暴雨作用下含裂縫譚家灣堆積層滑坡滲流特征與穩(wěn)定性分析

李林均，簡文星，張端淼，董志鴻，張 彬，潘永亮

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，湖北 宜昌443000;3.湖北冶金地質(zhì)研究所(中南冶金地質(zhì)研究所)，湖北 宜昌 443003;4.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站應(yīng)急中心，湖北 武漢 430034)

三峽庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖性組成多樣，降雨豐富且暴雨頻發(fā)，是我國滑坡災(zāi)害發(fā)生頻繁的重災(zāi)區(qū)之一。在庫區(qū)各種類型滑坡災(zāi)害中，堆積層滑坡分布廣泛，數(shù)量眾多，所占比例較大，僅在長江上游地區(qū)100萬km范圍內(nèi)發(fā)育的1 736個滑坡中就有64%為堆積層滑坡。堆積層滑坡特殊的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征，決定了降雨及地下水的作用常常是導(dǎo)致其變形、甚至失穩(wěn)最主要的動因。據(jù)統(tǒng)計，秭歸縣50萬m以上受降雨激發(fā)的158處滑坡中堆積層滑坡為149處,占比達(dá)94%。因此，研究降雨作用下三峽庫區(qū)典型堆積層滑坡的滲流場和穩(wěn)定性變化規(guī)律十分必要。

已有研究表明，降雨可引起滑坡滲流場的變化，雨水入滲一方面使滑坡土體含水量增大、基質(zhì)吸力降低，從而引起抗剪強(qiáng)度減小，另一方面使滑坡土體孔隙水壓力增大、有效應(yīng)力降低，此外還可使滑帶飽和后軟化、強(qiáng)度降低?，F(xiàn)有入滲理論認(rèn)為，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到滑坡表層土體積水點之后，過強(qiáng)的降雨將轉(zhuǎn)化為地表徑流，雨強(qiáng)的增大并不會相應(yīng)地增加入滲量，因此均質(zhì)土坡中降雨入滲的影響深度極為有限。而通過對三峽庫區(qū)大量堆積層滑坡實例研究發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度越大，堆積層滑坡的規(guī)模也越大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為120 mm/d時可觸發(fā)中厚層堆積層滑坡，當(dāng)降雨強(qiáng)度為150 mm/d時可觸發(fā)大型厚層堆積層滑坡?？梢?，雨水滲入深層土體觸發(fā)大型滑坡的機(jī)制仍存在爭議。對于大多數(shù)滑坡，在發(fā)生整體滑移前往往會產(chǎn)生比較顯著的變形，尤其在滑坡中后部會產(chǎn)生一系列拉張裂縫；在暴雨作用下拉張裂縫處可以迅速形成優(yōu)勢入滲，從而增強(qiáng)暴雨對其穩(wěn)定性的影響。

目前，不少學(xué)者已經(jīng)開展了降雨作用下具有裂縫斜坡的滲流場與穩(wěn)定性評價方面的研究工作。如姚海林等、張維等、Zhang等對降雨作用下含裂隙的膨脹土邊坡滲流場與穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；魏凌傲等、萬思豪等分析了不同降雨類型下裂隙各向異性對膨脹土邊坡滲流場的影響；祝磊等、張毅等對降雨入滲作用下不同裂隙和風(fēng)化深度的煤系土邊坡的滲流場進(jìn)行了數(shù)值計算和分析；Zhang等利用有限元數(shù)值軟件再現(xiàn)了暴雨作用下川東紅層近水平基巖滑坡后緣裂縫充水導(dǎo)致其失穩(wěn)前的滲流場特征，并以此為基礎(chǔ)計算了在暴雨作用過程中坡體穩(wěn)定性的變化情況；蔣澤鋒等將邊坡臨界滑動場法與降雨入滲條件下飽和-非飽和滲流分析相結(jié)合，考慮了張裂縫在降雨入滲及充水狀態(tài)下對均質(zhì)黏土邊坡穩(wěn)定性的影響。

