福建永泰上新厝滑坡發(fā)育過(guò)程及形成機(jī)理分析

林 熒

(1.福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州，350002；2.國(guó)土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州，350002)

降雨是目前普遍認(rèn)為誘發(fā)滑坡災(zāi)害的最主要因素[1]。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，大量的學(xué)者投入到降雨對(duì)滑坡的穩(wěn)定性研究中，提出了大量降雨對(duì)滑坡的影響機(jī)制模型[2]。20世紀(jì)90年代，陳守義[3]在非飽和土力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，提出了考慮入滲和蒸發(fā)影響的土坡穩(wěn)定性分析方法，運(yùn)用常規(guī)的穩(wěn)定性分析方法求得瞬態(tài)條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。吳宏偉等[4]采用有限元法對(duì)典型非飽和土斜坡開(kāi)展分析，模擬雨水入滲條件下斜坡體內(nèi)暫態(tài)滲流場(chǎng)變化情況，采用極限平衡法對(duì)暫態(tài)孔隙水壓力分布進(jìn)行分析。李兆平等[5]以試樣體積含水率作為控制變量，建立了基于非飽和土水分運(yùn)動(dòng)基本理論的降雨入滲過(guò)程中土體瞬態(tài)含水率的計(jì)算模型；同時(shí)采用非飽和土強(qiáng)度理論和極限平衡方法，得出了非飽和狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)計(jì)算公式。王葉嬌[6]運(yùn)用分形模型預(yù)測(cè)非飽和土的水理特性，從土質(zhì)特性參數(shù)、降雨強(qiáng)度、邊坡集合特性參數(shù)及數(shù)值地下水位深度等參數(shù)，以最小安全系數(shù)為指標(biāo)，分析對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響。此外，還有大量學(xué)者[7-9]對(duì)巖土體形狀及參數(shù)對(duì)邊坡的可靠度進(jìn)行分析，以達(dá)到穩(wěn)定性求解的目的。

雖然對(duì)于降雨誘發(fā)滑坡的影響機(jī)制已經(jīng)研究較多，但針對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨條件下(極端強(qiáng)降雨)的滑坡成因機(jī)制研究相對(duì)較少。為此針對(duì)永泰上新厝滑坡開(kāi)展研究，在獲取地質(zhì)災(zāi)害研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，以非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，結(jié)合滑坡發(fā)生前后的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)，計(jì)算得出降雨、地下水條件下滑坡的致災(zāi)機(jī)理。該滑坡受強(qiáng)降雨誘發(fā)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遭到解體破壞，有東南沿海臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的典型破壞特征，具有一定的研究?jī)r(jià)值，可為臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡的研究提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地形(地貌)

永泰上新厝滑坡區(qū)域地貌類(lèi)型屬于低山地貌，西南高東北低，斜坡自然坡度30°～45°。選取典型滑坡位于洋里村上新厝境內(nèi)，寬度約105 m，高度18～25 m，坡度40°～60°，坡向南西240°。坡腳距房屋0.5～2 m，房后有2處泉眼出露。中上部原始坡面植被茂盛，雜草遍布，以松樹(shù)為主。

1.2 地質(zhì)及巖土體特征

滑坡場(chǎng)地原狀巖土體包括表層的殘坡積黏性土(以下簡(jiǎn)稱(chēng)殘坡積黏性土)，呈灰黃色，稍濕-濕，可塑-硬塑，土層殘余結(jié)構(gòu)較明顯。下伏基巖為侏羅紀(jì)南園組凝灰熔巖，根據(jù)鉆探揭露，由上至下依次為全風(fēng)化凝灰熔巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖和中風(fēng)化凝灰熔巖。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，場(chǎng)地巖土體強(qiáng)度參數(shù)(表 1)。

表1 場(chǎng)地巖土體強(qiáng)度參數(shù)

1.3 氣象水文

滑坡區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，年平均氣溫19.3℃，年平均降水量為1 639 mm，其中6～9月份為臺(tái)風(fēng)季節(jié)，臺(tái)風(fēng)往往會(huì)造成局部高強(qiáng)度降雨，易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

該場(chǎng)地邊坡A匯水面積約為2.5萬(wàn)m2,匯水面積較大。地下水主要以孔隙水和基巖裂隙水為主。在滑坡所在邊坡坡底見(jiàn)2處泉點(diǎn)出露，涌水量為0.02～0.10 l/s，涌水量主要受季節(jié)控制。

