雨強(qiáng)對安溪縣堯山村滑坡地下水滲流系統(tǒng)及穩(wěn)定性的影響研究*

卓萬生

(①福建省安溪縣地質(zhì)災(zāi)害研究所， 安溪 362400，中國)(②福州大學(xué)安溪地質(zhì)災(zāi)害防治研究生工作站， 安溪 362400，中國)

0 引 言

安溪縣是福建地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的縣份之一，滑坡是主要類型，占該縣地質(zhì)災(zāi)害的75%以上(葉龍珍， 2011)，而崩坡積碎石土滑坡又是主要表現(xiàn)形式(楊妮珊， 2016)，由于碎石土滑坡常常發(fā)育地下水管網(wǎng)狀滲流系統(tǒng)，對邊坡地下水位和穩(wěn)定性都有著重要的控制作用(尚岳全等， 2005)。眾多學(xué)者對碎石土滑坡研究均較為深入，如尚岳全等(2005)詳細(xì)闡述管網(wǎng)滲流系統(tǒng)對碎石土滑坡穩(wěn)定性的影響； 孫紅月等(2006)，孫紅月(2005)以上三公路6#滑坡為例，認(rèn)為當(dāng)邊坡發(fā)生局部變形破壞時(shí)，管狀滲流系統(tǒng)將因坡體的不連續(xù)變形而發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致地下水位快速上升，邊坡穩(wěn)定性迅速下降； 許建聰?shù)?2007)采用三維大變形彈塑性接觸有限元算法，運(yùn)用碎石土邊坡地下水管狀排泄系統(tǒng)理論，分析降雨作用下碎石土古滑坡的復(fù)活解體破壞過程； 還有學(xué)者研究碎石土的顆粒級配及滲透特性對滑坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為碎石土的物質(zhì)組成，特別是黏粒為主的細(xì)顆粒粒組含量對碎石土的滲透系數(shù)影響最大且最為顯著(許建聰?shù)龋?2006； 陳志超等， 2016； 胡瑞林等， 2020； 楊忠平等， 2020)。

綜上所述，目前學(xué)者對管網(wǎng)狀滲流系統(tǒng)發(fā)育的碎石土滑坡研究，大多集中在滑坡的成災(zāi)機(jī)理上(許建聰?shù)龋?2008； 孟華君等， 2017； 陳家興等， 2019； 何山山等， 2019)，降雨入滲坡體誘發(fā)滑坡的動態(tài)機(jī)制多是從物理模擬角度分析(董輝等， 2015)，而利用專業(yè)監(jiān)測和FEFLOW數(shù)值模擬手段獲取不同雨強(qiáng)條件下滑坡體管道型地下水滲流場的變化情況，然后再通過強(qiáng)度折減法研究不同工況條件下對滑坡體穩(wěn)定性影響程度的成果卻較為少見。作者多年野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)崩坡積碎石土滑坡的變形破壞與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)，大致呈以下特點(diǎn)：大雨大滑、小雨小滑、沒雨不滑； 泉眼多、出露位置多變、流量不固定； 裂縫展布形態(tài)各異，變形破壞范圍和滑面深度較難確定； 在不同雨強(qiáng)條件下，地下水滲流場變化、變形破壞形態(tài)及其演變機(jī)制比普通滑坡更為復(fù)雜。

FEFLOW是迄今功能最齊全的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，在地下水動態(tài)預(yù)測方面有著廣泛的應(yīng)用(胡健等， 2020)。眾多學(xué)者運(yùn)用它模擬相關(guān)地區(qū)地下水水位的動態(tài)時(shí)空分布和變化規(guī)律，取得較好成果(楊建飛， 2011； 陳小月等， 2014； 周振方， 2014； 柯雪松， 2017)。

