基于非飽和土理論的黃土滑坡降雨預(yù)警模型

胡佳武，毛東升，黃 健，王昌明

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；3.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610065)

0 引 言

降雨作為引發(fā)滑坡的重點因子，一直是國內(nèi)外研究的熱點。李同錄[1]等對西北黃土高原黃土滑坡研究表明，降雨誘發(fā)黃土滑坡，根本原因是降雨入滲增大了邊坡的自身重力，導(dǎo)致下滑力加大，而地下水位抬升降低了潛在滑動面的有效應(yīng)力和相應(yīng)的抗剪強度，軟化了土體導(dǎo)致滑坡。匡野[2]等通過物理模型試驗表明，雨水入滲邊坡孔隙水壓力增大，降低了有效應(yīng)力，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

非飽和土力學(xué)理論認為，降雨破壞邊坡平衡并引發(fā)滑坡的主要原因是雨水入滲降低了非飽和土體的基質(zhì)吸力，產(chǎn)生了暫時的飽和土體，而基質(zhì)吸力減小使邊坡中非飽和土體的抗剪強度大大降低，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，甚至滑坡[3]。地下水位處于潛在滑動面以上時，地下水位的漲幅直接引起水動力，相當(dāng)于給邊坡施加了加卸載作用，進而影響坡體平衡；地下水位于潛在滑動面以下特別是在滑動面附近時，地下水的漲幅直接影響水位以上孔隙水壓力的分布情況，對邊坡的影響顯著[4]。

前期降雨影響邊坡體積含水量，進而影響降雨的入滲情況，對邊坡穩(wěn)定性影響顯著[5]?；庐?dāng)日或滑坡前的最后一場大雨是滑坡發(fā)生的觸發(fā)條件，但大多數(shù)研究都只基于當(dāng)日降雨情況對滑坡穩(wěn)定性進行分析。因此，本文以堡只村黃土滑坡為例，運用Geo-Studio數(shù)值計算軟件，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查地質(zhì)資料，對不同前期降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性進行分析，構(gòu)建基于非飽和土理論的滑坡降雨預(yù)警模型。

1 堡只村黃土滑坡概況

1.1 工程地質(zhì)

滑坡所在自然斜坡總體上NE高，SW低。滑坡體左側(cè)為采礦棄渣堆載區(qū)，坡體后緣較陡，側(cè)緣沖溝不發(fā)育，整體上呈現(xiàn)不規(guī)則的漏斗狀?；轮鬏S長100 m，寬150 m，展布面積1.5×104m2，陡坡前緣高程875 m，后緣最高處975 m，坡體平均層厚6～10 m。通過對堡只村滑坡現(xiàn)場調(diào)查工作，滑坡邊界明顯。該滑坡后緣大致沿土質(zhì)陡坡延伸至兩側(cè)沖溝處，出露地層為Q3粉土并夾有碎石土，坡度一般在40°～50°之間。后緣發(fā)育寬約1 m的裂縫，裂縫呈羽狀展布，深約60 cm，延伸10 m多。滑坡左側(cè)邊界出露明顯，沿堆積體坡腳延伸至坡體前緣；右側(cè)邊界以坍塌的窯洞為界，窯洞頂板倒塌，洞體變形?；虑熬壱允〉?24線為界，在滑坡初次滑動及堆積后，形成一階地平臺。堡只村滑坡平面見圖1。

圖1 堡只村滑坡平面

根據(jù)本次勘查情況及出露地層特性可知，邊坡上覆地層主要由第四系上更新統(tǒng)(Q3)粉土和中更新統(tǒng)(Q2)粉質(zhì)粘土組成，下伏地層由石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)砂泥巖組成。Q3粉土呈灰黃色，土質(zhì)松散，內(nèi)部孔隙大，具有垂直節(jié)理，透水性良好，層厚 5～20 m，平均厚度12 m。Q2粉質(zhì)粘土為棕黃色，土體主要呈硬塑狀態(tài)，土質(zhì)不均一，干強度和韌性適中。C3t砂泥巖呈灰黑色，產(chǎn)狀270°∠4°，平均層厚72 m。堡只村滑坡1-1′剖面見圖2。

圖2 堡只村1-1′剖面

滑坡后緣可見明顯下挫，表面形成數(shù)條拉裂縫，后緣可看見下挫形成的小路。沿主滑方向看，滑坡左側(cè)以坍塌的窯洞為界，洞體已發(fā)生傾斜，頂板坍塌?；虑熬壙梢姸嗵帢淠緝A倒現(xiàn)象，地面發(fā)生張裂變形，坡表層為耕植土所覆蓋。因前緣切坡卸荷的影響，滑體中部耕地可見明顯橫向裂縫。

