降雨模式對廣德破碎站西側滑坡的穩定性影響分析

胡殿坤，繆 信，姚慶健，許 峰，邵 蔚

(中國建筑材料工業地質勘查中心安徽總隊，安徽 合肥 230031)

降雨是滑坡形成的重要因素之一[1]，降雨影響滑坡的機制主要是雨水入滲導致滑坡地下水位上升、滲透壓力增大，且降雨增加了坡體自重并導致其抗剪強度降低，進而誘發滑坡產生[2-4]。以往研究中，關于降雨強度、降雨時間對滑坡的影響比較成熟，林孝松、榮冠等研究了降雨作用下的邊坡地下水入滲規律[5-6]；繆海波等基于Richards傳導方程和案例得出降雨歷時和降雨入滲率對淺層滑坡的穩定性均有顯著影響[7]。馬紫娟等對降雨強度、降雨歷時和地震等組合工況下的禮縣爛山滑坡穩定性變化特征進行了深入研究[8]。近年來，關于在不同降雨模式工況下滑坡的滲流和穩定性影響得到了諸多學者的關注和研究。劉艷輝等根據降雨實況與全國各地區地質災害反饋資料，劃分誘發地質災害的降雨雨型，分析總結地質災害的特點和規律[9]。邱戰洪等基于國內南方地區七子山填埋場，研究降雨條件下山谷型垃圾填埋場的水分運移規律及其穩定性[10]。胡濤等運用泊松分布統計出不同累積降雨量和不同雨型的發生概率，分析滑坡體的地下滲流場和穩定性的變化規律[11]。馬云彪等根據三峽庫區水位年調度周期，選取對滑坡最不利的3個階段，分析不同降雨開始時間和不同降雨形式對滑坡穩定性的影響[12]。

專家學者對降雨模式提出了多種形式，不盡統一。本文在前人研究的基礎上，歸納總結五種降雨模式，并以廣德破碎站西側滑坡為研究對象，結合有限元分析軟件Geo-studio，定量分析該滑坡在不同降雨模式下孔隙水壓力和穩定性變化規律。研究成果對降雨型滑坡的穩定性評價和防治具有一定的指導意義。

1 滑坡基本概況

1.1 滑坡形態、規模

2020年7月，在連續強降雨作用下，廣德破碎站西側滑坡發生變形失穩。滑坡后緣運輸道路形成數十米拉張裂縫，局部區域下挫1～2 m，嚴重影響當地老百姓生命財產安全。根據勘查，滑坡體主滑方向為319°，后緣高程約為103.5 m，前緣高程平均約90 m，高差約10 m。滑坡縱向長約36 m，寬約60 m，面積約2 160 m2，體積約1.08萬 m3。坡體物質組成主要為第四系殘坡積，成分主要為粘土夾碎塊石，滑坡的潛在滑動面為淺層圓弧狀土質滑面，滑床為第四系坡殘積粘土夾碎塊石，下伏基巖為三疊系下統和龍山組灰巖。滑坡工程地質平面圖如圖1所示。

圖1 滑坡工程地質平面圖

1.2 滑坡影響因素

根據滑坡區地質環境條件和發育特征分析，滑坡形成的原因主要有以下幾個方面：

(1)地形條件：滑坡處位于低山丘陵區，堆積-侵蝕、剝蝕淺丘平原，總體地形較平緩，但滑坡后緣較陡，局部坡度達到52°，有利的地形因素是該滑坡形成主要因素之一。

(2)地質條件：滑坡堆積體第四系松散層厚度較大，為滑坡體形成提供了較豐富的物質基礎。第四系松散層巖性軟弱，強度低，易受降雨和水的影響。

(3)降水：降雨是影響坡體穩定的自然因素中最經常發生的和最活躍的因素，是該滑坡的主要誘發因素。廣德區域7 月份持續性降雨，導致水流匯集后迅速滲入坡體或沿坡而下，增大了土體的容重和孔隙水壓力，減小了坡體抗滑移能力。另外由于雨水滲入，對斜坡土體起到了軟化作用，造成滑面的抗剪強度降低，從而使土層產生蠕動變形，形成裂縫，最終導致滑坡形成。

(4)人類活動：滑坡后緣為運輸道路，車輛行駛過程中荷載、振動對滑坡穩定性也會產生不利影響。

2 計算理論

2.1 飽和-非飽和土體滲流理論

根據廣義達西定理和質量守恒原理，二維滲流的一般控制微分方程(毛昶熙，1998)[13]為：

(1)

式中：kx、ky為水平和垂直方向的飽和滲透系數；mw為儲水曲線的斜率；γw為水的容重；H為滲流的總水頭；Q為邊界流量。

2.2 非飽和土體的穩定性理論

穩定性計算是根據非飽和土抗剪強度場采用延伸的摩爾-庫侖公式(F redlund et al，1993)

τf=c′+(σ-μa)tanθ′+(μa-μw)tanθb

(2)

式中：τf為土的抗剪強度；c′為飽和土的有效粘聚力，θ′為飽和土的有效內摩擦角；σ-μa為凈法向應力；μa-μw為土體基質吸力；θb為相對于基質吸力的剪切摩擦角。

3 計算模型及降雨工況

3.1 滑坡計算模型

選取滑坡代表性剖面，建立二維數值模型。二維模型包含三種材料，分別為滑坡堆積物、第四系坡殘積碎塊石土和下部和龍山組灰巖。模型左右為水平約束邊界，即地下水位線固定水頭，底部邊界為豎向不透水邊界，坡表為降雨條件。計算模型如圖2所示。

圖2 滑坡計算模型

根據滑坡勘查報告及相關現場、室內物理力學試驗數據綜合確定滑坡體和滑床的相關計算參數，如表1所示。滑體土水特征曲線和對應的滲透系數曲線可根據Geo-studio軟件中自帶的Fredlund預測模型得出，如圖3所示。