本文以堯山村美厝角落地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)為例，基于勘查和監(jiān)測，掌握該處水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和變形破壞特征等實(shí)際情況，然后通過FEFLOW建立坡體地下水滲流模型，探尋不同雨強(qiáng)條件下地下水滲流場的變化規(guī)律，再通過FLAC強(qiáng)度折減法分析地下水滲流系統(tǒng)對該滑坡體穩(wěn)定性的影響程度。本文研究內(nèi)容，是對此類受地下水滲流控制型滑坡治理方法的有益探索和嘗試，并為類似滑坡的機(jī)理研究、穩(wěn)定性分析和工程治理提供了有益的參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣西坪鎮(zhèn)堯山村美厝角落山體，為構(gòu)造侵蝕中低山地貌，海拔最高957m、最低290m，高差667m。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)位于斜坡中前部坡麓，受災(zāi)頻率高、影響范圍大。從2000年至今，在多次強(qiáng)降雨作用下，坡體出現(xiàn)多處變形破壞跡象，尤其2019年，受5月至7月初的6輪降雨影響，變形破壞更明顯，多座民房或?yàn)榈顾⒒驗(yàn)閴w開裂、或有地面拉裂錯(cuò)開等情形，埋設(shè)的地下位移監(jiān)測管也被剪斷多根，塌陷洞和泉眼呈串珠狀發(fā)育，威脅范圍大且不斷外擴(kuò)。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

經(jīng)現(xiàn)場詳細(xì)走訪調(diào)查、測繪和工程勘查(福建省地質(zhì)工程勘察院， 2018)，場地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件都較復(fù)雜。

2.1 工程地質(zhì)條件

2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量大致1500mm。地形地貌總體呈上陡下緩，匯水面積達(dá)80×104m2，極利于坡體外圍地表水匯集和入滲轉(zhuǎn)換為地下水。坡體受大氣降水和地表水的入滲補(bǔ)給，地表水、地下水較為豐富。

根據(jù)出露的地層巖性及地形地貌特征、場地內(nèi)地下水的埋藏條件和水力性質(zhì)特征分析，地下水主要賦存于崩坡積層孔隙，以潛水為主要形式，潛流方向與地形、地勢大致吻合，潛水面隨著相對含水層、含水層厚度和隔水層底板起伏的變化而變化，并向場地北側(cè)低洼處排泄，匯入小藍(lán)溪。水位受季節(jié)變化影響大，變化幅度一般為1～3m、最大達(dá)5m。研究區(qū)的地下水主要以泉的形式出露地表，共有20個(gè)泉眼，編號為S01～S20(圖1)，其中S4～S7、S13～S20等12個(gè)泉眼為常流水泉眼，不隨降雨與否而變化，其余8個(gè)為季節(jié)性泉眼，特別是S11泉眼，受季節(jié)性影響較大，調(diào)查期間(2017年5月)流量約40t·d-1，而在2018年1月，該泉眼已干涸。

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Research area engineering geological plan

崩坡積碎石土結(jié)構(gòu)較松散，有利于地下水滲流，并在地下水滲流的長期作用下，易于形成地下水管網(wǎng)滲流系統(tǒng)。在施工ZK1和ZK2時(shí)，坡體中部溝谷常年性地表流水和S05泉眼均出現(xiàn)渾濁，而與S05同一水平且僅距11m和20m的S06和S07則未見變化； 施工ZK3和ZK4時(shí)，S07泉眼出現(xiàn)渾濁，而S05、S06未見變化，表明這3個(gè)泉眼相隔雖近，但卻分屬于不同的滲流管道系統(tǒng)。綜上顯示，地下水滲流呈管網(wǎng)狀特征。

3 研究區(qū)變形特征

從現(xiàn)場看，該地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)實(shí)際上并不具備嚴(yán)格意義上的滑坡發(fā)育形態(tài)，它受地層巖性控制，因地下水滲流場變化而造成的滑移和沉降等破壞特征。

3.1 邊坡滑移拉裂、沉降變形

坡體橫向、斜向裂縫有數(shù)十條之多，分布在360～470m高程，展布散亂(圖1)，無固定延伸方向，主要為沉降型張性，延伸長度5～15m，張開度5～15cm，可見深度10～20cm。邊坡除了沉降型破壞，局部也存在滑移破壞特征，因坡體向前推移，個(gè)別房屋受擠壓，導(dǎo)致地板隆起(圖2)。