通過以上研究，人們已經(jīng)認(rèn)識到降雨作用下裂縫對不同類型巖土體滲流場與穩(wěn)定性有重要的影響。但是，對于大型堆積層滑坡，以往的研究在考慮降雨過程中其滲流場與穩(wěn)定性演化規(guī)律時往往沒有量化拉張裂縫的不利影響，且在其穩(wěn)定性評價時沒有對滑帶飽水后的動態(tài)軟化加以考慮。為此，本文通過地質(zhì)調(diào)查、位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值模擬方法，對三峽庫區(qū)譚家灣堆積層滑坡在暴雨作用下考慮裂縫優(yōu)勢入滲時的瞬態(tài)滲流場與穩(wěn)定性演化規(guī)律進(jìn)行研究，以期對暴雨誘發(fā)大型深層堆積層滑坡的機(jī)制及其防治工作提供一定的參考。

1 滑坡概況與地質(zhì)背景

譚家灣滑坡位于湖北省秭歸縣水田壩鄉(xiāng)，距三峽大壩43 km?；碌靥庯鰵w向斜核部長江北岸單斜順層斜坡，屬侵蝕構(gòu)造低山地貌類型，地勢南西高北東低。滑坡后緣高程為360 m，前緣最低高程為170 m左右，相對最大高差為200 m；滑坡平面形態(tài)呈“舌”形(見圖1)；滑坡主滑方向為68°，最大縱長約440 m，平均寬為295 m，滑體平均厚約25 m， 分布面積約為11.3×10m，體積約為282.5×10m，屬大型深層堆積層滑坡。

譚家灣滑坡滑體主要為含碎石粉質(zhì)黏土，呈黃褐-紅褐色，稍濕，可塑-硬塑，土石比約為7∶3～9∶1，碎石直徑一般為1～5 cm，大者可達(dá)8～20 cm，碎石成分主要為泥質(zhì)粉砂巖、石英砂巖；滑帶主要物質(zhì)成分為黃褐色含礫粉質(zhì)黏土，軟塑-可塑狀，土石比為9∶1，礫石成分主要為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、灰黃色石英砂巖，呈棱角-次棱角狀，粒徑約為0.2～0.4 cm，滑帶厚度約20～40 cm，平均厚度為30 cm；滑床為侏羅系上統(tǒng)蓬萊組(J

p

)地層，巖性為石英砂巖、紫紅色砂巖、泥巖不等厚互層，厚層狀構(gòu)造。譚家灣滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖1 譚家灣滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plan of Tanjiawan landslide1.滑坡邊界；2.剖面線及編號；3.鉆孔及編號；4.第四系滑坡堆積層；5.第四系殘坡堆積層；6.侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組

圖2 譚家灣滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical engineering geological section of Tanjiawan landslide1.含碎石粉質(zhì)黏土；2.卵石夾石粉質(zhì)黏土；3.泥質(zhì)粉砂巖；4.石英砂巖；5.第四系滑坡堆積層；6.侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組；7.滑帶及滑動方向；8.裂縫及編號；9.巖層產(chǎn)狀；10.推測地下水水位線

2 含裂縫譚家灣滑坡變形特征分析

2.1 滑坡宏觀變形分析

譚家灣滑坡第一次較大規(guī)模的變形發(fā)生于2014年夏季的一次強(qiáng)降雨過程，此后2017年和2018年的6～10月份強(qiáng)降雨時段，均有不同程度的變形跡象產(chǎn)生。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，譚家灣滑坡中后部發(fā)育多條弧形裂縫并伴有局部下挫，最大裂縫LF1長約135 m，拉張約5～50 cm[見圖3(a)]，最大下挫高度約120 cm；滑坡中前部變形最強(qiáng)烈區(qū)段公路路基有顯著下沉，路面已完全破損，整體下凹，并向滑動方向輕微凸出，公路損毀段長約10 m，變形約3～5 m，下沉為1～1.5 m，該段公路下方坡體發(fā)生鼓脹變形[見圖3(b)]。

