遵義市匯川區(qū)新田滑坡成因機理分析*

解 超，高福興，趙振遠，羊永夫

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550002）

新田滑坡位于貴州省遵義市匯川區(qū)山盆鎮(zhèn)新華村廟崗組，屬于降雨誘發(fā)型推移式滑坡。該滑坡經(jīng)多次降雨后，出現(xiàn)蠕滑跡象，后緣形成多條延伸長度為10～30m的張拉裂縫，滑坡中前部出現(xiàn)鼓脹，嚴(yán)重威脅滑坡區(qū)內(nèi)15戶共74人的生命及財產(chǎn)安全。潛在經(jīng)濟損失約449.7萬元。文中通過分析滑坡區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境條件、滑坡變形破壞特征，利用GeoStudio軟件，對滑坡滲流場-應(yīng)力場進行耦合分析研究，對貴州同類型降雨誘發(fā)型滑坡具有一定的參考價值。

1 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于貴州高原北部，處于黔北山原向黔中丘原過渡地帶，區(qū)內(nèi)海拔高程為590～700m，相對高程為110m，整體屬于侵蝕中低山河谷地貌?；聟^(qū)域為斜坡帶，滑坡區(qū)西南高、東北低，坡面呈階梯狀，以陡坎、斜坡及沖溝微地貌為主?；聟^(qū)植被分布不均衡，主要為耕地。

根據(jù)鉆探并結(jié)合現(xiàn)場地表調(diào)查，斜坡表面覆蓋為第四系（Qel+dl）殘坡積物，下伏基巖為侏羅系中下統(tǒng)自流井組（J1-2z），其巖性主要為紫紅色黏土巖夾細粒石英砂巖。巖芯多呈短柱狀、碎塊狀，少許呈長柱狀，強風(fēng)化層較厚。

工作區(qū)位于羌塘-揚子-華南板塊（一級構(gòu)造單元）、揚子陸塊（二級構(gòu)造單元）、上揚子地塊（三級構(gòu)造單元）、黔北隆起區(qū)（四級構(gòu)造單元）、畢節(jié)弧形褶皺帶內(nèi)（五級構(gòu)造單元），位于長崗向斜核部?？辈閰^(qū)受區(qū)域構(gòu)造影響，地層產(chǎn)狀略有變化，總體上巖體呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀100°∠12°，場區(qū)巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育。

2 滑坡基本特征

2.1 滑坡形態(tài)及規(guī)模

新田滑坡斜坡坡度為10～15°，主滑方向為55°。滑坡體長230m，前緣寬190m，中部寬186m，后緣寬140m，平面形態(tài)呈半圓狀，面積為3.6×104m2。前緣高程為609m，后緣高程為700m，縱向上呈“后緩-前陡”的地形，滑坡中部660～670m高程處，為滑坡強變形區(qū)。滑體厚度在前部最深，為8～11m；后部厚度為6～7m；中部較薄，為5～7m。滑體平均厚度為7.3m，滑坡整體體積約28.8×104m3，屬于中型滑坡[1]。

經(jīng)鉆探揭露，滑坡體物質(zhì)組成主要為上覆第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土：黃褐色，碎石、角礫含量為10%～20%，粒徑為0.2～5.0cm，厚2.6～3.0m；松散多孔的特征使其具備良好的透水性，大氣降水賦存堆積體中大大增加了坡體的自重。

滑帶第四系含碎石粉質(zhì)黏土與下伏基巖接觸帶，厚度在0.2～0.5m不等。鉆孔揭露滑面沿12～15°基巖層面延伸，局部鉆孔取得滑帶物質(zhì)為暗紅色軟塑狀粉質(zhì)黏土。

滑床為基巖，巖性為侏羅系下統(tǒng)自流井組（J1-2z）黏土巖、石英砂巖互層，屬軟硬互層巖組。地下水類型為基巖裂隙水，滲透性較弱，為相對不透水層。受構(gòu)造影響，巖層產(chǎn)狀在縱向上有變化，呈上陡下緩。

2.2 滑坡變形破壞特征

滑坡自2008年7月發(fā)生險情后，隨著降雨的不斷影響，目前已造成滑坡中部建筑物出現(xiàn)明顯的變形，地面形成鼓脹（鼓脹高度約0.3m）裂縫，坡體上出現(xiàn)較多裂縫。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)坡體上裂縫11條，隨著汛期雨水不斷下滲，坡體穩(wěn)定性下降，造成坡體上裂縫不斷發(fā)育，原有裂縫不斷延長，深度不斷加深，裂縫數(shù)量不斷發(fā)育，變形特征明顯?；虑安抗拿涀冃问疽鈭D如圖1所示，各裂縫特征如表1所示。