圖2 構(gòu)筑物裂縫Fig.2 Cracks in structures

3.2 邊坡塌陷

目前研究區(qū)已形成8個(gè)塌陷洞，其中2個(gè)水平洞、6個(gè)垂直洞(2個(gè)被上覆土體掩蓋)，位置見圖1。表現(xiàn)特征：①水平塌陷洞。洞口寬0.5～1m、高1.0～1.5m、可見洞深2.0～2.5m，洞內(nèi)可見泉眼，流量約50t·d-1，無色無味，流量不穩(wěn)定，雨季較大，旱季變小，村民從洞內(nèi)引水作為生活用水和茶園灌溉； ②垂直塌陷洞。洞口長1.5～2m、寬1.0～1.5m、可見洞深2.0～7.0m，洞底可見地下水，流量約10t·d-1，流量與天氣明顯呈正相關(guān)，強(qiáng)降雨時(shí)洞里水量大， 2016年“莫蘭蒂”超強(qiáng)臺風(fēng)，洞Ⅳ地下水都涌出地表，形成坡面徑流。

3.3 構(gòu)筑物變形

目前研究區(qū)共有十多戶民居發(fā)生開裂、沉降、甚至傾倒，裂縫多為下窄上寬、長3～5m、張開度3～5cm、角度40°～45°。從變形的房屋分布特征看，發(fā)現(xiàn)有一定規(guī)律：當(dāng)屋后地下水泉眼涌出地表時(shí)，房屋變形量比地下水未涌出地表時(shí)小，如泉眼S05、S06、S07和S14地下水全部滲出地表，其對應(yīng)的房屋變形量較小，或者幾乎未見變形，這也進(jìn)一步說明房屋的變形與地下水有著密切聯(lián)系。

4 地下水位數(shù)值模擬

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，崩坡積碎石土層的滲透系數(shù)為2.89×10-4cm·s-1，殘積黏性土層的滲透系數(shù)為2.61×10-7cm·s-1，全風(fēng)化凝灰?guī)r層為非活動層。將變形破壞范圍作為地下水?dāng)?shù)值模擬區(qū)，模型共分3個(gè)模擬層，分別是崩坡積碎石土層、殘積黏性土層和全風(fēng)化凝灰?guī)r層。每層剖分的結(jié)點(diǎn)數(shù)為843個(gè)、三角單元為1563個(gè)，三層模擬層的總結(jié)點(diǎn)數(shù)有2529個(gè)、三角單元4689個(gè)，呈六面體。

模型邊界的確定：北側(cè)以小藍(lán)溪為水頭邊界，水頭高度為河水面高程、即287.01～304.56m； 南側(cè)、東側(cè)、西側(cè)分別以坡體頂部和東西邊緣為邊界，水頭邊界高度分別由模型范圍內(nèi)的地下水位數(shù)據(jù)點(diǎn)(含泉點(diǎn)和鉆孔水位點(diǎn))，采取克里金插值法計(jì)算得出，即：南側(cè)水頭邊界為高程539.236～540.117m、東側(cè)水頭邊界為高程292.08～532.5m、西側(cè)水頭邊界為高程303.44～533.43m。

綜上的設(shè)定條件，創(chuàng)建了研究區(qū)的平面網(wǎng)格剖分(圖3)。

圖3 平面網(wǎng)格剖分圖Fig.3 Plane mesh

據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料， 2019年5～6月堯山村持續(xù)降雨，月降雨量分別為165.5mm和317.7mm。又據(jù)該時(shí)段地下位移的專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯示坡體變形量較大，布設(shè)的監(jiān)測管都被剪斷多根。因此，設(shè)置以下3種工況進(jìn)行地下水滲流計(jì)算，結(jié)果3種工況相應(yīng)的地下水位線分別如圖4a、圖4b、圖4c所示。

圖4 計(jì)算結(jié)果圖Fig.4 Calculation result grapha.工況1的地下水位線； b.工況2的地下水位線； c.工況3的地下水位線

(1)工況1：天然工況；

(2)工況2：月雨強(qiáng)165.5mm工況；

(3)工況3：月雨強(qiáng)317.7mm工況。

為驗(yàn)證地下水滲流模型的正確性，選取S4、S13、S14、S16、S17、S18、S19和S20等8個(gè)常流泉眼作為觀測點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)值模擬水位和專業(yè)觀測水位的對比，也對模型適用性進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 觀測點(diǎn)的觀測水位和3種工況模擬水位高程表Table1 The table of observed water level of observation points and simulated water level elevation under three working conditions

從表1可知，工況1的實(shí)際觀測水位和模擬水位的差值為0.04～1.17m，工況2的差值為0.06～0.95m，工況3的差值為0～0.99m，誤差值都在容許范圍之內(nèi)，說明FEFLOW建立的地下水滲流模型是有效的。