1.2 形成機制

2013年，滑坡附近露天采礦，棄渣堆積于滑坡后緣側(cè)邊界上。由于堆積體體積過大，一定程度上增加了后緣承載力。同時，滑坡坡腳切坡建房，破壞坡表的應(yīng)力平衡，并給坡體滑動提供了有利的臨空面條件，在后期降雨的作用下，地表水沿黃土狀粉土縱向節(jié)理裂隙快速入滲，致使滑坡體自重增加，且雨水下滲至Q2層面時，粉質(zhì)粘土的透水性能差，容易形成相對隔水層，從而影響坡體平衡。雨水累積軟化了該層面的土體，降低了土層的抗剪強度形成滑動帶。降雨補給地下水使地下水位抬升，當(dāng)?shù)叵滤娉^潛在滑面時產(chǎn)生動水壓力，更進一步促進滑坡形成。綜上所述，該滑坡是在后緣堆載、前緣擾動、地表水大量入滲以及地下水位抬升等因素綜合作用下形成的Q2與Q3接觸面滑動的黃土滑坡。

2 滑坡降雨預(yù)警模型構(gòu)建

2.1 構(gòu)建思路

本文以前期降雨和降雨(觸發(fā)滑坡發(fā)生的降雨)為變量建立降雨預(yù)警模型，但是如何考慮前期降雨成為預(yù)警的難題。如今，雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)可提取出歷史降雨歷時及小時雨強，可確定的就是年平均降雨量、雨季降雨量總量及連續(xù)幾天的降雨量。因此，本文以前期降雨總量為控制變量，即控制前期降雨的平均日降雨量，以實現(xiàn)前期降雨需求。

在物理力學(xué)參數(shù)選取得當(dāng)?shù)那疤嵯?，?shù)值模擬計算結(jié)果可信度較高，可有效確定邊坡的穩(wěn)定性情況及其他工況下的邊坡穩(wěn)定性，均由穩(wěn)定性系數(shù)表征。本文以數(shù)值模擬軟件Geo-Studio中的SLOPE模塊、SEEP模塊和SIGEMA模塊為計算基礎(chǔ)，并以非飽和土力學(xué)理論為理論基礎(chǔ)，建立了固-液耦合預(yù)警模型。以邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為預(yù)警劃分標(biāo)準(zhǔn)，綜合歷史降雨情況，施加滿足實際情況下的平均日降雨量及降雨條件，確定降雨閾值，實現(xiàn)預(yù)警模型的建立。預(yù)警模型構(gòu)建思路見圖3。

圖3 模型構(gòu)建思路

2.2 模型構(gòu)建

采用Geo-Studio數(shù)值計算軟件對不同前期降雨條件下的斜坡穩(wěn)定性進行有限元數(shù)值計算。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率，將模型的上部滑體部分網(wǎng)格劃分較細，單元大小為3 m，遠離滑體部分取為6 m。計算單元主要為四邊形單元，局部采用三角形單元，共359個節(jié)點和332個單元。為能較好體現(xiàn)邊坡在降雨作用下變化情況，在邊坡前緣、后緣以及潛在滑面上共設(shè)置3個監(jiān)測點。計算模型邊界條件：①降雨入滲邊界。當(dāng)降雨強度小于土體入滲能力時，采用單位流量邊界；當(dāng)降雨強度大于土體入滲能力時，采用水頭邊界[6]，水頭等于地面高程，雨水一部分入滲地下，一部分沿地表徑流經(jīng)雨水井排走。②隔水邊界。隔水邊界隨地下水位升降而發(fā)生變化，地下水位以上為隔水邊界，不接受其他補給水源補給，也不排泄。③側(cè)向補給及排泄邊界。采用水頭邊界，水頭等于該點高程，隨地下水面變化而變化。計算模型網(wǎng)格劃分及邊界條件見圖4。

圖4 計算模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.3 數(shù)值計算的條件設(shè)定

降雨模擬初始條件對計算結(jié)果的真實性影響顯著。由于地區(qū)氣候差異、巖土性質(zhì)差異、水位差異等影響，不同模擬的初始條件不盡相同，本文主要研究雨季邊坡的預(yù)警預(yù)報。統(tǒng)計最近幾年堡只村降雨數(shù)據(jù)得知，降雨主要集中在7月，采用近幾年7月平均降雨量作為降雨邊界進行穩(wěn)態(tài)計算，得出孔隙水壓力分布結(jié)果，并將其作為后期計算的初始條件?？紫端畨毫Ψ植家妶D5。

