降雨和地震耦合作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響
——以甘肅西和Ⅲ號(hào)滑坡為例①

龔文俊，李明永，吳志堅(jiān)，2

（1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

降雨和地震是滑坡活動(dòng)最主要的觸發(fā)因素。例如2007年四川沐川縣4－9月降雨量達(dá)1279mm，在7月25日－9月10日間全縣共發(fā)生滑坡23處，其中22處為降雨觸發(fā)［1］；1998年8月6日韓國(guó)長(zhǎng)興郡發(fā)生強(qiáng)暴雨，導(dǎo)致長(zhǎng)興郡及附近區(qū)域發(fā)生60多處淺層滑坡［2］；李長(zhǎng)江等人在1990－2003年間對(duì)浙江省1414處滑坡進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有71.3%由歷時(shí)為一天的降雨引發(fā)，與2天和3天降雨有關(guān)的滑坡分別占總數(shù)的6.9% 和5.7%，只有不足3%的滑坡與歷時(shí)超過(guò)10天的降雨有關(guān)［3］。1933年8月25日四川疊溪發(fā)生震中烈度X度的7.5級(jí)強(qiáng)烈地震，在廣大范圍內(nèi)誘發(fā)強(qiáng)烈的河流岸坡及溝谷斜坡的崩塌與滑坡，造成6865人死亡；1925 人受傷［4］。2008年5月12日四川汶川發(fā)生8.0級(jí)特大地震，在地震的誘發(fā)下距北川縣城上游3.2km處唐家山發(fā)生了特大型滑坡，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用?4人死亡［5］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地震及降雨誘發(fā)滑坡的研究很多。Premchit［6］1991通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在香港24小時(shí)降雨量超過(guò)200mm時(shí)一定會(huì)有滑坡發(fā)生。1990年Johnson，K.A.［7］分析了有降雨在飽和坡體中引發(fā)的正孔隙水壓力對(duì)坡體的影響。穆鵬［8］通過(guò)對(duì)蘭州市九州石峽口滑坡研究發(fā)現(xiàn)，降雨和不合理的人工綠化灌溉及高陡地形是誘發(fā)滑坡復(fù)發(fā)的主要因素。Keefer［9］1984年通過(guò)對(duì)40個(gè)歷史地震進(jìn)行研究分析得出，地震震級(jí)不大于4級(jí)時(shí)不會(huì)有滑坡發(fā)生，當(dāng)震級(jí)達(dá)到9.2級(jí)時(shí)，將會(huì)在500000km2范圍內(nèi)發(fā)生滑坡。史宏彥和謝定義［10］2001年提出有限元－滑動(dòng)面法對(duì)土坡進(jìn)行抗震穩(wěn)定性分析。石玉成［11］2002年對(duì)黃土的震陷性與其微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了相關(guān)的研究。徐文杰，陳祖煜等人選用ABAQUS軟件，從三位空間出發(fā)對(duì)地震誘發(fā)肖家橋滑坡的失穩(wěn)進(jìn)行了相關(guān)的模擬分析，克服了二維分析方法帶來(lái)的誤差，且與現(xiàn)實(shí)較符［12］。但到目前為止在地震及降雨耦合作用對(duì)滑坡的影響研究較少。孫軍杰認(rèn)為某種特定條件下（降雨充沛地區(qū)發(fā)生特大地震時(shí)），地震和降雨的持續(xù)影響效應(yīng)可能會(huì)對(duì)邊坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生耦合削弱作用，由此造成的與滑坡有關(guān)的潛在災(zāi)害不容忽視［13］。

為了分析研究降雨及地震耦合作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，本文以甘肅省西和縣西山Ⅲ號(hào)滑坡為例，采用GEOSTUDIO軟件模擬滑坡分別在天然及地震與降雨耦合情況下的兩種狀態(tài)，分析各因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響程度，以便為日后類似災(zāi)害研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 滑坡工程地質(zhì)特征

1.1 滑坡體平面特征

Ⅲ號(hào)滑坡位于西和縣城西山滑坡群的北側(cè)（圖1）。滑坡體長(zhǎng)675m，寬320～410m，平均厚度約25m，主滑方向75°，面積約25×104m2，體積約564×104m3，屬深層特大型滑坡。滑坡體前緣標(biāo)高1593m，后緣標(biāo)高1710m，相對(duì)高差117m，地面平均坡度8°，整個(gè)坡面已被人工平整為十余級(jí)臺(tái)階，主要為梯田和村莊。滑坡整體沿中軸線中間低兩側(cè)高，北側(cè)邊界為人工修筑上城堡陡坎，坎長(zhǎng)410 m，坎高10～15m，傾角近直立狀；南側(cè)邊界為一沖溝，溝長(zhǎng)690m，寬約5m，深2～4m。

圖1 西和縣西山滑坡分布圖Fig.1 Distributional map of the Xishan landslides in Xihe county.