5 地下水滲流場對邊坡穩(wěn)定性影響

通過圖4和圖1，綜合分析雨強(qiáng)和地下水滲流場變化關(guān)系，大致是：3種工況的地下水位走勢與微地形有著極大的相似性，地下水位變化幅度略小于地形坡度； 地下水位等值線整體上較為均衡，由南向北滲流，最終流入北側(cè)的小藍(lán)溪； 工況2的地下水位較天然工況上升0.5～1.5m； 工況3的地下水位較天然工況上升0.5～2.5m； 不同雨強(qiáng)、不同地段的碎石土賦存狀態(tài)，其相應(yīng)的地下水滲流場變化較復(fù)雜，往往具有泉眼多、出露位置多變、流量不固定、不同區(qū)域的地下水位升降幅度有所不同等特點(diǎn)。

據(jù)現(xiàn)場布設(shè)的3個(gè)地下水位和地下位移監(jiān)測孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)，各孔地下水位線和坡體深部位移量，與工況2、工況3的對應(yīng)關(guān)系是：監(jiān)測孔JC1的地下水位線分別上升0.8m和1.7m(圖5)，坡體深部位移量分別為2.5mm和18mm； 監(jiān)測孔JC2的地下水位線分別上升1.3m和1.8m，坡體深部位移量分別為5.0mm和6.2mm； 監(jiān)測孔JC3的地下水位線和深部位移量幾乎無變化。

圖5 地下水位監(jiān)測Fig.5 Groundwater level monitoring

降雨對崩坡積碎石土滑坡主要表現(xiàn)在滲流的動水壓力和地下水侵蝕、拖曳、溶蝕的長期作用。本研究區(qū)的管網(wǎng)狀滲流呈集中式滲流，流量大、流速快，具有較大能量，但受地形地勢和物質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素制約，滲流通道實(shí)際上呈斷續(xù)展布。當(dāng)坡體無管網(wǎng)狀滲透通道時(shí)，滲流通道被破壞或滲流場突變，降低坡體的滲透性，造成地下水位抬升，坡體飽水面積比不斷增大，滑體重力增大，在一定“水力梯度”作用下，孔隙水壓力和動水壓力也隨之增大，可能將導(dǎo)致滑體的下滑力增大，作用在滑面上的法向應(yīng)力減小，從而降低滑動面巖土體的抗剪強(qiáng)度系數(shù)，促使穩(wěn)定性下降，進(jìn)一步加劇坡體滑移變形破壞； 反之，當(dāng)下部坡體管網(wǎng)狀滲流通道暢通時(shí)，地下水滲流系統(tǒng)順暢，地下水位隨之降低。另一方面，受地下水滲流場長期作用，土中的細(xì)顆粒隨之崩解、遷移，并隨徑流通道被帶出坡體，孔隙比增大，再加上地下水的軟化泥化作用，使巖土體抗剪強(qiáng)度弱化，如果上覆的土體不足以支撐其強(qiáng)度將導(dǎo)致沉降塌陷(許建聰?shù)龋?2006， 2008； 陳志超等， 2016)。因此，坡體出現(xiàn)拉裂變形與沉降變形等跡象。

將FEFLOW數(shù)值模擬生成工況2和工況3的地下水位面數(shù)值分別導(dǎo)入FLAC軟件，運(yùn)用FLAC強(qiáng)度折減法對剖面進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，確定滑動面和穩(wěn)定系數(shù)?？紤]到地下水位線下的浮托力影響，取值時(shí)，水位線上采用天然重度，水位線下采用浮重度，物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表Table2 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil

研究區(qū)實(shí)際的工程地質(zhì)剖面如圖6，數(shù)值模擬的結(jié)果如圖7。

圖6 工程地質(zhì)剖面圖Fig.6 Engineering geological profile

圖7 剪應(yīng)變增量云圖Fig.7 Shear strain increment clouda.工況2剪應(yīng)變增量云圖； b.工況3剪應(yīng)變增量云圖

從圖7可知，工況2的穩(wěn)定系數(shù)為1.04，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)； 工況3的穩(wěn)定系數(shù)為0.97，處于不穩(wěn)定狀態(tài)?；麦w滑動面深度為9～12m，也就是在崩坡積碎石土層和殘積黏性土層的交界處。通過對數(shù)值模擬與現(xiàn)場調(diào)查、工程勘查和專業(yè)監(jiān)測等實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，結(jié)果表明，變形破壞范圍和滑動面深度與實(shí)際情況吻合度都較高。

