降雨作用下庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析

靳 遠(yuǎn)

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

隨著我國西部地區(qū)水利工程的建設(shè)日益增多，受人類工程活動(dòng)及氣候變化等因素影響，在許多地區(qū)深切河谷地帶越來越多的滑坡堆積體逐漸增多[1]，尤其是滑坡出現(xiàn)產(chǎn)生的不利影響已經(jīng)影響到工程的順利建設(shè)[2- 5]。

降雨與滑坡存在密切關(guān)系，國內(nèi)外許多研究者針對降雨與滑坡的關(guān)系進(jìn)行了探索研究，并取得許多優(yōu)秀成果。Ma等[3]通過分析前期降雨誘發(fā)滑坡的規(guī)律，研究降雨與滑坡發(fā)生冪律和頻率間的關(guān)系。Hyuck等[4]基于GIS的概率方法分析了降雨條件下誘發(fā)淺層滑坡的機(jī)制。Lee等[5]針對臺(tái)灣地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡的危險(xiǎn)性進(jìn)行了系統(tǒng)地評價(jià)，結(jié)果表明降雨是滑坡的主要誘發(fā)因素。Bernardie等[6]采用的統(tǒng)計(jì)-力學(xué)相結(jié)合的發(fā)展方法，分析隨降雨量變化條件下滑坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。龍輝等[7]針對降雨條件下誘發(fā)滑坡，利用突變理論并考慮滑面介質(zhì)的水致弱化和應(yīng)變軟化性質(zhì)，研究滑坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制。吳火珍等[8]利用非飽和土力學(xué)方法，研究了降雨條件下誘發(fā)滑坡體的形成機(jī)制。張玉等[9]根據(jù)野外勘測，對降雨入滲機(jī)制和穩(wěn)定性現(xiàn)狀開展了定性評價(jià)，揭示了入滲引起滑動(dòng)變形的動(dòng)態(tài)機(jī)制。徐建聰?shù)萚10]根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)和工程實(shí)測結(jié)果，針對降雨作用下誘發(fā)淺層滑坡存在的難處進(jìn)行了分析。劉新喜等[11]開展了降雨條件下強(qiáng)風(fēng)化軟巖高填方邊坡的穩(wěn)定性研究。常金源等[12]基于Green-Ampt入滲模型，得出了降雨前有、無地下水位條件下的降雨持續(xù)時(shí)間與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系式。張珍等[13]從日降雨量、滑坡發(fā)生的時(shí)間及暴雨的關(guān)系方面詳細(xì)分析了降雨誘發(fā)滑坡的形成機(jī)制。李汝成等[14]研究了針對降雨條件下泥巖-土混填路堤的穩(wěn)定性。

目前，采用監(jiān)測數(shù)據(jù)已成為分析滑坡的運(yùn)動(dòng)歷史、變形機(jī)制和穩(wěn)定性評估的重要途徑[15- 18]。由于自動(dòng)化GPS與其它監(jiān)測系統(tǒng)相比具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，許多國家和地區(qū)已經(jīng)采用GPS進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性的研究。以甘肅省南部某庫區(qū)大型滑坡體為例，采用自動(dòng)化GPS對其外部變形進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查和庫區(qū)詳細(xì)的降雨資料研究降雨條件下滑坡的破壞機(jī)理；同時(shí)結(jié)合實(shí)際滲流場，采用Geo-Slope分析了降雨條件下滑坡穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律，對庫區(qū)滑坡防治具有一定的借鑒作用。

1 工程概況

滑坡位于洮河中游，屬典型的山地和河谷型地貌。區(qū)內(nèi)下游干旱溫和，中、上游寒冷潮濕，年均降水量588.2mm，多集中在7—9月份，日最大降水量61.25mm。滑坡平面寬約400m，形態(tài)呈長舌形，滑體基座面上覆蓋有厚約30～73m的松散堆積層，坡度局部較陡，約為30°～40°，總體積為8.94×106m3。在平面上總體表現(xiàn)為后緣和中部稍寬、前緣逐步收斂的平面形態(tài)。根據(jù)勘察資料：滑坡堆積體主要物質(zhì)可分為3層，如圖1所示，上層以大塊石為主，中層塊石和土體混雜，下層以黃土類土為主。地下水含水層厚度10～35m，埋深1～15m。

