降雨誘發(fā)淺層滑坡漸進破壞分析研究

王正宇，樊 輝

(1.貴州省地質礦產勘查開發(fā)局105地質大隊，貴州 貴陽 550018；2.貴州省減災中心，貴州 貴陽 550001)

1 引言

眾多事實表明，降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的最主要的環(huán)境因素之一，也是引發(fā)淺層滑坡觸發(fā)的關鍵因素(郭璇，2005；李寧，2012)。我國南方以及中南、西南地區(qū)山地或人工邊坡在雨季常發(fā)生滑坡，這些滑坡災害中尤以淺層滑坡最為多見且備受關注(劉新喜，2007)。在分析降雨誘發(fā)淺層滑坡中，由于滑體的深長比較小，常用無限斜坡模型來進行分析。Pradel 等(Pradel D，1993)研究了均質邊坡在長歷時、高強度降雨條件下發(fā)生的淺層滑坡現(xiàn)象，并提出了無限平面滑動型邊坡模型。李秀珍等(李秀珍，2015)利用Mein-Larson降雨入滲模型結合無限斜坡模型，分析了短時強降雨和長時小降雨兩種情況下的滑坡穩(wěn)定性變化情況。Muntohar 等(Muntohar A S，2010)利用改進的 Green-Ampt 模型結合無限邊坡提出一個計算模型來進行淺層滑坡的分析。但無限斜坡模型假定局部安全情況和整體安全情況相同，每一個條塊的穩(wěn)定性系數(shù)都相等(王宇，2013)，這顯然與實際情況不符，且沒有反映出滑坡的實際演化規(guī)律。

漸進破壞分析方法以極限平衡方法為基礎，分條塊進行滑坡穩(wěn)定性評價，可以反映滑坡變形破壞的實際情況。Anderson等(Anderson S A，1995)以加利福利亞為研究區(qū)，提出了應力傳遞方法來分析降雨誘發(fā)泥石流災害的漸進破壞。Liu(Liu C N，2009)提出了一種考慮應變軟化作用的降雨誘發(fā)淺層滑坡漸進破壞評價方法。Khan等(Khan Y A，2011)利用非垂直的條塊劃分方法，以馬來西亞檳城島為研究區(qū)，進行了降雨誘發(fā)淺層滑坡的漸進破壞評價。但上述方法都沒有考慮濕潤鋒對于淺層滑坡穩(wěn)定性的影響，而降雨誘發(fā)淺層滑坡的評價準確與否，取決于對降雨入滲過程的刻畫能力(劉新喜，2007)。

本文基于Green-Ampt入滲模型，同時，考慮了濕潤鋒以上飽和帶的滲流作用以及濕潤鋒對土體抗剪強度的影響，結合滑坡漸進破壞分析方法，提出了一種降雨誘發(fā)淺層滑坡漸進破壞的評價方法。以湖南湘西古丈滑坡為例，分析其在強降雨作用下，滑坡破壞的動態(tài)演化規(guī)律。

2 滑坡破壞力學模型

2.1 滑坡降雨入滲模型

斜坡降雨入滲過程的分析是準確把握降雨誘發(fā)滑坡的關鍵，據(jù)有關研究表明，降雨過程當中，斜坡其上處于飽和狀態(tài)，且飽和帶范圍隨著降雨的持續(xù)進行逐漸向下部擴展。在分析降雨入滲過程中，無限斜坡模型忽略了上坡單元對下坡單元的水量補給作用。事實上，針對每一個條塊而言，降雨入滲的過程可以概化為兩方面(圖1)，首先，隨著降雨的持續(xù)進行，條塊內部形成濕潤鋒，并逐漸向下擴展。飽和帶的水分會平行坡體表面向下補給另一個條塊，同時產生滲透力的作用(汪丁建，2016)。

圖1 滑坡降雨入滲示意圖Fig.1 Diagram of rainfall infiltration of landslide

基于Green-Ampt模型(許建聰，2005)對降雨入滲過程的假定(圖2)，根據(jù)水量平衡原理和達西定律，強降雨作用下，入滲率可以由下式表達：

圖2 模型簡圖Fig.2 Model sketch

(1)

降雨初期，地表土體尚未達到飽和，土體內的濕潤鋒還未形成，此時，降雨強度小于土體入滲能力，入滲邊界由降雨控制；隨著降雨的持續(xù)進行，土體入滲能力開始逐漸下降，在某一時刻tp，降雨強度開始大于土體入滲能力，即濕潤鋒形成，此時入滲率等于降雨強度，則tp時刻的濕潤鋒深度以及累積入滲量可以由式(2)、(3)表達：

(2)