圖3 譚家灣滑坡變形特征Fig.3 Deformation characteristics of Tanjiawan landslide

2.2 滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

據(jù)《三峽庫區(qū)秭歸縣地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工程專業(yè)監(jiān)測年報》相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，譚家灣滑坡的專業(yè)監(jiān)測手段包括GPS地表位移監(jiān)測、裂縫位移監(jiān)測兩類。譚家灣滑坡近十年地表累計位移、近三年地表裂縫(LF1)位移以及降雨量隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 譚家灣滑坡GPS地表位移監(jiān)測點、裂縫(LF1)監(jiān)測點累計位移以及降雨量隨時間變化的關(guān)系曲線Fig.4 Correlation curves of rainfall and accumulative displacement of GPS monitoring points and crack monitoring points in Tanjiawan landslide with time

由圖4可以看出:

(1) 在監(jiān)測時段內(nèi)3個GPS地表位移監(jiān)測點中位于滑坡中部和前部的測點ZG331、ZG333分別發(fā)生了2次、3次較大的變形，累計地表位移-時間曲線具有明顯的階躍特征，臺階高度在歷次變形中逐次增大，且歷次變形均發(fā)生在降雨量豐富的6～10月份，尤其是在2017年9～10月份持續(xù)性降雨時段，2018年6～7月份強(qiáng)降雨時段。

(2) 在該強(qiáng)降雨時段內(nèi)，裂縫位移-時間曲線同地表位移-時間曲線一樣呈現(xiàn)明顯的階躍式抬升。以2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，滑坡中部測點ZG331、前部測點ZG333的年度累計水平位移分別為894.5 mm、723.7 mm，在6月份之前累計水平位移-時間曲線較為平緩，隨后在6月18日至7月9日強(qiáng)降雨時段內(nèi)出現(xiàn)2次日降雨量高于40 mm的強(qiáng)降雨過程，且降雨量最大值高達(dá)121.6 mm(6月18日)，累計水平位移在該時段內(nèi)的增量分別達(dá)到754.3 mm、683.7 mm；位于滑坡中部的裂縫監(jiān)測點顯示在該年度內(nèi)裂縫寬度累計增加值為66.8 mm，位移速率為5.6 mm/月，最大日位移速率為34.1 mm/d，發(fā)生于7月6日；而滑坡后部測點ZG332的年度累計水平位移值僅為4.7 mm，位移速率為0.4 mm/月，可認(rèn)為幾乎沒有發(fā)生位移變化。

通過以上分析可知，譚家灣滑坡地表GPS位移監(jiān)測點的變形特征與地表裂縫位移特征基本吻合，滑坡變形區(qū)域主要集中在滑坡中前部，可能與滑坡中部基巖上凸的特殊形態(tài)有關(guān)；滑坡變形對強(qiáng)降雨過程十分敏感，且歷次變形均集中發(fā)生于降雨后一段時間內(nèi)，滑坡穩(wěn)定性具有逐年弱化的趨勢。

3 含裂縫譚家灣滑坡滲流特征與穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算分析

3.1 數(shù)值模型建立

綜合考慮譚家灣滑坡的工程地質(zhì)特征、監(jiān)測點分布情況和滑坡變形特征，以該滑坡2-2′主滑剖面為計算剖面建立二維數(shù)值模型，采用數(shù)值模擬軟件GEO-STUDIO分析暴雨條件下考慮裂縫優(yōu)勢入滲時譚家灣滑坡的滲流場與穩(wěn)定性演化規(guī)律。該滑坡數(shù)值模擬計算模型見圖5。

圖5 譚家灣滑坡數(shù)值模擬計算模型Fig.5 Numerical simulation calculation model of Tanjiawan landslide

(1) 初始狀態(tài)與邊界條件：秭歸地區(qū)多年平均年度總降雨量為1 028.6 mm，平均至每天為2.8 mm，將其作為初始流量邊界；根據(jù)譚家灣滑坡勘察資料可知，滑坡中后部鉆孔ZK02、ZK03揭露地下水水位埋深分別為23.3 m、17.7 m，勘察期間滑坡前緣歸州河水水位高程為162.4 m，據(jù)此對滑坡地下水水位初始水頭邊界條件進(jìn)行反演試算，最終將模型左側(cè)定水頭邊界設(shè)置為302.5 m，右側(cè)定水頭邊界設(shè)置為162.4 m，以此確定初始地下水水位；滑坡前緣剪出口到歸州河面設(shè)置為潛在溢出面，坡面設(shè)置為單位流量邊界模擬降雨，其余邊界均為不透水邊界。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行滑坡滲流場穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計算，并將所得滲流場結(jié)果作為模型的初始滲流場狀態(tài)。