圖1 滑坡剖面圖

2 滑坡監(jiān)測

采用GPS對滑體進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)方案如圖2所示。根據(jù)對滑坡的野外調(diào)查可知，滑體主要為中下部發(fā)生破壞，因此分析滑坡滑體中部代表性監(jiān)測點(diǎn)的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)及降雨量結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，監(jiān)測點(diǎn)位移變化與降雨量分別表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。該庫岸滑坡存在3次快速滑動(dòng)階段，而快速滑動(dòng)階段均出現(xiàn)在雨季，尤其是2008年7—9月監(jiān)測點(diǎn)位移增量最為明顯。整體上蓄水過程中，滑體位移變化受降雨影響較大，在蓄水初期滑體穩(wěn)定性受降雨影響相對較小，蓄水中期滑體穩(wěn)定性由于降雨的影響有較大程度降低，滑體出現(xiàn)了局部失穩(wěn)；蓄水后期，降雨作用下滑體穩(wěn)定性也有一定程度的削弱，但是相對蓄水中期較小。由此可知，蓄水中期滑體的穩(wěn)定性受降雨影響較大，蓄水初期及后期受降雨影響相對較小。此外，據(jù)勘測資料顯示[17]：庫區(qū)滑坡頻次隨降雨量的增加而增加，尤其在庫區(qū)雨季時(shí)段，滑坡發(fā)生頻次達(dá)到最大，也即庫區(qū)滑坡發(fā)生頻次與庫區(qū)雨季相一致。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

圖3

表1 暴雨和滑坡各月出現(xiàn)頻次及所占百分比[18]

結(jié)合萬縣、金沙江及涼山地區(qū)的滑坡災(zāi)害調(diào)查資料(見表1)可知，庫區(qū)滑坡災(zāi)害的發(fā)生與降雨有著密切關(guān)系，在時(shí)間上表現(xiàn)為一致性，例如萬縣地區(qū)5—9月份降雨量較大，金沙江地區(qū)6—9月份降雨量較大，涼山地區(qū)6—8月份降雨量較大，滑坡災(zāi)害也主要發(fā)生在降雨較大的時(shí)間段內(nèi)。降雨量最大的月份，滑坡頻次也相應(yīng)最大，例如萬縣地區(qū)地區(qū)7月份降雨量最大，滑坡頻次也相應(yīng)最大，占全年的滑坡比例約為45%。這與庫區(qū)調(diào)查結(jié)果分析得到的規(guī)律相符。

3 降雨入滲模式

降雨入滲的主要影響因素為地形地貌、巖土體的入滲性能及降雨持續(xù)時(shí)間等。降雨滲容量從坡表入滲至坡內(nèi)孔隙中的運(yùn)動(dòng)過程可分為3個(gè)階段，見表2。

表2 邊坡降雨入滲過程

由于基巖裂隙水及大氣降水的補(bǔ)給，造成滑坡前緣地下水聚集，并逐漸向河流排泄；由于降雨及地下徑流的補(bǔ)給，滑體中部及后緣形成上層滯水，豐水季節(jié)以泉水的形式溢出地表。同時(shí)由于滑面以下基巖滲透性較差，可將滑面看作隔水邊界，降雨對滑坡的作用模式如圖4所示。結(jié)合圖4認(rèn)為降雨作用下滑坡的滑動(dòng)機(jī)制可概述為[18]：滑體物質(zhì)的孔隙比大、結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn)，為降雨入滲提供了有利條件；雨水通過滑體表面裂縫入滲，在不透水基巖面邊界上形成滯水，使滑帶土飽和，削弱了滑帶的力學(xué)性質(zhì)；降雨入滲還使滑動(dòng)面被水體浸泡，滑面以上部分虛壓力體大于實(shí)壓力體，滑坡下部被淹沒產(chǎn)生浮拖力，浸水土體的有效重量因孔隙水壓力發(fā)生改變，又由于降雨迅速入滲至裂縫，在滑體內(nèi)產(chǎn)生裂隙水的劈裂作用，造成裂隙的加深及貫通，在以上共同作用下造成滑坡的發(fā)生。

圖4 降雨對堆積體的作用模式

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算理論

將總水頭h視為未知量，將達(dá)西定律代入連續(xù)性方程，當(dāng)坐標(biāo)軸與滲透主方向相同時(shí)，得出二維非飽和土非穩(wěn)定滲流方程如下：

(1)