(3)

相應的，濕潤鋒形成的時間tp可以用式(4)表達：

(4)

根據(jù)累積入滲量與入滲率的相互關系，可以得到：

(5)

將(1)帶入(5)我們可以得到濕潤鋒向下擴展的速率為：

(6)

另一方面，飽和帶的水分會平行坡體表面向下補給另一個條塊，使得濕潤鋒入滲深度相對減小，同時，被補給的條塊濕潤鋒深度相對增加。根據(jù)達西定律，我們可以得到：

(7)

因此，濕潤鋒深度隨時間的相對減少量為：

(8)

故在不考慮上坡條塊補給量的情況下，濕潤鋒實際的擴展深度為：

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2 滑坡漸進式破壞模型

滑坡漸進破壞計算時，條塊的受力情況如圖3所示：

圖3 滑坡條塊受力簡圖Fig.3 Block force diagram of landslide

土體抗剪強度準則的選擇是進行極限平衡法分析滑坡穩(wěn)定性的基礎。目前，針對非飽和土體的抗剪強度計算，最為常用的就是Fredlund提出的擴展的Mohr-Coulomb準則，采用相互獨立的雙應力狀態(tài)變量(Fredlund D G，1993)，即：

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(13)

由于基質吸力和正應力是相互獨立的狀態(tài)變量，因此可以將基質吸力作為對粘聚力的貢獻[16]：

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+cψ

(14)

式中：cψ為表觀粘聚力。

降雨入滲過程中，土體內的含水率處于非均勻狀態(tài)，濕潤鋒以下處于非飽和狀態(tài)，以上處于飽和狀態(tài)?；峦馏w所處的物理狀態(tài)較為復雜，為了便于分析，Montrasio(Montrasio L，2008)通過大量的室內實驗，提出了一種簡化的抗剪強度計算模型。該模型將土條塊簡化為新的含水率均勻土條塊進行計算，有效內摩擦角不變，表觀粘聚力滿足如下關系：

cψ=ASr(1-Sr)λ(1-η)x

(15)

式中：A、λ一般為試驗獲取的參數(shù)值；Sr為土體飽和度；η為飽和層的厚度比，即η=h/H；為飽和層的豎向高度，x為試驗參數(shù)，根據(jù)文獻一般取3.4。由于表觀粘聚力與濕潤鋒的深度有關，故每一個條塊的表觀粘聚力會不同。

滑坡漸進破壞的計算主要以條塊的安全余度為基礎，即條塊所受的下滑力與抗滑力之差。將各條塊的受力分解為該條塊平行滑面方向上和垂直滑面方向上的兩個分力，則第i條塊的下滑力為：

Si=Gisinai+Pi+Fi-1cos(ai-1-ai)-Fi

(16)

第i條塊的抗滑力為：

(17)

第條塊滑體在滑面法線上的分力為：

Ni=Gicosai+Fi-1sin(ai-1-ai)

(18)

其中，G為豎直向下的重力：

G=γshlcosa+γ(H-h)lcosa

(19)

式中：γs、γ分別為土體飽和重度和自然條件下的重度。

P為由于飽和帶滲流作用產生的滲透力：

P=γwhlsinacosa

(20)

式中：γw為水的重度。

合力F1、Fi-1分別代表第i條塊兩側相鄰條塊的作用，F(xiàn)i反映了第i+1至第n條塊對i條塊的擠壓作用，F(xiàn)i-1為第1至第i-1條塊的剩余推力，是第1至第i-1條塊主動施加于i條塊的。故：

(21)

(22)

(23)

由于條塊不能主動向上部條塊擠壓，因此條塊間力Fi、Fi-1若小于零則取零。

由公式(16)至(22)，任意一個條塊的安全余度和穩(wěn)定性系數(shù)可以表示為：

Zi=(c′+cψ)ili+Nitanφi-Si

(24)

(25)

3 滑坡實例

2016年7月17日12時零5分，受持續(xù)性強降雨影響，湖南省湘西土家族苗族自治州古丈縣墨戎鎮(zhèn)龍鼻村九組附近山體發(fā)生滑坡，損毀房屋5棟14間(圖4)。由于預警及時、處置果斷，在災害發(fā)生前15分鐘成功轉移群眾500余人，無一人傷亡。

圖4 滑坡全貌Fig.4 Landslide panorama

滑坡寬約40 m，坡面坡度約45°，滑體厚度約3 m，方量約1萬立方米，主要由松散堆積體組成。根據(jù)剖面形態(tài)(圖5)，將滑體概化成如圖6所示的形狀，假定滑動面與坡面平行，滑體厚度為3 m，且將滑體劃分為63個條塊，同時，將條塊由上之下依次編號1-63，各個條塊的長度大致相同。