1.2 地層巖性

（1）滑坡體：黃土（黃土狀土），黃褐色，土質(zhì)較均，結(jié)構(gòu)松散，含少量鈣質(zhì)粉末，可塑。

（2）滑帶：屬于粉質(zhì)粘土和泥巖接觸面滑坡，滑帶物質(zhì)為粉質(zhì)粘土夾雜少量泥巖顆粒。

（3）滑床：青灰色砂質(zhì)泥巖、粘土巖。為新第三系（N2）泥巖，垂直節(jié)理發(fā)育，遇水極易軟化膨脹，風(fēng)化后呈碎片狀。產(chǎn)狀在西山為35°～80°∠10°～40°。在山體周圍侵蝕較深部位均可見(jiàn)到，厚度不詳。

1.3 水文地質(zhì)特征

滑坡體地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為降雨入滲補(bǔ)給，排泄方式主要以地下徑流形式進(jìn)入漾水河階地內(nèi)。地下水類型為基巖裂隙孔隙潛水，含水層主要為滑體泥巖碎屑與黃土狀土松弛部分。滑床下部完整泥巖發(fā)育有高角度節(jié)理面，沿節(jié)理面有少量含水，滑體地下水位埋深在2.5～30m之間。

2 分析方法

2.1 天然狀態(tài)

本文采用GEOSTUDIO軟件中SLOPE／W模塊對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。其原理采用極限平衡法，包括瑞典條分法、畢肖普法、江布法、摩根斯坦－普賴斯法等。后者能計(jì)算考慮孔隙水壓力情況下的邊坡穩(wěn)定性，目前在全國(guó)許多大型水電工程中均有應(yīng)用，效果良好。本文采用摩根斯坦－普賴斯法對(duì)其進(jìn)行分析。

2.2 地震與降雨耦合

2.2.1 降雨條件

為了研究不同降雨類型與地震耦合對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，考慮了降雨總量相同，三種不同降雨強(qiáng)度雨型，分別為50mm／d，持續(xù)4天；100mm／d，持續(xù)2天；200mm／d，持續(xù)1天。吳宏偉［14］認(rèn)為水在非飽和土中的滲流為飽和－非飽和流動(dòng)。GEOSTUDIO中SEEP／W模塊正是基于二維條件下飽和－非飽和模型建立的滲流軟件，其滲流公式可表述如下：

式中：H為總水頭；kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量；mw為土水特征曲線的斜率；γw為水的容重。

SEEP／W滲流模型建立及網(wǎng)格劃分如圖2。模型兩側(cè)地下水位以上邊界按零流量邊界處理，地下水位以下按常水頭邊界。坡體表面降雨區(qū)為流量邊界或定水頭邊界，當(dāng)孔隙水壓力小于零時(shí)為流量邊界，反之為定水頭邊界。共劃分單元2604個(gè)，節(jié)點(diǎn)1489個(gè)。

圖2 西山Ⅲ號(hào)滑坡SEEP／W模型Fig.2 SEEP／W calculation model of the Xishan No.Ⅲlandslide.

2.2.2 地震輸入

在西和縣Ⅲ號(hào)滑坡150km范圍內(nèi)共劃分了30個(gè)潛在震源區(qū)，其中8.0級(jí)潛源3個(gè)，7.5級(jí)潛源區(qū)12個(gè)，7.0級(jí)潛源區(qū)10個(gè)，6.5級(jí)潛源區(qū)5個(gè)，工程場(chǎng)地臨近禮縣－羅家堡8.0級(jí)潛在震源區(qū)。分別統(tǒng)計(jì)了相應(yīng)的地震動(dòng)衰減關(guān)系。由于地處青藏高原東北緣，中強(qiáng)以上地震的等震線形狀大多為NWW向橢圓形狀，因此本項(xiàng)工作采用了考慮長(zhǎng)、短軸的橢圓衰減模型。結(jié)合中國(guó)地震局推薦的“考慮地震活動(dòng)時(shí)不均勻性的地震安全性評(píng)價(jià)程序包ESE”，計(jì)算得到50年超越概率10%地震時(shí)程曲線。其峰值加速度為0.3g。如圖3。

圖3 地震加速度時(shí)程曲線Fig.3 Time－h(huán)istory curve of input seismic acceleration.