式中，kx、ky—x、y方向的滲透性函數(shù)；θw—體積含水率；γw—水的重度；t—時(shí)間；ψ—土的基質(zhì)吸力。

土-水特征曲線為ψ與θw之間的關(guān)系曲線。因此，土體的滲透性函數(shù)、土-水特征曲線、初始條件及邊界條件被明確后，非穩(wěn)態(tài)非飽和土滲流場就可以進(jìn)一步得出。

4.2 計(jì)算模型

可以通過土-水特征曲線及其飽和滲透系數(shù)得到巖土體的滲透性函數(shù)[19]。計(jì)算中假定每種工況中的滲透系數(shù)相同，滲透系數(shù)取5×10-5cm/s，粘聚力為0.015MPa，內(nèi)摩擦角為22.29°。干重度為15.0kN/m3，濕重度為16.2kN/m3，吸力內(nèi)摩擦角11.0°，其中吸力內(nèi)摩擦角可參照相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)取值[19]。降雨強(qiáng)度以流量大小衡量，將坡體表面視為流量邊界，邊坡底邊及兩側(cè)作為不透水邊界。假設(shè)邊坡表面的孔隙氣壓力與大氣壓相等，在數(shù)值上孔隙水壓力等于基質(zhì)吸力，計(jì)算模型如圖5所示。采用SEEP/W模式對非飽和非穩(wěn)態(tài)滲流進(jìn)行分析。首先在Geo-Slope軟件中采用Seep中的暫態(tài)滲流問題進(jìn)行分析，得到降雨條件下的坡體內(nèi)滲流場水頭分布，再將水頭值輸入到Slope中，在Slope模式下采用條分法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。為了將Seep中的水頭值導(dǎo)入Slope中，首先將Seep中的有限元網(wǎng)格引入Slope，在此網(wǎng)格下建立穩(wěn)定性分析模型，其中，要根據(jù)實(shí)際邊坡的滑動(dòng)面選定滑動(dòng)面、確定土體條分?jǐn)?shù)及方法，并且在潛在滑動(dòng)面上確定土條之間的底面中心點(diǎn)及其所在單元[20]。

圖5 滲流計(jì)算模型示意圖

按照給定的邊界條件，分5個(gè)時(shí)間步長模擬降雨作用下邊坡內(nèi)的瞬態(tài)滲流場，降雨時(shí)長分別為2、4、6、8、10h。為研究降雨速度(單位時(shí)間內(nèi)降雨量)與庫岸滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系，以5種不同工況為例：降雨速度0.5、1、2、3、4mm/h，其中降雨速度2mm/h以上相當(dāng)于暴雨的降雨速度。初始地下水位情形與計(jì)算的初始狀態(tài)相對應(yīng)。應(yīng)用Janbu法(非飽和土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法)，對不同降雨持續(xù)時(shí)間滑體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。由于滑體沿基巖接觸面滑動(dòng)，屬于折線滑動(dòng)，采用折線滑動(dòng)法對滑體進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 安全系數(shù)與降雨持續(xù)時(shí)間關(guān)系

4.3 計(jì)算結(jié)果

由圖6可知，降雨速度、降雨時(shí)間與庫岸滑坡的安全系數(shù)存在密切關(guān)系。降雨速度小于2mm/h時(shí)，滑體的安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的持續(xù)均大于1.0，滑體不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)；降雨速度大于2mm/h時(shí)，隨降雨時(shí)間的持續(xù)滑體的安全系數(shù)將小于1.0，滑體將發(fā)生局部失穩(wěn)破壞；并且隨著降雨速度的增加，滑體安全系數(shù)小于1.0所需降雨時(shí)間越少，也即暴雨條件下降雨量越大，滑體失穩(wěn)越快。在一定降雨速度條件下，滑體的安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的增加而減小，但是安全系數(shù)不會(huì)持續(xù)減小，安全系數(shù)下降速率也在不斷較小，當(dāng)安全系數(shù)達(dá)到最小值時(shí)，滑體將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。也即隨著降雨時(shí)間的增加，滑體的安全系數(shù)變化趨勢表現(xiàn)為：快速減小-慢速減小-達(dá)到最小值后趨于穩(wěn)定。因此，暴雨作用下庫岸滑坡容易發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)注意強(qiáng)降雨時(shí)滑體的穩(wěn)定性變化，加強(qiáng)庫區(qū)滑坡監(jiān)測。