表1 物理力學參數表

圖3 滑體土水特征和滲透系數曲線

3.2 降雨工況

降雨工況的設置是在天然工況的基礎上，疊加降雨條件進行的，計算時水位線以上的土體采用天然重度進行計算，水位線以下的土體采用飽和重度進行計算。由于邊坡破壞多發生在大雨、暴雨過后，參照我國氣象部門的降雨強度標準，本次數值模擬采用的降雨強度為24 h的單位邊界流量3.125 mm/h。

根據前人的研究，歸納總結五種降雨模式，分別為均勻型、遞增型、遞減型、峰值型、峰谷型，降雨強度在0～3.125 mm/h連續變化。具體降雨工況如表2和圖4所示。

表2 計算工況表

圖4 五種降雨模式

4 結果分析

4.1 孔隙水壓力變化規律

在上述工況設置好的基礎上，首先進行滲流分析。在滑坡體內選取某一節點為代表反映不同降雨模式下孔隙水壓變化情況，如圖5所示。

圖5 不同降雨模式下節點的孔隙水壓力

通過上圖，可以得出：

(1)不同降雨模式工況下，滑坡體內的孔隙水壓力變化顯著。均勻型、遞增型、遞減型、峰值型及峰谷型降雨模式的最終孔隙水壓力分別為17.67、15.71、9.54、10.69和14.46 kPa，初始孔隙水壓力為7.35 kPa，最大差值10.32 kPa。由此可見，不同的降雨模式對滑坡體內的孔隙水壓力有顯著影響。

(2)從降雨時間來看，滑坡體內的孔隙水壓力變化趨勢明顯。隨著降雨時間的增加，降雨不斷入滲，均勻型、遞增型降雨孔隙水壓力呈不斷增大趨勢；峰值型降雨孔隙水壓力呈先增大后減小趨勢，遞減型、峰谷型降雨孔隙水壓力呈先減小后增大趨勢，都存在一定的滯后現象。如峰值型降雨在12 h時，降雨強度開始降低，孔隙水壓力在14 h才出現減小的趨勢。

(3)從降雨強度變化來看，孔隙水壓力變化趨勢基本與降雨強度變化情況相吻合。降雨強度不變階段：均勻型降雨(0～24 h)，初期孔隙水壓力不斷增大，后期增幅減小趨勢。分析原因是，隨著降雨時間的增加，地下水位水頭差逐漸減小，雨水入滲能力下降，孔隙水壓力增幅減小。

降雨強度增長階段：遞增型降雨(0-24h)、峰值型降雨(0-12h)、峰谷型降雨(12-24h)，降雨強度不斷增大，孔隙水壓力不斷增大。

降雨強度減小階段：遞減型降雨(0-24h)、峰值型降雨(12-24h)、峰谷型降雨(0-12h)，降雨初期，降雨入滲，孔隙水壓力大幅增大，隨著降雨強度的降低，孔隙水壓力增幅減小，遞減型降雨孔隙水壓力甚至有下降的趨勢。

4.2 穩定性變化及分析

在滲流分析的基礎上，對滑坡進行穩定性模擬，采用極限平衡法進行穩定性計算，結果圖6所示。

圖6 不同降雨模式下滑坡的穩定性系數

通過圖6，可以得出：

(1)滑坡的穩定性受降雨作用影響明顯，穩定性系數均有所下降。均勻型、遞增型、遞減型、峰值型、峰谷型降雨工況下，穩定性系數分別下降了3.49%、2.78%、0.72%、1.11%、2.32%，可以看出均勻型降雨對滑坡穩定性影響最大，遞增型次之，且有持續下降的趨勢，遞減型降雨影響最小。

(2)通過對比，滑坡穩定系數的變化規律基本上與孔隙水壓力變化趨勢成反比。即孔隙水壓力不斷增大，穩定性不斷減小，孔隙水壓力增幅減小或略有下降時，滑坡穩定性下降幅度減小，穩定性也有所回升。

(3)初期降雨強度越大，穩定性系數下降幅度越大。這是因為降雨初期，滑坡表面土體非飽和度高，土體入滲能力和保水性強，降雨強度小于滑坡土體入滲能力，雨水基本全部入滲，隨著降雨的繼續，土體的含水量逐漸升高，土體的入滲能力和保水能力率逐漸降低，使得滑體的含水量增加幅度變小，孔隙水壓力邊增幅也較小，因此土體的穩定性系數下降幅度小。同一降雨強度出現在降雨起始階段對滑坡穩定性的影響與出現在其他階段相比偏大，因此在強降雨初期要特別做好滑坡的防護措施。

5 結語

(1)不同的降雨模式對滑坡體內的孔隙水壓力有明顯影響，孔隙水壓力隨著降雨強度的變化呈現出相對應的趨勢。降雨強度不斷增大，孔隙水壓力不斷增大；降雨強度降低，孔隙水壓力增幅減小，甚至有下降的趨勢。

(2)滑坡穩定系數的變化規律基本上與孔隙水壓力變化趨勢成反比。即孔隙水壓力不斷增大，穩定性不斷減小，孔隙水壓力增幅減小或略有下降時，滑坡穩定性下降幅度減小，穩定性也有所回升。

(3)滑坡的穩定性受降雨作用影響明顯，均勻型、遞增型降雨對滑坡穩定性影響大，遞減型降雨影響最小。

(4)降雨初期，坡體穩定性系數都有較大幅度降低，隨著降雨時間增長，遞增型降雨模式下滑坡體穩定性系數不斷下降，且有持續下降的趨勢。因此降雨初期和遞增型降雨模式下，應加強度對滑坡的變形監測和必要的防范措施。