(2) 裂縫的設(shè)置：目前利用數(shù)值方法對裂縫進(jìn)行模擬的方式較多，本文利用文獻(xiàn)[24]、[25]的思路，將裂縫兩側(cè)視為邊界，把裂縫從滑體區(qū)域去除，引入邊界條件，并對裂縫邊界處網(wǎng)格進(jìn)行加密。根據(jù)野外調(diào)查的實際情況對模型進(jìn)行簡化，僅在滑坡后緣(

x

=99.6 m)、中部(

x

=278.9 m)和前部(

x

=400.2 m)設(shè)置3條主要拉張裂縫，不考慮次要裂縫，滑坡中部裂縫寬度為0.4 m、深度為3 m，滑坡后緣和前部裂縫寬度為0.3 m、深度為2 m。

(3)材料參數(shù)：利用SEEP/W滲流模塊進(jìn)行滑坡滲流場模擬時，需要提供滑坡巖土體飽和滲透系數(shù)和飽和體積含水量這兩個重要的水力學(xué)參數(shù)，譚家灣滑坡巖土體飽和滲透系數(shù)和飽和體積含水量通過勘察資料與工程類比獲得，具體取值見表1。基于滑坡巖土體飽和體積含水量采用SEEP/W滲流模塊自帶的樣本函數(shù)類比可以獲取土-水特征曲線，在此基礎(chǔ)上結(jié)合滑坡巖土體飽和滲透系數(shù)與Frellund&Xing模型擬合,便可以得到滑坡巖土體滲透系數(shù)函數(shù)，滑坡巖土體滲透系數(shù)、基質(zhì)吸力及體積含水量的關(guān)系式如下：

(1)

式中：

K

為計算所得土體非飽和滲透系數(shù)(m/s);

K

為測得的土體飽和滲透系數(shù)(m/s);

θ

為土體體積含水量(無量綱)；

θ

′為土體體積含水量的一階導(dǎo)數(shù)；

θ

為土體飽和體積含水量(無量綱)；

y

代表基質(zhì)吸力算法的虛擬度量；

i

為

j

到

N

之間的數(shù)值距離；

ψ

為對應(yīng)第

j

步的土體基質(zhì)吸力(kPa)；

j

為最終函數(shù)描述的土體最小基質(zhì)吸力(kPa)；

N

為最終函數(shù)描述的土體最大基質(zhì)吸力(kPa);e為自然對數(shù)的底2.718 28。

此外，根據(jù)實際地層情況，并結(jié)合勘察資料室內(nèi)實驗結(jié)果以及三峽庫區(qū)秭歸段相似工程類比，綜合分析賦予譚家灣滑坡巖土體各層材料物理力學(xué)參數(shù)，具體數(shù)值見表1。

表1 譚家灣滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計算方案

圖6 秭歸縣最大日降雨量直方圖 (1960—2011年)Fig.6 Histogram of maximum daily rainfall in Zigui district(1960-2011)

秭歸地區(qū)降雨豐富，是三峽庫區(qū)兩個暴雨中心地帶之一，前人根據(jù)該區(qū)域1960—2011年日降雨量最大值統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見圖6)，并基于皮爾遜Ⅲ型曲線，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法得到秭歸地區(qū)10 a、20 a、50 a、100 a一遇日降雨強(qiáng)度分別為125.6 mm、142.9 mm、164.5 mm、180.2 mm。結(jié)合近年來極端降雨天氣日益頻現(xiàn)的趨勢，同時為了體現(xiàn)出暴雨過程中滑坡從非積水入滲到坡體裂縫內(nèi)產(chǎn)生積水，再轉(zhuǎn)換為積水入滲的過程，選擇以上極端降雨統(tǒng)計結(jié)果作為本次數(shù)值模擬的暴雨工況；降雨過程持續(xù)4 d，其中0～1 d為10 a一遇暴雨，1～2 d為20 a一遇暴雨，2～3 d為50 a一遇暴雨，3～4 d為100 a一遇暴雨；前3 d降雨強(qiáng)度小于滑體飽和滲透系數(shù)，無積水產(chǎn)生，裂縫設(shè)置為單位流量邊界，第4 d降雨強(qiáng)度大于滑體飽和滲透系數(shù)，認(rèn)為裂縫處迅速形成積水，裂縫邊界按定水頭邊界處理，積水深度為裂縫深度；同時在降雨停止后保持6 d不降雨的情況。