5 庫區(qū)滑坡防治建議

(1)加強(qiáng)庫區(qū)重點(diǎn)滑坡監(jiān)測

庫區(qū)降雨主要集中于7—9月份，在該時(shí)間段內(nèi)滑坡發(fā)生頻次較大。針對庫區(qū)大型滑坡的防治應(yīng)引起足夠重視，尤其是距離主壩較近的燕子坪滑坡更應(yīng)引起重視。其次，距離居民居住區(qū)及公路附近的大型滑坡很具破壞力，對居民的人身及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了較大威脅。針對這種大型滑坡，采用GPS位移監(jiān)測與現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，對于具有失穩(wěn)滑動(dòng)趨勢的滑坡體應(yīng)進(jìn)行及時(shí)治理，來不及治理的滑坡應(yīng)及時(shí)疏散附近居民，并且應(yīng)告示附近及過往人員，以免造成人員傷亡。由于庫區(qū)內(nèi)洮硯采石礦區(qū)的環(huán)境被破壞的程度不同，針對面積較大、破壞嚴(yán)重，對環(huán)境的恢復(fù)治理有較大難度，不僅需要嚴(yán)格加強(qiáng)庫區(qū)內(nèi)硯石等開采管理，還迫切需要逐步進(jìn)行山體復(fù)綠工程，緩解由于采石過度對周圍庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的破壞。

(2)減少人類工程活動(dòng)的影響

根據(jù)調(diào)查分析可知，庫區(qū)沿岸公路修建后發(fā)生的崩塌及滑坡災(zāi)害較之前增加許多，主要集中發(fā)生在公路邊緣及距離公路不遠(yuǎn)處。公路開挖造成不合理切坡、加載、填方使邊坡原有的應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致斜坡更加容易產(chǎn)生變形。若庫區(qū)需要進(jìn)行公路修建及其他工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合庫區(qū)具體的工程地質(zhì)狀況，對該區(qū)域的工程建設(shè)等活動(dòng)進(jìn)行規(guī)范，不得進(jìn)行無勘察評價(jià)的隨意削坡，對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生從根源上進(jìn)行預(yù)防。對于主壩等大型建筑物附近，由于公路等建設(shè)需要進(jìn)行切坡，產(chǎn)生了較多的高邊坡，針對這種現(xiàn)象，工程建設(shè)部門應(yīng)組織專家采取合理砌筑護(hù)坡等邊坡治理措施。

(3)針對庫區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)性較大的滑坡進(jìn)行及時(shí)治理，以燕子坪滑坡為例，治理方案如下：燕子坪滑坡的主要滑動(dòng)及不穩(wěn)定部位在滑體前緣及中部，合理設(shè)置抗滑樁，抗滑樁的位置影響滑坡位置和滑動(dòng)面的形狀。一般情況下，抗滑樁位于斜坡中部時(shí)斜坡的安全系數(shù)最高，靠近兩端時(shí)斜坡的安全系數(shù)變化規(guī)律相同。樁位的變化也會(huì)引起斜坡滑動(dòng)面的形態(tài)變化，當(dāng)抗滑樁位于斜坡中下部時(shí)，滑動(dòng)面為在樁頂或斜坡上部某位置越頂滑出；當(dāng)抗滑樁位于斜坡上部時(shí)，滑動(dòng)面沿樁前土體滑出[21]。

6 結(jié)論

降雨與庫區(qū)滑坡體失穩(wěn)存在密切關(guān)系，庫區(qū)滑坡發(fā)生與降雨量的大小表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，并且在時(shí)間上表現(xiàn)為一致性。

庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性與降雨速度及降雨持時(shí)關(guān)系密切。滑體的安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的增加而減小，但是安全系數(shù)不會(huì)持續(xù)減小，安全系數(shù)將會(huì)減小到某一穩(wěn)定值，滑體將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

降雨入滲至坡內(nèi)孔隙中的運(yùn)動(dòng)過程可分為浸潤階段、滲漏階段和滲透階段。大型滑體物質(zhì)憑借孔隙比大、結(jié)構(gòu)松散、透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，為降雨入滲提供了有利條件，雨水通過滑體表面裂縫入滲，削弱了滑體的穩(wěn)定性。針對降雨型滑坡提出相應(yīng)的抗滑措施，為其它工程提供了借鑒。