量達到了30%左右。

第四系殘坡積主要是由于碎、塊石土的分布在其上部所導致，覆蓋的厚度不一，最深可達15.2 m。1號滑坡處該層出露較多。

3.填筑土

由于寶輪服務區(qū)左側場坪的回填，在該滑坡群前緣堆有大量填筑土，最大厚度達到了18.0 m左右。另外，地層中含有大量的碎塊石土以及粉質黏土等成分，表現(xiàn)為淺黃色、紫褐色。

4.侏羅系中統(tǒng)千佛崖組泥巖、砂巖、礫巖

(1)砂巖：主要呈現(xiàn)出淺灰色以及淺灰白色。土層主要以砂質結構為主，巖石相對堅硬，有著較高的強度。此外構造方面相對明顯，有著較為清晰的層理。

(2)泥巖：主要呈現(xiàn)出深灰色以及紫紅色，另外該地區(qū)的土壤主要由黏土礦物質所組成，在受到強風化條件的影響下，碎塊石土較多，主要分布在強風化底部，分布較連續(xù)，較堅硬。

(3)礫巖：主要呈現(xiàn)出淺灰色以及淺黃色，另外該地區(qū)的礫石粒度偏大，卵石、角礫含量大于60%，填隙物為砂、粉砂、黏土物質。

2.3 水文地質特征

該地質災害區(qū)域內的年平均降雨量相對較大，一些地區(qū)甚至達到了1 118.2 mm/a。另外，在滑坡后緣位置處，存在著較大面積的匯水區(qū)域，此外由于受到堆積層的影響，導致了降落在地表的雨水主要沿著坡面排入到左側的沖溝內，還有一部分雨水直接滲入到坡體內部進而構成了地下水。現(xiàn)在，主要對區(qū)域內部的水文地質特征進行分述與概括：

(1)地表水

之所以該區(qū)域存在著嚴重的滑坡、高邊坡病害，主要與地表水的補給有著重要的關系，由于該地區(qū)的降水量相對較大，再加之坡體巖層自身因素的影響，導致了雨季地表有大量的雨水滲入，進而在滑體的內部形成了大量的孔隙水。另外，該地區(qū)地表存在著四季流水的現(xiàn)象，水量相對較大，因而會產生自然沖溝等現(xiàn)象。

(2)地下水

通過對寶輪服務區(qū)的地下水狀況進行分析之后，再結合地下水賦存狀況以及當?shù)氐乃硇再|，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內的地下水主要以堆積層的孔隙水形式為主，同時還有大量的基巖裂隙水等等。對于基巖裂隙水的分析表明，基巖裂隙水的補給大多來自于當?shù)氐慕涤?，另外大氣凝結水也是重要的補給形式之一。

該區(qū)域內的地下水，主要受到斷裂、裂隙以及基巖的影響而發(fā)生地表徑流現(xiàn)象。地下水活動期間，將導致軟弱面巖石出現(xiàn)軟化問題，進而造成了巖土強度的下降，最終引發(fā)了滑坡等一系列的地質災害。

2.4 氣象條件

通過查閱當?shù)氐臍庀筚Y料發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)域屬于典型的亞熱帶濕潤性氣候，區(qū)域內常年溫和濕潤，四季相對分明。另外，該區(qū)域的多年平均氣溫甚至達到了16.0 ℃，還有一些年份的最高溫度達到了16.9 ℃，最低年溫度達到了15.2 ℃。總體而言，一月份的氣溫最低，七月份的氣溫最高。

另外，研究發(fā)現(xiàn)工程區(qū)域內的年降水量分配有著顯著的季候性特點，在一些多雨的年份中，平均降雨量可以達到1 118.2 mm。最近幾年中，由于受到氣候變化等因素的影響，平均降雨量985 mm，這與往年相比有大幅下降。但是，暴雨季節(jié)的來臨經常導致洪水災害的發(fā)生，并進一步造成了邊坡崩塌、滑坡以及泥石流等問題。

2.5 滑坡變形特征

由于滑坡后緣位置的裂縫存在貫通性特點，滑坡的后壁相對明顯(圖2)，裂縫(后壁)呈折線型延伸長達130.0 m，整體走向為NW 60°～70°，主要沿層理面開裂下錯，后壁可見明顯滑動擦痕，指向NE 30°左右，傾角57°～70°，后壁高達9.0 m。滑坡左側裂縫與后緣裂縫聯(lián)系，已發(fā)展至坡口線附近，整體走向為NE 60°左右，下錯達15.0 m，延伸長達200.0 m?；掠覀茸冃蜗鄬^小，在滑坡出口一線泥巖、砂巖巖體已沿炭質泥巖層理面張開(圖3)，松弛變形明顯。在前級滑坡后緣位置處，附近區(qū)域存在著大量的裂縫，最大下錯深度達到了1.5 m，寬度方面達到了0.8 m，大體走向是NW60°。

