基于降雨作用的陡傾順向巖質(zhì)滑坡變形破壞機(jī)理研究
——以蘄春縣牛沖村滑坡為例

朱文慧,鄒 浩*,何 卓,李又升,何明明

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊,湖北 黃岡 438000;3.中南冶勘資源環(huán)境工程有限公司,湖北 武漢 430035; 4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074)

降雨是滑坡的重要觸發(fā)因素之一[1],許多學(xué)者開展了降雨對滑坡的作用機(jī)理研究。Lourenco et al.[2]分析了不同土層在相同降雨條件下,孔隙水壓力的變化情況。Lim et al.[3]通過對南洋理工大學(xué)校園內(nèi)的殘積土斜坡進(jìn)行降雨模擬試驗,取得了坡體中基質(zhì)吸力變化規(guī)律。蘭恒星等[4]分析了孔隙水壓力對香港淺層邊坡穩(wěn)定性的影響,得出滑坡是因為降雨導(dǎo)致瞬時孔隙水壓力發(fā)生了變化。李峰等[5]研究了非飽和土體的吸力、吸水軟化、地下水位等方面隨降雨入滲量而變化的特性,建立了考慮非飽和土滲透系數(shù)空間變化特性的降雨入滲模型。銀明鋒[6]采用室內(nèi)模型試驗與理論分析的方法探索了風(fēng)化巖質(zhì)邊坡在降雨條件下的滲流和滑坡機(jī)理。王維早等[7]通過在典型滑坡體開展地下水現(xiàn)場監(jiān)測、高密度電法等試驗研究南江縣平緩淺層堆積層斜坡的降雨入滲規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著降雨的繼續(xù),飽和區(qū)域不斷由坡體前緣沿著基覆界面向坡體的中后部推移,水位不斷上升,孔隙水壓力逐漸增大。DeGraff et al.[8]分析得出降雨引起的地下水滲流產(chǎn)生的動水壓力是滑坡發(fā)生的主要因素。周中等[9]通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)變形量從坡面到坡體深部逐漸減小,入滲率隨時間逐漸減小。崔云等[10]構(gòu)建了水動力作用模型,得出了強(qiáng)降雨控制滑坡發(fā)育集中表現(xiàn)在改變土體的靜水壓力、動水壓力與浮托力作用三方面的結(jié)論。李濱鍔等[11]從水力耦合角度出發(fā)建立了二維水力數(shù)值模型,分析了雨強(qiáng)、滲透系數(shù)和初始條件對地下水位變化的影響,并得出坡內(nèi)地下水力學(xué)作用主要表現(xiàn)形式為浮托力、靜水和動水壓力,三者通過影響改變坡體下滑力和抗滑力的大小來影響穩(wěn)定性。

大量研究結(jié)果表明,降雨對滑坡的觸發(fā)作用是一個動態(tài)過程[12-13],通過分析降雨作用下滑坡滲流場、應(yīng)力應(yīng)變場、位移場的變化特點,掌握滑坡發(fā)生變形破壞的特征規(guī)律,從而為滑坡防治、監(jiān)測預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

黃岡市位于大別山南麓,具低山丘陵地貌,變質(zhì)巖發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,是鄂東北地質(zhì)災(zāi)害典型地區(qū),地質(zhì)災(zāi)害具有典型的雨災(zāi)同期的特征[14],其中降雨型滑坡是黃岡市的主要地質(zhì)災(zāi)害類型[15]。本文綜合分析黃岡市近10年來地質(zhì)災(zāi)害詳查、風(fēng)險調(diào)查評價、風(fēng)險普查等成果報告及相關(guān)調(diào)查資料,在滑坡特征統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上,采用四級綜合分類體系,針對降雨型滑坡的地層巖性及物質(zhì)組成、地形坡度、巖層傾角、斜坡結(jié)構(gòu)等四要素的基本特性及內(nèi)外在聯(lián)系,以此組合建立黃岡市絕大部分降雨型滑坡的基本地質(zhì)概化模型(圖1)。