圖5 滑坡剖面圖Fig.5 Landslide profile

圖6 概化模型簡圖Fig.6 Generalized model diagram

計算過程中，每一個條塊的幾何參數(shù)可以從剖面圖中獲取，包括：條塊的坡長和坡角。土體的水文力學參數(shù)見表1所示，土體的物理力學參數(shù)見表2所示。由于條塊不能主動向上部條塊擠壓，因此條塊間力Fi、Fi-1若小于零則取零。降雨強度根據(jù)當天5小時的累計降雨量203.5 mm，即降雨強度為40.7 mm/h。

表1 水文力學參數(shù)Table 1 Hydrological mechanics parameters

表2 物理力學參數(shù)Table 2 Physical mechanics parameters

4 結果分析

在持續(xù)降雨作用下，濕潤鋒逐漸向下部擴展，由于每一個條塊的幾何尺寸不同，相同時間里，每一個條塊中的濕潤鋒擴展深度各不相同(圖7)，擴展深度較大的位置主要集中在地形平緩的區(qū)域，擴展深度較小的位置主要集中在地形陡峭的區(qū)域。這主要由于地形平緩的位置容易形成匯水區(qū)，降雨條件下容易形成向下的滲流作用，同時，上坡單元向下坡單元的補給作用也相對較弱。

圖7 不同時刻各條塊濕潤鋒下滲深度與坡度的關系

下圖反映了，不同時刻各個條塊安全余度的變化情況(圖8)。條塊安全余度越大，滑坡越偏穩(wěn)定。從圖中可以看出，隨著降雨的不斷進行，各個條塊的安全余度逐漸減小，可見受降雨影響，滑坡穩(wěn)定性逐漸變差。

圖8 不同時刻各條塊的安全余度變化情況Fig.8 The change of the safety redundancy of eachblock in different time

根據(jù)滑坡各個條塊穩(wěn)定性的大小，將滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為4個級別：

表3 滑坡穩(wěn)定性分級表Table 3 Classification of landslide stability

根據(jù)條塊穩(wěn)定性級別，畫出滑坡隨著降雨持續(xù)進行下的漸進破壞發(fā)展圖(圖9)。從圖中可以看出，滑坡首先發(fā)生破壞的條塊為前緣和中前部，其他條塊穩(wěn)定性良好，隨著降雨的持續(xù)進行，滑坡中后部分的條塊穩(wěn)定性逐漸減小，直至破壞。由此可見，該滑坡的破壞是由局部開始，逐漸向整體破壞發(fā)展。其破壞過程與文獻(張玉恩，2020)中分析和描述的結果相一致。

圖9 不同時刻下滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)圖Fig.9 Landslide stability state diagram in different time

值得注意的是，滑坡體中前部平緩的區(qū)域，是降雨過程當中的匯水區(qū)，濕潤鋒下滲最快的部分，由于該部分地形平緩，土體飽和帶的滲流作用較小，滲透力較小，而重力提供垂直于滑面的分力較大，故在降雨期間，該部分的土體一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，但前緣條塊一旦失穩(wěn)，該部分由于缺少支擋，有較好的臨空面，破壞逐步向后緣擴展，形成牽引式滑坡。

5 結論

(1)通過計算分析，在降雨作用下，滑坡的失穩(wěn)破壞主要是由于前緣土體以及中前部土體的局部破壞，而逐漸發(fā)展為整體破壞。

(2)受滑坡地形影響，地形平緩的區(qū)域雖然濕潤鋒下滲較快，土體抗剪強度較低，但由于土體飽和帶的滲流作用較小，滲透力較小，而重力提供垂直于滑面的分力較大，在降雨期間，該部分的土體一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，故濕潤鋒對于滑坡穩(wěn)定性的影響還應該根據(jù)不同地形條件加以分析。

(3)通過比較條塊的穩(wěn)定性和整體的穩(wěn)定性可知，雖然滑坡的整體穩(wěn)定性良好，但局部的條塊可能已經達到了不穩(wěn)定的級別，也會引起滑坡由局部到整體的失穩(wěn)。

(4)基于降雨誘發(fā)淺層滑坡漸進破壞的分析方法可以更全面地了解在降雨條件下滑坡最易出現(xiàn)初始破壞的部位，即滑坡穩(wěn)定性最小的位置，在進行降雨誘發(fā)淺層滑坡變形階段的監(jiān)測預警中，通過了解潛在的初始破壞位置及變形方式，可以指導關鍵性監(jiān)測點的布設，有助于監(jiān)測和防治工作的進行。