圖2 滑坡后壁Fig.2 Back wall of landslide

由于滑坡的整體滑動變形，滑坡中后部鉆孔ZK2-2、ZK3-2附近地形下沉明顯，略有反翹，形成了滑坡平臺，在鉆孔ZK1-2后部可見積水。前級滑坡變形最為明顯，目前已經滑動變形，滑體物質堆于已開挖服務區(qū)右側場坪，且在坡腳及滑坡出口附近可見少量滲水。

圖4 寶輪滑坡Ⅱ-ⅡZK2-0～ZK2-3剖面圖Fig.4 Section Ⅱ-ⅡZK2-0～ZK2-3 of the baolun Landslide

圖3 滑坡右側松弛巖體Fig.3 The loose rock mass on the right side of the landslide

3 降雨滑坡誘發(fā)機理與滑坡活動過程及特征分析

3.1 有限元模型建立

具體研究過程中，首先進行了詳細的地質勘查工作，同時還對滑坡病害的防治措施做出了研究。在此基礎上，為進一步明確該降雨型滑坡的變形機理，以便替該處滑坡的治理工作提供可靠的理論依據。本文選取邊坡主滑方向Ⅱ-ⅡZK2-0-ZK2-3剖面為研究對象，計算模型依照工程實例創(chuàng)建，包含該地區(qū)的主要地質構造(圖4)。借助于FLAC3D等相關的軟件，建立起相應的滑坡區(qū)域計算模型，并對此類問題做出了詳細的模擬，對模型邊界進行適當?shù)恼{整，擴大模型范圍，并做出了網格劃分，模型如圖5所示。其中，1表征的是粉質黏土，2表征的是碎石土，3表征的是礫巖，4表征的是礫巖夾泥巖。

3.2 計算工況及模型參數(shù)

本次利用數(shù)值計算分析探討寶輪服務區(qū)降雨型滑坡誘發(fā)過程。因此，根據滑坡的實際情況，計算中包含如下幾種工況：工況一：天然狀態(tài)下滑坡變形演化計算；工況二：飽水狀態(tài)下滑坡變形演化計算。

圖5 網格劃分圖Fig.5 Grid map

為更合理的確定滑坡的過程計算分析，采用綜合手段確定各土層的抗剪強度指標。具體方法為：(1)根據地質勘察報告對土層的描述及現(xiàn)場調查情況，結合室內試驗，以及相關規(guī)范、經驗值等綜合因素進行反算，初步判定抗剪強度指標的取值范圍；(2)參考相關規(guī)范及《工程地質手冊》驗證其參數(shù)是否合理。最終，在上述工作的基礎上，對該地區(qū)的土層天然重度進行研究，并選取了適當?shù)膸r土彈性模量。其中，表1為研究過程中不同物理力學參數(shù)的取值狀況。

表1 物理力學參數(shù)取值

在本次的模擬過程中，分別將不同滑體的材料以及該區(qū)域的基巖材料當作基本的彈塑性材料，同時模擬環(huán)節(jié)中主要應用了摩爾-庫侖模型(圖6)。

圖6 三維計算模型縱剖面Fig.6 3D calculation model longitudinal section

3.3 計算結果及變形機理分析

3.3.1模擬計算結果

圖7和圖8分別采用FLAC3D軟件計算得到天然和飽水狀態(tài)下坡體位移云圖，圖9和圖10分別是天然和飽水狀態(tài)下坡體剪應變增量云圖。

3.3.2坡體位移分析

由圖7、圖8位移云圖可以看出：在天然狀態(tài)下，坡體整體位移較小，最大位移值不到1 cm，坡體位移最大影響區(qū)主要集中在坡體的前緣部；在降雨飽水狀態(tài)下，邊坡整體位移值增大，變形范圍加劇，坡體整體位移變形值介于10～20 cm，其最大位移值比天然狀態(tài)下增大20倍，坡體位移變化集中在2號擋墻的前緣部位。并且滑坡位移呈現(xiàn)出明顯的順層滑坡特征，上層土體基本沿礫巖層表面進行滑動。