圖1 滑坡基本地質(zhì)概化模型體系框圖

按照以上的綜合分級法,可將不同類型自由組合的滑坡地質(zhì)概化模型類型分為54種。統(tǒng)計不同組合的滑坡實例發(fā)現(xiàn),黃岡市變質(zhì)巖區(qū)控制結(jié)構(gòu)面主要的滑坡地質(zhì)概化模型類型包括:陡傾順向巖質(zhì)滑坡、特殊結(jié)構(gòu)類土質(zhì)緩坡、緩傾順向巖土混合質(zhì)滑坡等,其中陡傾順向巖質(zhì)滑坡類型最為常見,在地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、極高易發(fā)區(qū)中占有較大比重。

1 陡傾順向巖質(zhì)滑坡地質(zhì)概化模型

滑坡地質(zhì)模型是對滑坡變形破壞條件和規(guī)律的科學(xué)模式的概括,同時也是力學(xué)模型、監(jiān)測模型和預(yù)測模型的基礎(chǔ)[16]。研究它的主要目的在于把握斜坡變形破壞的基本規(guī)律和主控因素,建立科學(xué)的斜坡變形破壞地質(zhì)模型體系,為力學(xué)—數(shù)學(xué)模型、監(jiān)測模型建立及穩(wěn)定性評價奠定基礎(chǔ),以模型宏觀反映斜坡穩(wěn)定勢態(tài)、變形趨勢及破壞方式。

本文從陡傾順向巖質(zhì)滑坡實例中選取蘄春縣檀林鎮(zhèn)牛沖村滑坡開展研究,基于該滑坡基本特征與變形特征分析,構(gòu)建該陡傾順向巖質(zhì)滑坡地質(zhì)概化模型,利用GeoStudio軟件進(jìn)行巖土工程數(shù)值模擬的有限元分析,深入研究降雨入滲條件下,該類型滑坡邊坡滲流場、應(yīng)力場、位移場及其穩(wěn)定性系數(shù)的演化規(guī)律,據(jù)此分析黃岡地區(qū)典型降雨型滑坡變形破壞的力學(xué)機(jī)制,以指導(dǎo)降雨型滑坡的勘查、評價、預(yù)報和防治工作。

1.1 牛沖村滑坡概況

牛沖村滑坡位于蘄春縣檀林鎮(zhèn),滑坡后緣高程約350 m,前緣高程約313 m,相對高差約37 m,主滑方向約125°,坡度在35°～45°之間,滑坡面積約2 572 m2,滑體平均厚度約5 m,體積約1.3×104m3,為小型巖質(zhì)滑坡。坡體主要分為上、下兩層結(jié)構(gòu):上層為滑體,主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖,強(qiáng)風(fēng)化層厚度在1.7～5.9 m間不等,滑帶為強(qiáng)弱風(fēng)化層接觸面;下層為滑床,為中風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖,片麻理產(chǎn)狀為157°∠60°,在連續(xù)降雨作用下發(fā)生滑移。

1.2 模型建立及參數(shù)選取

本模型選取牛沖村滑坡滑動前的原始剖面(圖2),構(gòu)建滑坡的二維概化模型(圖3)。坡體巖性概化為兩種類型:強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖,各種主要使用的巖土體材料參數(shù)如表1所示。網(wǎng)格剖分以1 m為全局大概的單元尺寸,計算單元大部分為四邊形單元,局部區(qū)域有少量三角形單元,共剖分為3 542個單元、3 543個節(jié)點。

表1 巖土體材料參數(shù)

圖2 牛沖村滑坡工程地質(zhì)剖面圖

圖3 牛沖村滑坡二維概化模型圖

1.3 降雨歷時及地下水位設(shè)置

黃岡市汛期滑坡主要由短期降雨過程誘發(fā),與滑坡發(fā)生前3 d累計降雨量的相關(guān)系數(shù)最高,受3 d以上累計降雨量的影響較小。因此,研究黃岡市降雨型滑坡的有效降雨量只需要考慮滑坡災(zāi)害點發(fā)生之前3 d的累計降雨量和未來24 h的預(yù)測降雨量[15]。研究牛沖村滑坡發(fā)生前一個連續(xù)降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響,需要重點研究滑坡發(fā)生當(dāng)日以及前3 d降雨量的影響,根據(jù)該滑坡所在地的實際降雨過程,選取前6天—前4天3 d累計降雨過程作為初始狀態(tài)(圖4)。以滑坡發(fā)生前一段連續(xù)降雨為標(biāo)準(zhǔn),選取滑坡發(fā)生前6 d及當(dāng)日降雨量進(jìn)行預(yù)警判別和數(shù)值模擬,詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖5。