6 防治建議

地下水管網(wǎng)狀滲流系統(tǒng)對崩坡積碎石土滑坡穩(wěn)定性有著重要的控制作用，因獨(dú)特的管網(wǎng)狀滲流場，將“控制邊坡地下水位上升”作為工程治理的主要思路和關(guān)鍵措施，具體以“盲溝盲管+截排水溝”為主工程措施(圖8)。

圖8 工程治理剖面圖Fig.8 Engineering goverance profile

由于研究區(qū)的后緣匯水面積較大，坡度較陡，碎石土孔隙率較大，降雨入滲較快，僅采用地表截排水溝和橫縱向排洪溝等排水措施不能起到良好的排水效果。考慮到該災(zāi)害點(diǎn)在強(qiáng)降雨條件下地下水位線上升0.5～2.5m，對降雨敏感性高。通過地下水位的持續(xù)監(jiān)測，獲取旱季時(shí)段的地下水位資料。在高程438m和470m設(shè)置兩道排水盲溝，排水盲溝呈梯形，盲溝深度進(jìn)入旱季水位線下2～3m(考慮施工適宜性等因素，綜合取值8m)，盲溝底部鋪設(shè)4根MY300盲管，回填4m碎石作為盲管的外道濾層，碎石層外包裹透水性良好的土工布，上部碾壓回填黏土。

兩道排水盲溝施工完畢后，盲溝出水效果良好，旱季時(shí)出水量30～50L·s-1，強(qiáng)降雨后則為100～300L·s-1(圖9)。坡體地下水位均有回落，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測孔JC1、JC2和JC3的地下水位分別為6.9～7.2m、5.6～6.1m和5.5～5.6m，較旱季時(shí)分別降低0.5～0.7m、0.6～1.0m和0.3～0.5m。

圖9 盲溝出水效果(a為旱季時(shí)，b為強(qiáng)降雨時(shí))Fig.9 Effluent effect of blind drainage ditch (left picture shows the dry season， right picture shows the heavy rainfall)

7 結(jié)論與建議

(1)研究區(qū)所表現(xiàn)出來的災(zāi)害特征并不具備嚴(yán)格意義上的滑坡發(fā)育形態(tài)，坡體不僅表現(xiàn)為拉裂變形破壞，沉降塌陷也十分明顯。

(2)基于FEFLOW進(jìn)行模擬，結(jié)果表明在165.5mm/月和317.7mm/月兩種工況條件下，地下水位面較天然工況分別上升0.5～1.5m 和0.5～2.5m，不同區(qū)域地下水位面上升幅度也不盡相同。

(3)基于FLAC強(qiáng)度折減法進(jìn)行模擬，結(jié)果表明在雨強(qiáng)165.5mm/月和317.7mm/月兩種工況條件下，滑動面深度為9～12m，穩(wěn)定系數(shù)分別是1.04和0.97。

(4)控制地下水位上升是工程治理的主要思路，在高程438m和470m各設(shè)置一道橫向截水盲溝，坡面設(shè)置截排水溝和橫縱向排洪溝，坡體即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)本文關(guān)于地下水滲流場對巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的改變?nèi)狈σ罁?jù)。另外，在增加排水措施后，對地下水滲透路徑和水力梯度的變化，以及在多大程度上改變了滲透力未能作出較好說明。后續(xù)建議：利用原位剪切實(shí)驗(yàn)觀測天然和飽水狀態(tài)下，碎石土的抗剪強(qiáng)度及其與顆粒分布的關(guān)系； 增設(shè)、加密坡體地下水位監(jiān)測孔，長期監(jiān)測坡體地下水位變化和泉眼水流量的變化，以便進(jìn)一步研究。

致 謝本文在成稿過程中，得到國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41861134011)負(fù)責(zé)人、福州大學(xué)博士生導(dǎo)師簡文彬教授的大力支持； 也得到福建省地質(zhì)工程勘察院鄢慶南和吳鐘騰兩位專家，以及成都理工大學(xué)馮文凱教授的指導(dǎo)和幫助，在此一并致謝。