2 滑坡基本特征

在2015-08-08T17：30，受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”影響，福建東南部山區(qū)過(guò)程降雨量達(dá)到356 mm。受極端強(qiáng)降雨影響，永泰境內(nèi)發(fā)生大量滑坡地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)氣象資料顯示，滑坡發(fā)生前1 h降雨量達(dá)到50 mm/h,滑坡發(fā)生期間降雨量達(dá)155.1 mm/h。

在大量滑坡中，具有代表性的為上新厝滑坡。上新厝滑坡寬約35 m，主軸長(zhǎng)約30 m，厚度2.5～4.0 m，土方量約4 000 m3,滑向北東65°。從現(xiàn)場(chǎng)滑坡及崩塌后坡面巖土體出露情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪及鉆探揭露的地層情況，滑坡及崩塌體主要由上部殘坡積黏性土和全風(fēng)化凝灰熔巖及部分散體狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖組成，據(jù)此推測(cè)滑坡主要沿殘積黏性土滑坡堆積體堆積于坡腳，由于滑坡坡面上有泉水滲出(原邊坡坡腳2處泉眼處)，堆積體處于相對(duì)飽和狀態(tài)。

根據(jù)滑坡滑移前出現(xiàn)多級(jí)裂縫情況，推斷滑坡模式為牽引式。土方堆積至坡腳下方，沖毀2幢磚砌結(jié)構(gòu)民房(圖1)。

圖1 永泰上新厝滑坡平面圖(a)及剖面圖(b)Fig.1 Shangxincuo landslide plan (a) and section (b) map in Yongtai county

3 滑坡變形過(guò)程模擬及機(jī)理分析

3.1 數(shù)值計(jì)算方法

研究采用Geo-Studio軟件進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)測(cè)的區(qū)域地形地貌、場(chǎng)地巖土體特征匯總參數(shù)、地下水等條件建立計(jì)算模型，在初始模型確定后，通過(guò)軟件中的邊坡穩(wěn)定性模塊計(jì)算滑坡初始穩(wěn)定性(滑移前)。穩(wěn)定性計(jì)算采用條分法，計(jì)算模型采用計(jì)算假定最少的Mongenstern-Price模型。對(duì)于降雨過(guò)程的考慮，主要采用軟件中的滲流模塊進(jìn)行非飽和滲流分析，非飽和滲流模型采用Van Genuchten的基于統(tǒng)計(jì)法所建立的水力傳導(dǎo)函數(shù)模型，即如下非飽和土水力傳導(dǎo)函數(shù)閉形解析表達(dá)形式。

式中：a、n和m分別為Van Genuchten( 1980)土水特征曲線(xiàn)模型中的擬合參數(shù)。

該計(jì)算式中的擬合參數(shù)可通過(guò)土水特征曲線(xiàn)數(shù)據(jù)擬合得出，但擬合過(guò)程較為復(fù)雜，且無(wú)實(shí)測(cè)土水特征曲線(xiàn)。因此，研究將在該模型基礎(chǔ)上利用軟件的估計(jì)功能，根據(jù)土體材料特性的一般經(jīng)驗(yàn)特性、實(shí)測(cè)飽和含水率、體積壓縮系數(shù)估計(jì)土體滲透系數(shù)體積含水率-基質(zhì)吸力函數(shù)，在得出含水率-基質(zhì)吸力函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)土體殘余水飽和度、飽和滲透系數(shù)等條件估算土體的基質(zhì)吸力-傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)。

針對(duì)上新厝滑坡，土體材料和滲透系數(shù)為已知條件，土體天然狀態(tài)飽和度根據(jù)土體狀態(tài)(稍濕)，取0.3 m3/m3的經(jīng)驗(yàn)值，飽和狀態(tài)含水率取0.9 m3/m3。最終得出體積含水率-基質(zhì)吸力、基質(zhì)吸力-傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)(圖2)。根據(jù)上述函數(shù)體現(xiàn)出的土體非飽和滲流特性，結(jié)合滑坡發(fā)生時(shí)的降雨條件，可模擬出不同降雨工況下土體滲流場(chǎng)，進(jìn)而得出土體孔隙水壓力分布及變化情況，借助有效應(yīng)力原理，獲得降雨條件下土體強(qiáng)度特征，從而計(jì)算出降雨條件下滑坡穩(wěn)定性情況，得出最終滑坡失穩(wěn)機(jī)理。