圖4 牛沖村滑坡數(shù)值模擬初始狀態(tài)圖

圖5 降雨歷程圖

2 降雨作用下滑坡變形破壞機(jī)理研究

2.1 坡體孔隙水壓力變化

孔隙水壓力是指土壤或巖石中地下水的壓力,該壓力作用于微?；蚩紫吨g。對于無水流條件下的高滲透性土,孔隙水壓力約等于沒有水流作用下的靜水壓力。根據(jù)工程類比法,結(jié)合滑坡所處地質(zhì)環(huán)境條件,假定牛沖村滑坡的初始地下水位線位于中風(fēng)化基巖層中,地下水位線以下的區(qū)域孔隙水壓力為正,地下水位線以上的區(qū)域孔隙水壓力為負(fù)、基質(zhì)吸力為正,孔隙水壓力沿高程方向呈線性分布。從圖4-a中可以看出,前期3 d累計降雨量對于坡體表面孔隙水壓力的影響有限,說明前期連續(xù)降雨對坡體的滲流場影響較小。此后在不同時刻降雨期間,坡體孔隙水壓力分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 前3天—當(dāng)日滑坡坡體孔隙水壓力分布圖

由圖6從降雨過程中可以看出,地下水位線大體位于滑床內(nèi),變化幅度非常小?；鶐r中孔隙水壓力變化較小,滑體局部孔隙水壓力明顯增加。降雨沿坡面向坡體內(nèi)入滲,孔隙水壓力由坡面整體向坡體內(nèi)增加;隨著降雨量的累計,坡頂處孔隙水壓力響應(yīng)比較強(qiáng)烈,變化增速更快,并沿著坡表面向滑體內(nèi)移動,滑體中部孔隙水壓力變化程度較小?；掳l(fā)生時,水位線以上坡體的孔隙水壓力總體仍未達(dá)到飽和狀態(tài),與初始狀態(tài)下相比,孔隙水壓力的影響區(qū)域僅在坡體淺層區(qū)域。

從降雨歷時條件分析可知,滑坡發(fā)生前6天—前4天的累計降雨量相對較小,對坡體孔隙水壓力影響較小;滑坡發(fā)生前3天、前2天和當(dāng)日的有效降雨量均明顯小于前1天的有效降雨量。從對應(yīng)的孔隙水壓力分布圖(圖6)來看,前3天、前2天和當(dāng)日的孔隙水壓力變化不如前1天的坡體孔隙水壓力增長得快,因此,前1天的短時強(qiáng)降雨作用對該滑坡的孔隙水壓力影響最大。

2.2 坡體應(yīng)變場變化

物體受力產(chǎn)生變形時,體內(nèi)各點處變形程度一般并不相同,剪應(yīng)變是用來描述巖(土)體某一點處變形程度的力學(xué)量。在上節(jié)模擬該滑坡發(fā)生前3天、前2天、前1天以及當(dāng)日的降雨瞬態(tài)滲流過程的基礎(chǔ)上,對降雨過程應(yīng)變場變化模擬進(jìn)行分析,通過模擬降雨作用下該滑坡最大剪應(yīng)變的變化規(guī)律,探究坡體在降雨過程中內(nèi)部應(yīng)變場的變化情況,其計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 前3天—當(dāng)日滑坡坡內(nèi)最大剪應(yīng)變云圖

在滑坡孕育過程中,最大剪應(yīng)變的發(fā)生發(fā)展過程展示了滑坡滑移面形成過程和邊坡變形破壞的機(jī)制。最大剪應(yīng)變最先出現(xiàn)在滑面附近,此位置滑體厚度較大,受降雨影響明顯。隨著降雨時間的推移,最大剪應(yīng)變逐漸增加,并沿滑面向坡面和滑體前、后緣發(fā)展,在滑面處出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象,此處發(fā)生較大變形,局部先出現(xiàn)不穩(wěn)定。

2.3 坡體位移場變化

在坡體應(yīng)變場變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,研究坡體位移場的變化。降雨期間坡內(nèi)位移變化情況如圖8所示。

