優先流對土壤水文及滑坡觸發的影響

陳思婕，李美駿，羅雅婕，邵 偉*，楊宗佶

(1.南京信息工程大學水文與水資源工程學院，南京 210044; 2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041)

滑坡地質災害一般由地震、極端降雨等因素觸發[1-4]。地震在短時間內可以導致邊坡荷載的劇烈變化，改變山區巖土特性，造成滑坡或促使大量的邊坡轉變為滑坡隱患點。在震后期，降雨觸發的次生滑坡災害，具有突發性強、破壞力強等特點，對山區人民財產和生命安全造成極大的威脅，是世界上最主要的地質災害之一[5-6]。

降雨滲流可造成孔隙內部侵蝕，細顆粒發生遷移[7-8]。這種微觀潛蝕機制不僅影響孔隙結構和滲透性，也會減小巖土黏聚力和抗剪強度。經過長期微觀潛蝕，裂隙、大孔隙、軟弱結構面可能相互貫通，并形成潛在滑動面[9-11]。高強度降雨造成的入滲水流可以繞過致密基巖和土壤基質，在裂隙和大孔隙中快速流動，急劇增大潛在滑動面上的孔隙水壓力，并降低抗剪強度[12-13]。因此，在震后極端降雨觸發的次生滑坡災害中，非飽和條件下優先流的快速入滲成為地震滑坡堆積體最顯著的影響因素。中外許多學者基于優先流影響下的滑坡預警監測開展了大量的工作，如楊宗佶等[14]采用人工降雨模型試驗模擬了典型礫石土滑坡的破壞過程，揭示了降雨條件下滑坡堆積體形成優先流作用下的變形破壞的過程。李鑫等[15]總結了優先流觸發滑坡致災的4個發展階段，并以典型滑坡作為驗證，分析了優先流觸發滑坡作用研究機理。潘網生等[16]研究發現黃土孔隙、裂隙中優先流對于滑坡等地質災害的研究有重要的理論意義和實用價值。王力等[17]采用各向異性滲透材料在降雨作用下對滑坡進行滲流場及位移場的模擬，并與常規模擬及監測數據進行對比，驗證了優先流在滑坡事件中的存在。Ronchetti等[18]通過采用染色劑示蹤劑法描述斜坡中地下水流運動路徑，結果表明，存在兩種類型的地下水流，即優先流和基質流，可為滑坡預警提供新的貢獻。Chen等[19]通過進行一系列的人工降雨試驗，對水文響應進行表征，結果表明大部分降雨滲入滑坡體，受優先流的影響，孔隙水壓力和含水量對模擬降雨時間響應迅速。

但目前為止，中國仍缺乏對于優先流影響下的水-力耦合機理的定量研究[20-21]。現行的滑坡預警系統常常忽略優先流對邊坡穩定性的影響，造成強降雨條件下滑坡災害風險的低估[3,6,22-24]。因此，現構建并完善考慮優先流的滲流-邊坡穩定模型，將野外實驗與數值模擬技術結合構建滑坡預警系統,基于單滲透模型和雙重滲透模型，探尋降雨條件下的滑坡堆積體水文響應過程以及失穩過程，并將其應用到地震擾動區的潛在滑坡體的野外實驗以及災害監測對滑坡觸發的影響，為提高滑坡預警系統準確度提供新的思路。

1 研究區概況

研究區位于四川省都江堰市白沙河流域銀洞子溝(經度103°40′22.57″E；緯度31°9′36.15″N)，距市區約30 km。銀洞子溝所在的都江堰市四季分明，屬于四川盆地中亞熱帶濕潤季風氣候區。降雨充沛但多集中在6—9月的雨季，最低月平均降雨量出現在1月底。同時降雨強度差異極大，降雨空間分布不均勻，東南部平原區大于西北部地區，且降雨量表現為隨地勢逐漸升高而增加的趨勢。該地區降雨為流域泥石流爆發的主要驅動因素。研究區的銀洞子溝面積約2.2 km2，主溝整體長約 2.5 km，最大溝壑寬約1.0 km，主溝平均縱坡降 310‰。該流域最高海拔高程2 050 m，最低海拔高程 1 070 m，相對高差1 020 m。山體走向為北東南西向，山脊狹窄，地形為上陡下緩，溝谷深切且狹窄，溝床陡直,多為“V”形谷，其全景圖如圖1所示。