采用QUAKE／W模塊中線彈性模型對(duì)Ⅲ號(hào)滑坡進(jìn)行地震作用下動(dòng)力有限元分析。計(jì)算網(wǎng)格采用SEEP／W劃分網(wǎng)格。

邊界處理：①底部邊界（即基巖處）水平和豎向均固定；② 為減少地震波在滑體中回彈導(dǎo)致影響計(jì)算結(jié)果，在滑坡前后邊界設(shè)置阻尼邊界，滑坡下部為豎向和水平向位移固結(jié)邊界；③頂部邊界水平和豎向均自由。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 天然狀況

計(jì)算參數(shù)如表1所示。

SLOPE／W中采用摩根斯坦－普賴斯法對(duì)其進(jìn)行分析。其穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果是1.237。參照《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》DB50／143－2003第12節(jié)。滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 巖土體物理參數(shù)

3.2 地震與不同降雨耦合

計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 降雨地震耦合作用下滑坡模型計(jì)算參數(shù)

采用Frellund和Xing法對(duì)其土水特征曲線及滲透系數(shù)函數(shù)進(jìn)行估算，其結(jié)果如圖4。

圖4 土水特征曲線及滲透系數(shù)函數(shù)Fig.4 Soil－water characteristic curves and percolation coefficient functions.

首先利用有限元軟件SEEP／W分析研究對(duì)象在降雨滲流作用下的孔隙水壓力，將其作為QUAKE／W的初始含水條件，對(duì)其進(jìn)行地震動(dòng)力分析，將QUAKE／W 計(jì)算的應(yīng)力場(chǎng)及滲流場(chǎng)調(diào)入SLOPE／W中分析穩(wěn)定性。從QUAKE／W中求得的應(yīng)力中減去初始靜應(yīng)力可得出動(dòng)應(yīng)力，每條塊底部的動(dòng)應(yīng)力均可計(jì)算，沿整個(gè)滑面累加就可得到總的動(dòng)剪力。用總動(dòng)剪力除以滑體重量即為平均加速度值，并可和由SLOPE計(jì)算得出的穩(wěn)定系數(shù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，穩(wěn)定系數(shù)1.0對(duì)應(yīng)的平均加速度稱為屈服加速度ay。將每一累加時(shí)步獲得的平均加速度也可用圖表示為和時(shí)間的關(guān)系，即平均加速度－時(shí)間曲線。平均加速度大于ay的部位表示邊坡將移動(dòng)。將大于ay的部分匯總，就得到地震時(shí)滑體的運(yùn)動(dòng)速度，在速度－時(shí)間曲線下的面積積分就得到地震時(shí)的累計(jì)位移。

分析不同降雨強(qiáng)度相同降雨量情況下浸水面的變化情況（圖5）。通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同降雨量情況下，降雨強(qiáng)度越小浸水面上升越多。這種情況可以用下述機(jī)理進(jìn)行解釋：當(dāng)降雨強(qiáng)度與土的飽和滲透系數(shù)之比較大時(shí)（例如該值接近于1），相比較小時(shí)，雨水更容易滯留在坡體淺部，甚至部分隨表面徑流流出而不進(jìn)入坡體；當(dāng)降雨強(qiáng)度與飽和滲透系數(shù)之比較小時(shí)，相比較大時(shí)，雨水更容易流入坡體，浸水面上升較快。

圖5 各種降雨強(qiáng)度浸水面變化情況Fig.5 Groundwater surface in different conditions of rainfall intensity.

前人普遍認(rèn)為地震荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要是由于地震慣性力導(dǎo)致邊坡整體下滑力加大降低了邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。考慮到擬靜力法所得的穩(wěn)定系數(shù)并不能說(shuō)明邊坡在地震荷載作用下的實(shí)際穩(wěn)定性［15］，本文采用 GEOSTUDIO 中 QUAKE／ W 模塊對(duì)西和Ⅲ號(hào)滑坡進(jìn)動(dòng)力有限元時(shí)程分析，結(jié)合SLOPE／W模塊計(jì)算出穩(wěn)定系數(shù)時(shí)程曲線和Newmark位移。圖6為降雨強(qiáng)度是50mm／d時(shí)的計(jì)算結(jié)果，其它強(qiáng)度下和結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以得知，永久位移隨著降雨強(qiáng)度的增加而減少，屈服加速度隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加，最低穩(wěn)定系數(shù)將隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加。這說(shuō)明在相同降雨量情況下，降雨強(qiáng)度越大，地震耦合情況下相對(duì)于降雨強(qiáng)度小更穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谙嗤涤炅壳闆r下，降雨強(qiáng)度越小入滲總量越多，坡體飽和區(qū)面積越大，地震產(chǎn)生的超孔隙水壓力范圍越大，可能液化區(qū)及永久位移增大，穩(wěn)定系數(shù)越低。在天然狀況下滑坡處于穩(wěn)定狀況；在地震及降雨耦合情況下滑坡將會(huì)產(chǎn)生較大的位移，且最小穩(wěn)定系數(shù)在0.834～0.861之間，滑坡會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，表明地震及降雨耦合作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響顯著。