圖8 前3天—當(dāng)日滑坡坡內(nèi)位移云圖

從初始狀態(tài)位移場云圖(圖4-c)可知,滑坡發(fā)生前6天—前4天的累計有效降雨量對邊坡位移的影響不大,模型初始位移量為0.008 m。由圖8可知,滑坡發(fā)生前3天、前2天、前1天、當(dāng)日最大位移量分別為0.012、0.014、0.016、0.022 m,該邊坡與初始狀態(tài)相比位移增加175%。由此可知,隨著降雨量的增加,位移量出現(xiàn)較大變化,且主要集中于坡體中后部,位移變化最小處為坡腳,位移自坡體表面向坡內(nèi)呈現(xiàn)出由大到小橢圓形分布。

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)降雨作用下滲流場、應(yīng)變場、位移場分析的結(jié)果,計算未降雨時邊坡穩(wěn)定性與滑坡發(fā)生當(dāng)日的穩(wěn)定性(圖9)。

圖9 滑坡穩(wěn)定性云圖

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨量的變化曲線和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨位移量的變化曲線(圖10)可知:在降雨過程中,巖土體含水率增加,強(qiáng)度參數(shù)減小,邊坡穩(wěn)定性下降,位移量增大。從初始邊坡位移場和穩(wěn)定性可看出,滑坡發(fā)生前6天—前4天的降雨效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響不大,初始條件下邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)為1.106,位移量為0.008 m;隨著降雨量的不斷增加,滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小,最大位移量不斷增加?；虑?天邊坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.045,較初始狀態(tài)減少了5.5%,最大位移量為0.012 m;滑坡前2天邊坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.027,較初始狀態(tài)減少了7.1%,邊坡最大位移量為0.014 m;滑坡前1天邊坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.002,較初始狀態(tài)減少了9.4%,邊坡最大位移量為0.016 m;滑坡發(fā)生當(dāng)日邊坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為0.923,較初始狀態(tài)減少了16.5%,從初始狀態(tài)到滑坡發(fā)生,邊坡最大位移量為0.022 m。

圖10 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線圖

邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨時間和降雨量的增加持續(xù)減小,位移量持續(xù)增加。降雨對邊坡的不利影響主要發(fā)生在降雨的中后期,并且有效降雨量越大,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和位移變化量越大,在滑坡發(fā)生當(dāng)日穩(wěn)定性系數(shù)減少比例達(dá)到前期的3倍,由此說明降雨入滲需要一定時間,部分巖土體的物理力學(xué)參數(shù)衰減需要一定時間,滑坡失穩(wěn)一般在強(qiáng)降雨階段期或滯后。

3 結(jié)論與建議

通過降雨作用下陡傾順向巖質(zhì)滑坡變形破壞機(jī)理研究獲得以下認(rèn)識與建議:

(1) 陡傾順向巖質(zhì)滑坡是黃岡市汛期主要滑坡類型之一,具有危害大、突發(fā)性強(qiáng)的特點,值得在實踐中進(jìn)一步研究其變形破壞機(jī)理。

(2) 降雨對該類滑坡的變形破壞具有累進(jìn)誘發(fā)作用,尤其是降雨歷時和有效降雨量與滑坡的變形程度(應(yīng)力應(yīng)變場、位移場)變化呈正相關(guān)。

(3) 降雨中該類滑坡變形破壞程度表現(xiàn)在其滲流場、應(yīng)力應(yīng)變場、位移場方面的規(guī)律性改變狀況,總體特點是:隨著降雨持續(xù),除坡體淺層外在滑體中后部與滑面處的孔隙水壓力響應(yīng)變化明顯,且破壞前1天的坡體孔隙水壓力增長變化快;剪應(yīng)變在滑面處明顯存在且為最大值,并向坡表面和滑體前、后緣方向發(fā)展;位移變化主要集中在坡體中后部,自坡體表面向滑面呈現(xiàn)出由大到小橢圓形分布。

(4) 該類滑坡是否產(chǎn)生明顯變形破壞取決于災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日和前3 d的累計降雨量,即對應(yīng)的有效降雨量狀況,在此過程中滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)持續(xù)降低,且在降雨的中后期穩(wěn)定性改變更明顯,在滑坡發(fā)生當(dāng)日穩(wěn)定性系數(shù)減少比例達(dá)到前期的3倍。

(5) 據(jù)此類滑坡降雨作用下的變形破壞機(jī)理研究,要求在勘查中加強(qiáng)該類滑坡的斜坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點、空間滲透性等方面工作,同時在監(jiān)測預(yù)警工作中加強(qiáng)坡體中后部與滑面的監(jiān)測等。