3.3 暴雨作用下含裂縫譚家灣滑坡滲流特征分析

為了便于對暴雨作用下含裂縫譚家灣滑坡的滲流特征進(jìn)行分析，在滑坡中部(

x

=278.9 m)和前部(

x

=400.2 m)裂縫處設(shè)置兩個監(jiān)測剖面(見圖5)，分別為監(jiān)測剖面1、監(jiān)測剖面2；圖7和圖8給出了整個暴雨過程中監(jiān)測剖面處特定深度滑坡巖土體的體積含水量、孔隙水壓力隨時間的變化情況。

圖7 暴雨作用下滑坡裂縫不同埋深處滑體體積含水量隨時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of volumetric water content of sliding mass of different depths of fracture profile with time under rainstorm

圖8 暴雨作用下滑坡裂縫不同埋深處滑體孔隙水壓力隨時間的變化曲線Fig.8 Variation curves of pore water pressure of sliding mass at different depths of fracture profile with time under rainstorm

3.3.1 滑坡裂縫處滑體體積含水量變化特征

由圖7可見，由于初始地下水的影響，滑體初始體積含水量隨埋深的增加逐漸增大，滑坡中部基巖向上微凸的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致中部的滑體較薄，地下水埋深較淺，因此滑坡中部裂縫處滑體的初始體積含水量相較于滑坡前部裂縫處滑體同一深度處的更大；在暴雨開始后，滑坡裂縫處地表土體體積含水量迅速升高，盡管前3 d降雨強(qiáng)度小于滑體飽和滲透系數(shù)，但在暴雨持續(xù)2 d后滑坡裂縫處地表土體均達(dá)到了飽和；滑坡中部裂縫埋深6 m處滑體體積含水量對暴雨開始時刻的響應(yīng)延遲時間為3 d，較滑坡前部裂縫處滑體同樣深度處提前了1 d；暴雨結(jié)束時，滑坡前部裂縫處埋深2 m、滑坡中部裂縫處埋深4 m內(nèi)的滑體均達(dá)到完全飽和狀態(tài)，可見此時滑坡裂縫處一定深度范圍內(nèi)均形成了瞬態(tài)飽和區(qū)域，且滑坡中部裂縫處的飽和區(qū)域更大；暴雨結(jié)束6 d后，滑坡前部裂縫處埋深為12 m處滑體體積含水量無變化，即使存在裂縫，雨水入滲影響范圍也未到達(dá)該深度，但埋深17.6 m(滑帶位置)處滑體體積含水量在暴雨降雨結(jié)束4 d后增長到0.33，由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變成飽和狀態(tài)；滑坡中部裂縫處雨水入滲影響深度則直達(dá)基覆界面滑帶處，并且滑帶在降雨結(jié)束后1 d時便已達(dá)到了飽和。