圖1 滑坡前部鼓脹變形

3 滑坡滲流場有限元數(shù)值模擬

采用GeoStudio中SEEP模塊對滑坡滲流場進行有限元的數(shù)值計算，可以了解滑坡孔隙水壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律及分布情況。通過觀察各時刻孔隙水壓力的變化情況，有助于分析滲流場的變化情況，研究滑坡滲流場的動態(tài)變化規(guī)律[2]。

表1 坡體裂縫特征描述

3.1 模型建立

選取新田滑坡主滑方向的典型工程地質(zhì)剖面，建立模型如圖2所示?；履Ｐ蜋M寬340m，高90m；模型網(wǎng)格劃分采用四邊形和三角形單元，共計劃分為5013個節(jié)點、4887個單元。各介質(zhì)采取用的土水特征曲線如圖3～圖5所示。綜合現(xiàn)場直接試驗和室內(nèi)土工試驗資料，獲得滑坡各類巖土體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 計算模型（單位：m）

圖3 滑坡體水土特征曲線

圖4 滑坡體水土特征曲線

圖5 滑坡體水土特征曲線

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

（1）計算步驟及邊界條件。計算采用SEEP/W模塊進行不同時刻的降雨滲流模擬，然后將計算得到的滑坡體內(nèi)各點孔隙水壓力導(dǎo)入SIGMA/W模塊中，進行應(yīng)力場分析。計算分析中的模型邊界條件：在SEEP/W模塊中設(shè)置斜坡表面為降雨入滲邊界，兩邊為固定水頭邊界，底部為不排水零流量邊界。

（2）計算方案。根據(jù)調(diào)查，滑坡體出現(xiàn)最大一次變形為2016年汛期，根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅拷y(tǒng)計，采用5d強降雨、降雨強度為25mm/d進行數(shù)值模擬分析。

3.2 降雨入滲過程

根據(jù)SEEP/W模擬5d的降雨過程，可將新田滑坡成因機理分為雨水垂直入滲階段、雨水向坡腳滲透階段和滲流通道形成階段三個階段。

（1）雨水垂直入滲階段（1～2d）。從降雨第一天到第二天孔隙水壓力與水流矢量圖來看，1～2d內(nèi)，降雨形成的地表水主要以垂直向下的入滲為主，并沒有形成向坡腳的滲流通道。雨水下滲速度也相對較小，滑體內(nèi)并未出現(xiàn)飽和區(qū)。此階段雨水對滑坡體主要起到了增加容重的作用。第二天孔隙水壓力云圖與水流矢量圖如圖6所示。

圖6 第二天孔隙水壓力云圖與水流矢量圖（單位：m）

（2）雨水向坡腳滲透階段（3～4d）。從降雨第三天到第四天孔隙水壓力與水流矢量圖來看，隨著雨水持續(xù)滲入，滑體內(nèi)出現(xiàn)飽和區(qū)，并不斷向下擴展。第四天，滑體后部土體飽和深度為2m左右。從水流方向可以看出，地表水存在垂直入滲和向坡腳滲流兩種運動方式，雨水在滑體中開始沿基覆界面向坡腳方向滲流，但未形成貫通。此階段主要為雨水加載和滲透動水壓力對滑坡體的作用。第四天孔隙水壓力云圖與水流矢量圖如圖7所示。

圖7 第四天孔隙水壓力云圖與水流矢量圖（單位：m）

（3）滲流通道形成階段（4～5d）。從降雨第四天到第五天孔隙水壓力與水流矢量圖來看，滑體后部已經(jīng)完全飽和，滑面處滲流通道已經(jīng)貫通，水流以向坡腳滲流為主，坡腳處滑帶土已完全飽和，下部滑帶處的地下水對滑體產(chǎn)生向上浮托力，阻滑段的抗阻能力隨之減弱。此階段主要為雨水的揚壓力和滲透動水壓力共同對滑坡體作用。第五天孔隙水壓力云圖與水流矢量圖如圖8所示。

圖8 第五天孔隙水壓力云圖與水流矢量圖（單位：m）

4 滑坡滲流場-應(yīng)力場耦合有限元數(shù)值模擬

由于持續(xù)降雨會引起坡體內(nèi)應(yīng)力場和應(yīng)變場發(fā)生改變，因此在計算模型中需要考慮持續(xù)強降雨下滑坡的應(yīng)力和應(yīng)變的變化。采用SIGMA/W模塊在天然狀態(tài)下計算模型的應(yīng)力場基礎(chǔ)上，再與SEEP/W模塊中的降雨滲流計算結(jié)果進行耦合計算。