圖6 地震與降雨耦合結(jié)果（強(qiáng)度：50mm／d）Fig.6 Coupling effect of earthquake and rainfall（intensity：50mm／d）.

表3 50年超越概率10%地震情況下不同降雨強(qiáng)度耦合分析

4 結(jié)論

（1）選擇摩根斯坦－普賴斯法對(duì)西山Ⅲ號(hào)滑坡進(jìn)行在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定系數(shù)為1.237，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；采用SEEP／W模塊模擬分析Ⅲ號(hào)滑坡降雨滲流情況，發(fā)現(xiàn)在相同降雨量條件下，降雨強(qiáng)度越小雨水滲入越多，浸水面上升越高。

（2）通過(guò)對(duì)地震降雨耦合作用下滑坡的穩(wěn)定狀況分析得知：降雨強(qiáng)度越小，永久位移越大，屈服加速度越小，最小穩(wěn)定系數(shù)越小。這可能與本文計(jì)算過(guò)程中的排水條件有關(guān)，由于降雨強(qiáng)度越大時(shí)排水量也越大，并不會(huì)導(dǎo)致地下水位的顯著升高。因此相同降雨量條件下小降雨強(qiáng)度的入滲雨水量更多，可能導(dǎo)致滑體內(nèi)飽和區(qū)擴(kuò)大，超孔隙水壓力范圍增大。

（3）通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，降雨與地震耦合作用相比在天然狀態(tài)下對(duì)滑坡影響顯著，其穩(wěn)定性將會(huì)被嚴(yán)重削弱，滑坡將會(huì)失穩(wěn)破壞。

［1］喬建平，楊宗佶，田宏嶺.降雨滑坡預(yù)警的概率分析方法［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，17（3）：343－348.

［2］Dongyeob KIM，Sangjun IM，Sang Ho LEE，et al.Predicting the Rainfall－Triggered Landslides in a Forested Mountain Region Using TRIGRS Model［J］.Mt.Sci.，2010，7（1）：83－91.

［3］李長(zhǎng)江，麻土華，李煒，等.滑坡頻度—降雨量的分形關(guān)系［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21（1）：87－93.

［4］黃潤(rùn)秋.20世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（3）：434－455.

［5］李守定，李曉，張軍，等.唐家山滑坡成因機(jī)制與堰塞壩整體穩(wěn)定性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（1）：2908－2915.

［6］Premchitt J.Salient aspects of landslides in Hong Kong［A］∥proceedings of the 9th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering［C］.Bangkok，Thailand：1991：497－502.

［7］Johnson K A，Sitar N.Hydrologic conditions leading to debrisflow Initiation［J］.Can.Geotech.J.，1990，27（6）：789－801.

［8］穆鵬，董蘭鳳，吳瑋江.蘭州市九州石峽口滑坡形成機(jī)制與穩(wěn)定性分析［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2008，30（4）：332－336.

［9］David K Keefer.Landslides caused by earthquakes［J］.Geological Society of America Bulletin，1984，95（4）：406－421.

［10］史宏彥，謝定義.土坡抗震穩(wěn)定性分析的有限元——滑動(dòng)面法［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2001，23（1）：46－52.

［11］石玉成，李蘭，劉紅玫.黃土的震陷性與其微結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系研究［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2002，24（2）：129－134.

［12］徐文杰，陳祖煜，何秉順，等.肖家橋滑坡堵江機(jī)制及災(zāi)害鏈效應(yīng)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（5）：933－942.

［13］孫軍杰，王蘭民，龍鵬偉，等.地震與降雨耦合作用下區(qū)域滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，3（4）：752－760.

［14］吳宏偉，陳守義，龐宇威.雨水入滲對(duì)非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，1999，20（1）：1－14.

［15］范昭，張麗華.地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2010，32（4）：339－342.