圖5 孔隙水壓力分布(單位：kPa)

根據(jù)已有的研究成果，結(jié)合堡只村黃土滑坡巖性特征，黃土主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 黃土主要物理指標(biāo)

表2 邊坡巖土體力學(xué)性質(zhì)

降雨滲流的數(shù)值計算理論基礎(chǔ)是Fredlund的非飽和土滲流理論，該理論具有2個重要的水力特性參數(shù)，分別是土水特征曲線和滲透系數(shù)方程[2]。本文應(yīng)用張濤對山西馬蘭黃土的研究中測定的土體物理性質(zhì)試驗數(shù)據(jù)[7]，選定上層土基本物理力學(xué)參數(shù)和顆粒級配曲線，利用V-G模型，采用RETC軟件結(jié)合SEEP模塊，擬合出水土特征(見圖6)和滲透系數(shù)(見圖7)。

圖6 上層土體水土特征

圖7 上層土體滲透系數(shù)

3 降雨預(yù)警模型分析

參照相關(guān)規(guī)范，本文設(shè)定堡只村滑坡安全系數(shù)為1.0、1.05、1.1，共模擬31組隨機不同前期降雨及當(dāng)日降雨直到達到設(shè)定安全系數(shù)。考慮論文篇幅限制，本文選取安全系數(shù)為1.0條件下的1組數(shù)據(jù)做具體分析。

3.1 降雨入滲滑坡滲流特性

降雨誘發(fā)堆積體發(fā)生滑坡的機制是降雨入滲產(chǎn)生的水流不斷匯集在滑坡體內(nèi)，土體含水率越來越高，逐漸接近飽和狀態(tài)，飽和面積逐漸增大。隨后，滑坡內(nèi)部形成潛水面，隨著水流不斷匯集，潛水面上升，邊坡在孔隙水壓力作用下應(yīng)力平衡破壞，導(dǎo)致滑坡的發(fā)生[8]。

圖8為降雨引起坡體內(nèi)孔隙水壓力變化。從圖8可知，降雨初期坡頂部分孔隙含水率較小，孔隙水壓力較小，雨水入滲較快，初始分布狀態(tài)被擾動，坡頂部孔隙水增大，坡腳處地表降雨補給地下水，地下水面(孔隙水壓力為0處)緩慢抬升；降雨中期，雨水持續(xù)入滲，飽水面積增大，坡頂處孔隙水含量

圖8 降雨引起坡體內(nèi)孔隙水壓力變化(單位：kPa)

和孔隙水壓力持續(xù)增大，入滲速度減慢，邊坡降雨補給地下水，地下水面抬升速度加快；降雨末期，雨水入滲速度穩(wěn)定，坡體基本處于飽水狀態(tài)，此時降雨補給地下水，地下水面抬升最快。

圖9為監(jiān)測點孔隙水壓力變化。從圖9可知，降雨初期，潛在滑面處監(jiān)測點2離地下水位最近，比坡表監(jiān)測點1、3孔隙水壓力大。隨著降雨的持續(xù)補給，坡體內(nèi)孔隙水壓力開始發(fā)生變化，因地下水位的抬升，監(jiān)測點2、3變化較快，后緣監(jiān)測點1由于降雨沿坡表入滲坡體內(nèi)部，變化較為緩慢。直到第16 d暴雨當(dāng)天，監(jiān)測點1、2發(fā)生突變，而監(jiān)測點3幾乎和前幾日變化不大。因為地下水位抬升至前緣坡腳處，導(dǎo)致雨水的排泄，此時孔隙水壓力為0，而潛在滑面處孔隙水壓力持續(xù)增大，表明入滲雨水不斷富集于此，地下水面水頭高于此處滑面，產(chǎn)生動水壓力。這也是滑面處土體被軟化，抗剪強度降低的原因。

圖9 監(jiān)測點孔隙水壓力變化

3.2 降雨入滲引起坡體位移變化

圖10為降雨引起坡體內(nèi)位移變化。從圖10可知，降雨初期坡體向臨空方向發(fā)生小變形，坡體前緣變形量大于中部和后緣，這與現(xiàn)場調(diào)查坡體前緣出現(xiàn)鼓脹變形結(jié)果一致。隨著降雨時間的累積，滑坡體位移明顯增大，直到第16 d位移量最大。這是因為初期降雨量小，雨水入滲坡體內(nèi)部少，降雨入滲增加了坡體自重，即增大了坡體下滑力，使得滑坡向臨空方向發(fā)生滑動[9]。隨著坡體內(nèi)雨量的累積，滑坡體自重不斷增大，致使坡體前緣臨空面位移不斷增大。第16 d坡腳位移明顯高于第15 d，因暴雨當(dāng)日致使坡體穩(wěn)定達到極限平衡，斜坡失穩(wěn)，變形量陡增。