圖7 天然狀態(tài)下的位移云圖Fig.7 Displacement cloud map in natural state

圖8 飽水狀態(tài)下的位移云圖Fig.8 Displacement cloud map in saturated state

區(qū)域內的降雨量相對較大，同時經常出現(xiàn)一些強降雨等惡劣天氣，因而地表有大量的水分會滲入到滑體的內部，進而導致了巖體的容重發(fā)生變化，并且在強度方面也有大幅的降低，特別是入滲水對滑帶土、巖的軟化，使滑帶的強度指標降低，為滑體的滑動變形提供了基礎。此外，強降雨時，短時間內不能完全的滲透到地下的雨水，以地表徑流的方式進行排泄，會對土體造成嚴重的侵蝕。

3.3.3剪應變分析

一般條件下，剪應變增量云圖多反映的是研究區(qū)域內土體的受力情況，即在受到剪應變的作用下，剪切變形可能發(fā)生的區(qū)域和位置[14]。在圖8、圖9剪切應變增量云圖中可以看出：天然狀態(tài)下坡體整體相對穩(wěn)定，但是滑坡前緣部位下方存在較為明顯的潛在滑動面?；潞蟊趲r土體也存在潛在的滑動面。在降雨飽水狀態(tài)下，滑坡前緣部的滑動帶范圍較天然狀態(tài)下更大更長，同時滑坡后壁的滑動帶也有增大。

圖9 天然狀態(tài)下的剪切應變增量云圖Fig.9 Cloud map of shear strain incremental in natural state

圖10 飽水條件下剪切應變的增量云圖概況Fig.10 Cloud map of shear strain incremental in saturated state

3.4 滑坡形成過程及其特征

顯然，滑帶及滑面的位置明顯表現(xiàn)出順層滑坡的特征。

結合現(xiàn)場的地質調查和室內相關土工試驗結果，對邊坡變形破壞機制進行分析：

(1)邊坡變形破壞之前，當?shù)赜羞B續(xù)強降雨，并且結合現(xiàn)場的地形地貌，后緣匯水條件良好，同時由于高速公路和寶輪服務區(qū)的修建，在滑坡前緣開挖，切斷巖層，削弱抗滑段，形成新的臨空面，這為邊坡發(fā)生變形破壞提供一個良好的誘發(fā)條件。

(2)在強降雨和雨水匯集的情況下，雨水入滲，坡體內部巖土體含水率增加，增大了坡體的剪切應力，同時雨水對巖土體有潤滑軟化作用，降低了巖土體的強度，因為黏土夾層對水敏感性強，在被入滲的雨水軟化后，其強度降低幅度較大，于是形成了相對隔水但遇水極易軟化成為滑床的泥化夾層。這一點可以在(3.3)中FLAC3D的模擬圖中反映出來。

(3)隨著強降雨的進一步發(fā)展，坡體飽水程度增大，此時邊坡持續(xù)變形。后緣出現(xiàn)拉裂縫，這為降雨的進一步入滲和坡體內部巖土體軟化(特別是泥化夾層)提供了條件。從圖2和圖3可以明顯看出。

(4)當強降雨持續(xù)進行時，黏土層含水率增加，軟化程度增高，塑性變形區(qū)增加，此時后緣坡體出現(xiàn)下錯，前緣鼓脹隆起，表明坡體變形已經進入累進性破壞。

(5)隨著降雨的持續(xù)入滲，泥化夾層含水率進一步增加，軟化程度進一步提高，而含水量的變化對泥化夾層的強度有很大的影響，在泥化夾層的含水量達到一定程度時，泥化夾層的強度會驟然下降，因而導致邊坡滑動，最終形成滑坡。

4 結論

(1)寶輪服務區(qū)降雨型滑坡，屬典型存在相對隔水但遇水極易軟化成為滑床的炭質泥巖層的特殊順傾層狀坡體在不合理坡腳人工開挖與罕見強降雨的共同作用下誘發(fā)滑坡。經過分析可知該服務區(qū)的工程開挖和水文氣象對邊坡內部黏土夾層的形成起到至關重要的作用，工程開挖使得坡體松弛，同時地形地貌為雨水匯聚創(chuàng)造了條件，雨水滲入邊坡有了水源，間接增加了邊坡位置的雨量，為邊坡變形破壞提供了有利條件。在雨水入滲到黏土夾層后，黏土受雨水軟化，強度迅速降低，成為邊坡的潛在滑動面。

(2)結合FLAC3D模擬以及現(xiàn)場資料分析可以看出寶輪服務區(qū)降雨型滑坡具明顯的順層滑坡特征。