4.1 數(shù)值模擬計算方案

將計算模型中各點的孔隙水壓力結(jié)果中導(dǎo)入SIGMA模塊中進行滲流場-應(yīng)力場耦合有限元數(shù)值模擬分析計算[3]。

（1）最小主應(yīng)力變化。降雨前后滑坡最小主應(yīng)力云圖如圖9、圖10所示。由圖可以看出，降雨前滑帶中后部處最小主應(yīng)力為-150～-100kPa，滑帶中部為-50kPa；降雨后滑帶中后部小主應(yīng)力增加至-100～-50kPa，滑帶中部處為0kPa?？梢姡涤陮?dǎo)致滑帶處最小主應(yīng)力增大，滑體局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖9 降雨前滑坡最小主應(yīng)力云圖（單位：m）

圖10 降雨后滑坡最小主應(yīng)力云圖（單位：m）

（2）最大剪應(yīng)力變化。降雨前后滑坡最大剪應(yīng)力云圖如圖11、圖12所示。由圖11和圖12可以看出，斜坡整體剪應(yīng)力基本與斜坡面平行向坡內(nèi)遞增分布。降雨前坡腳滑帶處為0kPa，中部滑帶出剪應(yīng)力值為100kPa；降雨后坡腳滑帶處增大為100kPa，中部滑帶出剪應(yīng)力值增大為200kPa?？梢?，降雨導(dǎo)致斜坡剪應(yīng)力也出現(xiàn)一定程度的增加。

圖11 降雨前滑坡最大剪應(yīng)力云圖（單位：m）

圖12 降雨后滑坡最大剪應(yīng)力云圖（單位：m）

（3）X、Y方向位移變化。降雨前后滑坡X方向位移圖如圖13、圖14所示，降雨前后滑坡Y方向位移圖如圖15、圖16所示。從圖13、圖14可以看出，降雨前斜坡X方向上的位移不明顯，主要集中在斜坡坡度較陡處，其位移量為0.005m；經(jīng)過5d的降雨，斜坡X方向上的位移整體均有所增大，其中滑坡后部和中前部最為明顯，最大位移量達0.035m，這與現(xiàn)場調(diào)查后部拉裂縫和前緣隆起位置相符。從圖15、圖16分析可知，降雨前滑坡Y方向無明顯位移；降雨5d后，斜坡前部有明顯正位移，其值為0.025m，是滑坡前部阻滑段在降雨后形成鼓脹變形產(chǎn)生的。

圖13 降雨前滑坡X方向位移圖（單位：m）

圖14 降雨后滑坡X方向位移圖（單位：m）

圖15 降雨前滑坡Y方向位移圖（單位：m）

圖16 降雨后滑坡Y方向位移圖（單位：m）

（4）最大剪應(yīng)變變化。降雨前后滑坡最大剪應(yīng)變云圖如圖17、圖18所示。從圖17、圖18可以看出，降雨前整個滑坡無明顯的剪應(yīng)變集中區(qū)域；經(jīng)過5d降雨后，最大剪應(yīng)變已從滑坡后部沿基覆界面貫通到坡腳，滑坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

圖17 降雨前滑坡最大剪應(yīng)變云圖（單位：m）

圖18 降雨后滑坡最大剪應(yīng)變云圖（單位：m）

5 結(jié)論及建議

通過對新田滑坡降雨滲流-應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，對新田滑坡的成因機理有如下認識：

（1）自然條件下，由于坡面坡度相對較緩，為12～15°，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在新田村村民對斜坡整體坡形進行局部改造后，斜坡應(yīng)力場發(fā)生輕微改變，在坡面陡低地方出現(xiàn)了應(yīng)力集中帶，斜坡依然處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）在極端降雨條件下，由于滑體滑床雙層結(jié)構(gòu)的存在，雨水在滑帶處出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，之后順坡向下滲透，形成從坡頂向坡腳滲透的動水壓力。在連續(xù)降雨3d后，滑帶后部處出現(xiàn)飽和區(qū)，之后雨水沿滑帶順坡向下滲流，形成從滑坡后緣向坡腳滲透的動水壓力。隨著降雨的持續(xù)，中后部的滑體基本處于飽和狀態(tài)?；w在動水壓力、雨水加載和強度軟化的共同作用下，滑面的剪應(yīng)變量逐步增大，并且從上向下擴展，最終貫通。因此，滑坡首先在后部失穩(wěn)啟動，推擠前部阻滑區(qū)。這與野外調(diào)查滑坡后部存在多條張拉裂縫、前緣出現(xiàn)鼓脹裂縫相符。

綜上分析，降雨是滑坡失穩(wěn)的主要因素，滑動破壞基本模式為推移式滑坡。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本相符[5]。