圖2 體積含水率-基質(zhì)吸力函數(shù)(a)及基質(zhì)吸力-傳導(dǎo)系數(shù)函數(shù)(b)Fig.2 Bulk moisture content-matrix suction function (a) and matrix suction-conduction coefficient function (b)

3.2 滑坡穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

3.2.1 天然工況下滑坡穩(wěn)定性分析

該區(qū)天然狀況下，地下水位較高，尤其在坡腳處地下水位高出地表形成滲流。坡腳土體長(zhǎng)期處于飽水狀態(tài)，對(duì)斜坡穩(wěn)定性不利。計(jì)算過(guò)程中，巖土體強(qiáng)度在地下水位以上取天然值，地下水位以下取飽和值。通過(guò)計(jì)算得出的滑坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.15(圖3-a)，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，符合滑坡滑移前邊坡實(shí)際情況。

3.2.2 降雨工況下滑坡滲流場(chǎng)分析

根據(jù)滑坡發(fā)生時(shí)的降雨資料，滑坡前1 h降雨量約為50 mm，滑坡發(fā)生過(guò)程中1 h降雨量為155.1 mm。將該降雨量轉(zhuǎn)化為坡面流量作為附加邊界條件開(kāi)展模擬，模擬結(jié)果(圖 3-b、圖3-c)。從模擬得出的滲流情況看，在經(jīng)過(guò)50 mm/1 h的降雨后，滑坡表層殘坡積黏性土含水量明顯增加，表層局部出現(xiàn)小范圍的暫態(tài)飽和區(qū)，此時(shí)坡面水體并未完全入滲，但值得一提的是，此時(shí)坡體局部甚至出現(xiàn)超孔隙水壓力，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)橥馏w在初期干燥狀態(tài)下表現(xiàn)出較強(qiáng)的基質(zhì)吸力，使得土壤滲透性較差，降雨入滲率低，使得大部分水體未來(lái)得及入滲，而以地表徑流或積水的形式存在，形成局部的超孔隙水壓。而經(jīng)過(guò)第二階段155.1 mm/1h的降水，滲流趨于穩(wěn)定，滑坡表層土體大部分已飽和，地下水位也明顯增高，從邊坡坡腳滲流條件上看，地下水在坡腳滲流溢出，在坡腳處形成向上的滲透壓力，這對(duì)于滑坡體的穩(wěn)定性也是極為不利的。

3.2.3 降雨工況下滑坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)過(guò)2 h強(qiáng)降雨后，上部土體基本處于飽和狀態(tài)，土體強(qiáng)度降低明顯，土體容重增加，滑坡穩(wěn)定性急劇降低。另外地下水的抬升也對(duì)滑坡形成向上的滲透壓，形成揚(yáng)壓力，對(duì)斜坡穩(wěn)定性不利。通過(guò)計(jì)算得出，滑坡在2 h降雨條件下，穩(wěn)定性系數(shù)下降為0.86(圖3-d)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，這與實(shí)際情況一致。

圖3 滑坡穩(wěn)定性分析數(shù)值計(jì)算成果Fig.3 Numerical calculation results of landslide stability analysis

4 結(jié)論

(1)永泰上新厝滑坡發(fā)育于丘陵山地的低山地貌區(qū)，滑坡形成于臺(tái)風(fēng)暴雨期間，具有典型臺(tái)風(fēng)暴雨型滑坡特征?；w沿上部覆蓋層和下部基巖面滑移，涉及土方量約 4 000 m3。

(2)滑坡在降雨過(guò)程中，首先土體含水率升高，并在地表形成暫態(tài)飽和區(qū)。隨著降雨歷時(shí)和強(qiáng)度增加，土體逐步趨于全面飽和。模擬得出的滑坡滲流特征符合實(shí)際情況。

(3)滑坡在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨工況下，表層土體基本飽和，地下水位升高，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡的穩(wěn)定性特征也與實(shí)際相符。

(4)滑坡形成的主要原因包括內(nèi)因和外因2種。內(nèi)因主要為前期人工開(kāi)挖邊坡使坡腳地下水溢出，形成向上的滲透壓，并使坡腳土體強(qiáng)度降低，邊坡在天然工況下便處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。外因主要為臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的強(qiáng)降雨導(dǎo)致的土體飽和以及地下水位升高，進(jìn)一步降低了滑坡穩(wěn)定性。