3.3.2 滑坡裂縫處滑體孔隙水壓力變化特征

由圖8可見，滑坡裂縫不同埋深處滑體的孔隙水壓力變化規(guī)律與體積含水量變化規(guī)律類似；在暴雨持續(xù)的前3 d內(nèi)，因降雨強(qiáng)度小于滑體飽和滲透系數(shù)，裂縫深度內(nèi)無積水產(chǎn)生，滑體孔隙水壓力一直未超過0 kPa；到暴雨持續(xù)第4 d時，降雨強(qiáng)度大于滑體飽和滲透系數(shù)，裂縫深度內(nèi)瞬態(tài)飽和區(qū)域產(chǎn)生積水，積水深度隨裂縫深度線性增加，滑坡中部和前部裂縫底部積水深度分別達(dá)到3 m、2 m，相應(yīng)的滑體孔隙水壓力值分別為30 kPa、20 kPa，并且裂縫底部外1 m處孔隙水壓力均大于0，分別達(dá)到6.7 kPa、1.7 kPa；暴雨結(jié)束1 d后，滑坡中部裂縫下部滑帶(10 m處)已達(dá)到飽和，由于雨水繼續(xù)下滲，該處滑體孔隙水壓力持續(xù)增大，在暴雨結(jié)束4 d后滑體孔隙水壓力從初始狀態(tài)時的-10.2 kPa升高到最大值15.7 kPa，增幅高達(dá)253.9%，地下水水位漲幅為2.6 m。此外，在整個暴雨過程中，滑坡前部裂縫在埋深12 m處滑體孔隙水壓力一直保持為-46.2 kPa，但是在埋深17.6 m(滑帶位置)處暴雨結(jié)束4 d時已達(dá)到飽和，滑體孔隙水壓力值在暴雨結(jié)束6 d后達(dá)到最高值8.6 kPa。

3.3.3 裂縫優(yōu)勢入滲對譚家灣滑坡滲流場的影響機(jī)制分析

前文所述較為清晰地反映了暴雨作用下含裂縫譚家灣滑坡的裂縫優(yōu)勢入滲過程，可見在連續(xù)極端暴雨工況下譚家灣滑坡所發(fā)育的3條主要拉張裂縫(尤其是滑坡中部裂縫)作為優(yōu)勢入滲通道對滑體內(nèi)的滲流場有顯著的影響。本文分析其原因認(rèn)為：一是由于堆積層滑坡發(fā)育的拉張裂縫擴(kuò)大了雨水入滲邊界，裂縫側(cè)壁直接受到暴雨的影響，地表與開裂深度范圍內(nèi)滑坡土體共同接受雨水的補(bǔ)給，入滲量增大導(dǎo)致土體含水量快速增加，裂縫處地表土體飽和時間提前；二是因為當(dāng)暴雨強(qiáng)度超過滑坡地表土體飽和滲透系數(shù)之后，此時入滲能力由滑體飽和滲透系數(shù)決定，雨水將會沿著地表順坡向徑流排泄，裂縫的存在導(dǎo)致徑流的雨水通過裂縫匯集直接滲入滑體內(nèi)部，縮短了滲流路徑，流動的雨水在滑體開裂深度內(nèi)擴(kuò)散速度快，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力迅速降低，并在裂縫處一定范圍內(nèi)快速形成瞬態(tài)飽和區(qū)域；該區(qū)域在雨水的持續(xù)補(bǔ)給下迅速形成積水，且積水深度隨裂縫的深度線性增加，積水有壓滲透顯著增加了入滲速度與入滲量，使得入滲影響范圍擴(kuò)大。此外，滑坡中部基巖向上突起的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致中部裂縫處滑體厚度較薄，裂縫底部距離地下水水位較近，土體初始體積含水量較高，因此暴雨作用下雨水通過滑坡中部裂縫入滲速度更快，響應(yīng)范圍更廣，更易直接補(bǔ)給入地下水，使滑帶處地下水水位大幅度升高，在水頭差作用下地下水沿滑帶處順坡向流動，從而引起滑坡前部裂縫處雨水入滲影響極限深度之外的滑帶(埋深為17.6 m)位置在降雨結(jié)束6 d后地下水水位漲幅接近1 m。

3.4 暴雨作用下含裂縫譚家灣滑坡穩(wěn)定性分析

將上節(jié)所得暴雨條件下含裂縫譚家灣滑坡瞬態(tài)滲流場計算結(jié)果導(dǎo)入GEO-SLOPE/W模塊，可以得到暴雨過程中滑體不同時刻的暫態(tài)孔隙水壓力分布情況，基于Fredlund非飽和土強(qiáng)度理論，利用Vanapalli等提出的方程可以計算出暴雨過程中滑帶的非飽和抗剪強(qiáng)度，具體方程如下：

(2)

式中:

τ

為非飽和土體抗剪強(qiáng)度(kPa)；

c

′為土體有效黏聚力(kPa)；

φ

′為土體有效內(nèi)摩擦角(°);(

σ

-

u

)為破壞面上土體的凈法向應(yīng)力(kPa)；(

u

-

u

)為破壞面上土體的基質(zhì)吸力(kPa)；

θ

為土體體積含水量；

θ

為土體飽和體積含水量；

θ

為土體殘余體積含水量。此外，暴雨入滲后導(dǎo)致地下水水位升高，滑帶在地下水滲流與浸泡軟化作用下微觀結(jié)構(gòu)損傷引起強(qiáng)度大幅度降低，且其強(qiáng)度會隨飽和時間的延長進(jìn)一步劣化，在滑坡穩(wěn)定性計算時須予以考慮。因此，假定滑帶土飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

c

和

φ

隨飽和時間的變化關(guān)系為

S

(

t

)=

α

(

t

)·

S

(0)

(3)

式中:

S

(

t

)為飽水時長

t

時滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

c

或

φ

值；

S

(0)為初始飽和時刻(

t

=0)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

c

或

φ

值；

α

(

t

)為滑帶土抗剪強(qiáng)度隨飽和時間的衰減因子。譚家灣滑坡滑帶土的強(qiáng)度衰減因子通過工程類比選用文獻(xiàn)[31]對秭歸千將坪滑坡滑帶土在不同飽水時長下的抗剪強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)計算所得，千將坪滑坡與譚家灣滑坡距離較近，且兩者均發(fā)育于侏羅系地層，其滑帶土為侏羅系中統(tǒng)炭質(zhì)頁巖夾層剪切泥化形成的黃褐色粉質(zhì)黏土，對譚家灣滑坡基覆界面處含侏羅系上統(tǒng)泥巖角礫的黃褐色粉質(zhì)黏土滑帶具有一定的借鑒意義。采用指數(shù)函數(shù)模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到滑坡滑帶土黏聚力

c

和內(nèi)摩擦角

φ

的

α

(

t

)隨飽水時間的變化規(guī)律分別符合如下模型：

α

(

t

)=0.60+0.40e-0.05

(4)

α

(

t

)=0.77+0.23e-0.05

(5)

譚家灣滑坡滑帶土天然強(qiáng)度和初始飽和強(qiáng)度取值見表1，結(jié)合公式(3)～(5)可實現(xiàn)暴雨結(jié)束后處于不同飽和軟化時長下的譚家灣滑坡滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的動態(tài)取值。在以上基礎(chǔ)上,結(jié)合極限平衡法中的Morgenstern-Price法，可對在整個暴雨過程中同時考慮暫態(tài)正負(fù)水壓力及軟化作用下的譚家灣滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算。需要指出的是，由于該滑坡上、下部滑動面不是統(tǒng)一的整體，難以整體滑動，且變形主要集中在滑坡中前部，因此滑坡穩(wěn)定性計算時滑動面設(shè)置為從滑坡中部裂縫進(jìn)入沿基覆界面至前緣剪出(見圖5)。此外，在計算過程中滑坡滑帶土的飽和軟化時長根據(jù)第3.3.1節(jié)滑坡裂縫處滑體體積含水量監(jiān)測剖面來確定，由滑坡中部裂縫處滑體體積含水量監(jiān)測剖面數(shù)據(jù)[見圖7(a)]可知，監(jiān)測剖面1底部滑帶土在暴雨持續(xù)的1～4 d內(nèi)均為非飽和狀態(tài)，因此在暴雨持續(xù)過程中滑坡穩(wěn)定性計算采用滑帶土天然抗剪強(qiáng)度參數(shù)；降雨結(jié)束1 d時(第5 d)，滑坡中部裂縫監(jiān)測剖面底部滑帶土已達(dá)到飽和，此時地下水水位已升高到滑帶以上，并且形成較高的水頭將促使地下水沿滑帶向下快速滲流，滑坡下部滑帶土也將迅速飽和。因此，為了便于取值計算，基于最不利工況假設(shè)，在第5 d時，假設(shè)滑帶土全部達(dá)到飽和，統(tǒng)一采用初始飽和強(qiáng)度參數(shù)；隨后第6 d至第10 d，假設(shè)滑坡滑帶土飽水時長分別為1 d至5 d，從而可采用公式(3)～(5)對相應(yīng)飽水時長下滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)依次進(jìn)行計算，最終計算得到滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨持時的關(guān)系見圖9。