圖10 降雨引起坡體內(nèi)位移變化(單位：m)

3.3 降雨入滲引起坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化

本文通過降雨引起坡體孔隙水壓力變化耦合變形，計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs。計算結(jié)果見圖11。從圖11可以看出，天然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定性較好，但小于規(guī)范要求的1.25[10]，這與前文分析結(jié)果相符；降雨直接引起邊坡安全系數(shù)降低，而且響應(yīng)較快，降雨當(dāng)日安全系數(shù)就發(fā)生了變化，在第15 d與第16 d間安全系數(shù)發(fā)生突變。因為當(dāng)日降雨量急劇增大，致使坡體體積含水量變大，相對飽和區(qū)面積增大，基質(zhì)吸附力減少甚至趨近于0，孔隙水壓力增大，土重度增大，粘聚力減小，安全系數(shù)降低明顯[11]。

圖11 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖12 前期～當(dāng)日降雨坡體穩(wěn)定性系數(shù)變化

坡體前緣監(jiān)測點3的穩(wěn)定性系數(shù)變化見圖12，地下水位對邊坡的影響見圖13。從圖12、13可知，降雨初期，地下水位抬升緩慢，坡體位移變化緩慢，坡體穩(wěn)定。隨著降雨的持續(xù)，地下水位線逐漸上升，在第8 d坡體位移增幅較大，穩(wěn)定性系數(shù)也響應(yīng)較快。直到第16 d，地下水位抬升至坡腳并沿設(shè)定邊界排出，坡體位移急劇增大，坡體失去穩(wěn)定。這是因為降雨前期坡體處于非飽和狀態(tài)，雨水入滲使坡體體積含水量增大，地下水位面抬升不高，且穩(wěn)定性系數(shù)降低較小[12]。隨著持續(xù)的降雨，坡體逐漸達到飽和狀態(tài)，地下水位抬升變快，直到第16 d暴雨當(dāng)天，前緣處地下水位抬升至潛在滑面，其孔隙水壓力后期基本保持不變，產(chǎn)生動水壓力引起前緣滑動，位移量劇增。

圖13 地下水位對邊坡的影響

3.4 降雨預(yù)警模型

以不同前期降雨總量及當(dāng)日降雨為降雨邊界條件進行數(shù)值模擬，以降雨量作為預(yù)警指標(biāo)，總共模擬31組數(shù)據(jù)。其中，穩(wěn)定性系數(shù)為1.0時模擬了14組，穩(wěn)定性系數(shù)為1.05時模擬了12組，穩(wěn)定性系數(shù)為1.1時模擬了5組。記錄每組數(shù)據(jù)的前15 d降雨量值與當(dāng)日降雨量值，以穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.1、Fs=1.05、Fs=1.0為預(yù)警邊界，擬合出每一級預(yù)警曲線，從而確定相對應(yīng)的降雨閾值。降雨預(yù)警模型見圖14。

圖14 降雨預(yù)警模型

從圖14可知，31組計算結(jié)果16 d降雨總量小于研究區(qū)最大月降雨量，單次降雨小于歷史最大降雨量，預(yù)警結(jié)果符合實際，預(yù)警工作可以實施。前期降雨的存在會加強當(dāng)日降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，前期降雨越大，當(dāng)日降雨導(dǎo)致穩(wěn)定性降低的越快。穩(wěn)定性系數(shù)達到預(yù)警閾值時，隨著前期降雨的增大，當(dāng)日降雨量變小。

4 結(jié) 語

本文基于非飽和土理論，以不同的前期累積降雨量為變量進行有限元數(shù)值模擬，模擬了堡只村黃土邊坡坡體內(nèi)部孔隙水壓力、坡體位移變化及穩(wěn)定性不斷變化過程。以降雨量作為預(yù)警指標(biāo)，以穩(wěn)定性系數(shù)為預(yù)警邊界，擬合出每一級預(yù)警曲線從而確定相對應(yīng)的降雨閾值，建立了一種前期降雨～當(dāng)日降雨的預(yù)警模型，分紅色預(yù)警、橙色預(yù)警、黃色預(yù)警、藍色預(yù)警4級來指導(dǎo)預(yù)警工作，為滑坡防治工程設(shè)計及當(dāng)?shù)刎敭a(chǎn)安全保障提供了一種新的預(yù)警方案，可供滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、防治和指導(dǎo)工程實踐參考。