降雨入滲對雙層滑帶滑坡的穩(wěn)定性影響研究

肖正奕，宋 亮，張榮堂

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

0 引言

影響水庫滑坡穩(wěn)定性的兩大主要因素是降雨和庫水位。國內(nèi)外學(xué)者針對降雨對滑坡的影響進行了許多研究，同時分析了多種影響因子對滑坡體的影響。丁志洋等[1]認為自然界絕大多數(shù)滑坡都是在降雨期間發(fā)生的，研究降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響具有十分重要的意義，分析了不同蓄水期、不同降雨條件對滑坡穩(wěn)定性的影響；楊欣[2]采用GEO-STUDIO研究了不同降雨因素下含軟弱夾層路塹高邊坡坡頂、坡中及坡底位置滲流特性；王力等[3]認為復(fù)活型滑坡是否失穩(wěn)的主要因素將取決于大氣降雨，并且在研究中考慮了材料各向異性滲透系數(shù)；杜鋒等[4]基于相似理論建立地質(zhì)物理模型,考慮水位升降、降雨(含汛期)等誘發(fā)因素，通過監(jiān)測滑坡模型的位移、土壓力及孔隙水壓力的時空演化規(guī)律,掌握滑坡的變形特征和規(guī)律。有些學(xué)者提出了與降雨有關(guān)的理論推導(dǎo)，常金源等[5]推導(dǎo)了有無地下水位條件下的邊坡安全系數(shù)和降雨時間的關(guān)系式；湯明高等[6]通過三峽水庫石榴樹包滑坡地下水動態(tài)監(jiān)測，揭示了庫水位變化和降雨條件下滑坡地下水水位動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，其地下水滲流場近似層流，滑坡前緣和中部的地下水水位與庫水位幾乎同步，滑坡后部的地下水水位主要受降雨影響，建立了滑坡在周期性庫水位變化和隨機降雨耦合條件下的地下水非穩(wěn)定滲流微分方程，解算出水庫滑坡地下水位浸潤線計算模型，并采用實際監(jiān)測結(jié)果進行了驗證；韓同春等[7]認為邊坡土體降雨入滲過程與坡面徑流深度有關(guān)；樓平等[8]研究了典型土質(zhì)斜坡的降雨入滲過程以及斜坡在降雨條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布特征。但前人研究多聚焦于單層滑帶滑坡，對雙層滑帶或多層滑帶的滑坡涉及較少。

本文以三峽庫區(qū)馬家溝滑坡防治工程為背景，應(yīng)用有限元分析方法GEO-STUDIO，開展了降雨條件下雙層滑帶滑坡的穩(wěn)定性研究，并初步探討了淺層滑帶和深層滑帶之間的相互作用規(guī)律。

1 工程概況

馬家溝滑坡位于秭歸縣歸州鎮(zhèn)，滑體整體為一緩坡型山梁，從下至上地形依次為吒溪河—陡坎—緩坡(梯田)—歸水公路—緩坡(梯田)和村級公路—臺階—坡地等，前后緣高程分別為135 m和288 m，整體坡度為15°，剪出口淹沒于現(xiàn)水位下，地質(zhì)剖面圖如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)測繪，槽探、淺井、鉆探等揭露滑坡物質(zhì)組成分別為：滑坡體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本上一致，主要由坡堆積形成的粉質(zhì)黏土夾碎塊石構(gòu)成，滑帶土體主要由強風(fēng)化的粉砂質(zhì)泥巖組成，因含水較高多泥化，滑帶厚依泥巖厚度多在0.5～0.8 m，滑床地層為侏羅系遂寧組(J3s)地層，巖層傾向均為270°～290°，傾角25°～30°，與滑坡主滑方向相接近。巖性為中厚層灰白色長石石英質(zhì)細砂巖和褐紅色薄層粉砂質(zhì)泥巖互層。

圖1 馬家溝滑坡工程地質(zhì)剖面

2 模型建立

2.1 計算方法

降雨入滲引起的邊坡滲流場本質(zhì)上是一個非穩(wěn)定滲流問題。本次基于非穩(wěn)定滲流有限元分析方法，首先利用SEEP/W 程序，對不同工況下的滑坡進行降雨條件下瞬態(tài)滲流問題分析，得到不同條件下滲流場的孔隙水壓力分布情況，然后將所得的滲流場中的孔隙水壓力值作為初始值，輸入SLOPE/W中，進而計算出滑坡的坡體位移及穩(wěn)定性系數(shù)。