圖9 譚家灣滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨持時的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between stability factor of Tanjiawan landslide and rainfall duration

由圖9可見，隨著暴雨過程的持續(xù)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)逐步下降，這是由于隨著雨水的入滲，滑體含水量增加、基質(zhì)吸力減小，降低了土體的抗剪強(qiáng)度；在暴雨持續(xù)4 d的過程中，暴雨強(qiáng)度大于滑體飽和滲透系數(shù)，雨水徑流匯入滑體表面拉張裂縫形成的積水入滲大幅度增加了雨水在滑體內(nèi)的入滲速度、入滲量，使滑體基質(zhì)吸力下降速度加快，滑體基質(zhì)吸力降低的范圍擴(kuò)大，從而引起滑坡穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度與下降速度開始增大；降雨結(jié)束1 d后，由滑坡中部裂縫處滑體體積含水量和孔隙水壓力的監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖7和圖8)可知，下滲的雨水升高了地下水水位使滑帶土開始飽和，強(qiáng)度軟化降低，且其孔隙水壓力持續(xù)增大，因此滑坡穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)大幅度下降；隨后地下水持續(xù)向下滲流形成動水壓力，并且滑帶土的飽水時長不斷增加，導(dǎo)致滑帶土微觀結(jié)構(gòu)損傷，強(qiáng)度進(jìn)一步劣化，引起滑坡穩(wěn)定性系數(shù)持續(xù)降低；到暴雨結(jié)束6 d后，滑坡前部裂縫處滑體孔隙水壓力監(jiān)測剖面[見圖8(b)]顯示，該剖面底部滑帶處土體孔隙水壓力此時達(dá)到最高，并且滑帶土在持續(xù)飽水軟化5 d后強(qiáng)度衰減達(dá)到最低，導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最低值0.997，此時滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，連續(xù)極端暴雨作用下譚家灣滑坡后緣、中部和前部發(fā)育的3條主要拉張裂縫處形成的優(yōu)勢入滲對該滑坡的穩(wěn)定性極為不利。

4 結(jié)論與建議

(1) 譚家灣滑坡在天然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，其變形主要集中在滑坡中前部，且與強(qiáng)降雨過程緊密相關(guān)；滑坡地表累計位移-時間曲線與裂縫累計位移-時間曲線呈明顯的階躍特征，前期形成的拉張裂縫對其變形有不利影響，在降雨等因素的影響下滑坡穩(wěn)定性具有進(jìn)一步弱化的趨勢。

(2) 在暴雨條件下，拉張裂縫對譚家灣滑坡滲流場與穩(wěn)定性的影響較為顯著，裂縫一方面擴(kuò)大了堆積層滑坡的入滲邊界，縮短了入滲路徑；另一方面當(dāng)降雨強(qiáng)度大于滑體飽和滲透系數(shù)之后，地表徑流的雨水匯入裂縫，使裂縫深度內(nèi)土體快速飽和，形成積水后轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎喝霛B，大幅度增加了雨水的入滲速度、入滲量。

(3) 在暴雨條件下，拉張裂縫的發(fā)育部位對譚家灣滑坡滲流場的影響程度存在較大的差異。當(dāng)裂縫發(fā)育處滑體厚度較薄、距離地下水水位較近時，雨水通過裂縫更易直接補(bǔ)給地下水，引起滑帶處地下水水位的大幅度升高，滑帶土持續(xù)浸泡軟化后導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性大幅度且持續(xù)性地降低。

(4) 三峽庫區(qū)降雨豐富，堆積層滑坡發(fā)育數(shù)量大且分布廣泛，在庫區(qū)堆積層滑坡勘察、監(jiān)測及防治工作中需加強(qiáng)對滑坡地表拉張裂縫的詳細(xì)調(diào)查并采取相應(yīng)的封閉措施，以防止雨水通過裂縫大量入滲對堆積層滑坡穩(wěn)定性造成不利的影響。