2.2 計算模型

本文綜合考慮馬家溝滑坡的工程地質(zhì)特征和滑坡變形特征，選擇其典型剖面作為計算剖面，同時考慮降雨作用下滑坡雙滑帶之間的相互作用，設(shè)置了含淺層滑帶、含深層滑帶以及同時含有淺層滑帶和深層滑帶3種計算模型。模型縱向長約為550 m，后緣高程約為 288 m，前緣剪出口高程約為135 m。綜合考慮計算精度和計算時長，確定計算網(wǎng)格以5 m為標(biāo)準(zhǔn):模型一由2 713個節(jié)點、2 544個單元構(gòu)成；模型二由2 722個節(jié)點、2 560個單元構(gòu)成;模型三由2 718節(jié)點、2 549個單元構(gòu)成。計算中所采用的物理力學(xué)參數(shù)和各土層參數(shù)均由現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)試驗綜合確定，具體數(shù)值如表1所示，邊坡計算模型如圖2所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 邊坡計算模型

2.3 計算工況

根據(jù)近10年的監(jiān)測資料，滑坡所在區(qū)域降雨主要集中在4—10月，月平均降雨量為87.2～147.2 mm，當(dāng)降雨量達到40 mm/d時，滑坡有變形加劇的跡象。為模擬強降雨條件，本次模擬選取50 mm/d作為降雨邊界，具體模擬方案如表2所示。

表2 數(shù)值模擬方案

3 降雨滲流模擬及穩(wěn)定性分析

3.1 降雨對雙層滑帶滑坡滲流場的影響

計算結(jié)果如圖3—5所示。

圖3 浸潤線0～3 t細節(jié)圖

圖4 3種工況下孔隙水壓力分布

注：圖中位移均以m為單位。圖5 3種工況下最終X-位移分布

從降雨過程中浸潤線的變化(見圖3)可以看出：降雨開始時，3種工況下的浸潤線與初始水位線(145 m)基本持平；隨著降雨的進行浸潤線不斷上升，降雨結(jié)束時，深層滑帶附近浸潤線高度為工況一>工況三>工況二，雨水滲入淺層滑帶后浸潤線高度慢慢持平，說明深層滑帶的存在起到了延長滑坡體的整體滲透路徑作用，使得工況二、三較工況一滯后性明顯；淺層滑帶靠近地表，對雨水入滲有促進作用。

從3種工況下孔隙水壓力分布云圖(見圖4)可以看出：隨著降雨時間的增加，滑坡表層土體最先受到降雨的影響，滑坡坡面單位流量矢量密集，相較于工況二，工況一和工況三淺層滑帶上方單位流量方向是沿滑帶向下滲入且滲流速度加快，說明淺層滑帶的存在起到了減弱滑坡體整體滲透性的作用，使得雨水沿著淺層滑帶向下滲流，工況一、三降雨入滲速度相對較快，而深層滑帶減弱了淺層滑帶的入滲速度，加快了深層滑帶附近區(qū)域的孔隙水壓力變化幅度。

3.2 降雨對雙層滑帶滑坡變形的影響

由圖5可知，隨著降雨的發(fā)生3個工況坡表都有滑動的趨勢，且均集中在坡腳，滑帶后緣均出現(xiàn)向下滑動的趨勢。含雙層滑帶的滑坡變形區(qū)域最大，但淺層滑帶位移值略小于工況一，工況二深層滑帶變形區(qū)域最小，由此可知，雙層滑帶滑坡中，深層滑帶有減弱滑坡體土體滑動的作用，而淺層滑帶加快滑坡下滑。

3.3 降雨對雙層滑帶滑坡穩(wěn)定性的影響

圖6為各工況滑坡安全系數(shù)隨時間變化曲線，由計算結(jié)果可知：在降雨持續(xù)過程中，3種工況下滑坡體的安全系數(shù)都是逐漸減小的。其中，降雨結(jié)束時淺層滑帶的安全系數(shù)小于深層滑帶的安全系數(shù)，且降幅遠遠大于深層滑帶，說明降雨對淺層滑帶的影響要大于深層滑帶；同時，對比工況一和工況三兩種工況下淺層滑帶的安全系數(shù)可知，工況一淺層滑帶安全系數(shù)的降低更為明顯，說明在降雨條件下，深層滑帶的存在使得淺層滑帶更不易滑動；而工況三下深層滑帶的安全系數(shù)下降速度大于工況二，說明在降雨條件下，淺層滑帶的存在使得深層滑帶更容易滑動。

圖6 各工況滑坡安全系數(shù)隨時間變化曲線

4 結(jié)語

本文采用有限元分析方法GEO-STUDIO對降雨條件下雙層滑帶滑坡的穩(wěn)定性進行了研究，通過計算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

(1)降雨入滲過程中，飽和區(qū)域增大，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，抗剪強度降低，穩(wěn)定性降低，降雨對淺層滑帶穩(wěn)定性的影響大于深層滑帶。滑帶距離滑坡表面越遠，滲透路徑越長，滑坡滯后性越明顯。

(2)降雨對淺層滑帶的穩(wěn)定性影響大于深層滑帶；同時通過對比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于淺層滑帶和深層滑帶之間的相互作用，深層滑帶的存在使得淺層滑帶更不易滑動，而淺層滑帶的存在使得深層滑帶更容易失穩(wěn)。