2008年汶川地震導致銀洞子溝兩側山體多處產生崩塌滑坡，形成大量的崩塌堆積體。銀洞子溝滑坡為典型的震后滑坡，滑坡堆積體在降雨激發條件下發生再次淺層滑動、拉槽，并轉化為泥石流。滑坡堆積體結構松散，主要由礫石土組成。震后降雨作用下，堆積體表面受地表徑流沖刷并形成細溝侵蝕，其溝道受到坡面徑流的沖刷和漸進淺層滑塌破壞而不斷擴大，滑坡體前緣發生局部破壞并不斷向后延伸，同時失穩垮塌的滑坡物質，成為后續極端降雨條件下發生次生地質災害的泥石流物源。

2 野外實驗驗證

2.1 野外實驗系統

人工降雨實驗在都江堰市白沙河流域銀洞子溝地震滑坡堆積體現場開展，實驗系統由人工降雨、攝像記錄、地表及地下位移監測組成。坡體的探測裝置主要由雨量計、孔隙水壓力計、土壤體積含水量探頭、數據接收器和傾斜式位移計組成，如圖2所示。

圖2 實時監測預警系統儀器組成

現場實驗布置如圖3所示，土壤含水量和孔隙水壓力傳感器埋藏在滑坡體的關鍵位置，以便測量含水量和基質吸力的動態變化。翻斗式雨量計可實時收集瞬態降雨量。地表位移和傾斜數據通過GPS(global positioning system)位移計及地表位移傾斜計觀測，從而建立滑坡觸發與降雨的相關關系。

圖3 現場試驗方案

2.2 數學模型

2.2.1 瞬態孔隙水壓力響應

針對邊坡土體瞬時孔隙水壓力的變化，單滲透模型采用考慮滑坡坡度的Darcy-Richards方程[24]，即

(1)

雙重滲透模型利用兩個Darcy-Richards方程分別模擬基質流和優先流[25-26]，即

(2)

(3)

式中：下標m和f分別表示基質流和優先流；wm和wf為基質流和優先流的體積含水量；Γw是兩域水分交換量[13]，其計算公式為

(4)

式(4)中：αw為水交換項系數。

采用van Genuchten-Mualem模型描述基質和大孔隙域的土壤水動力特性[27]，即

(5)

(6)

K(Θ)=KsΘ0.5[1-(1-Θ1/m)m]2

(7)

式中：Θ為有效飽和度；θ為體積含水量；θs為飽和含水量；θr為殘余含水量；α、n和m(m=1-1/n)為擬合參數；Ss為儲水系數；Ks為飽和導水系數。

雙重滲透模型基于連續模型概念，土體總含水量θ為基質含水量θm和大孔隙域含水量θf加權平均，即

θ=wfθf+wmθm

(8)

而飽和導水率Ks為

Ks=wfKsf+wmKsm

(9)

式(9)中：Ksf和Ksm分別是大孔隙域和基質域的飽和導水率。

2.2.2 無限邊坡穩定性分析

無限邊坡穩定性分析方法將淺層滑坡體的滑動面視為與軟弱面平行的規則滑動面，穩定性可用安全系數Fs表示為

(10)

式(10)中：Fs為安全系數；c′為有效黏聚力；φ′為有效內摩擦角；G為土體重度；σs為土體基質吸力。

σs=χpw=χγwh

(11)

式(11)中：pw為孔隙水壓力；γw為水的容重；χ為基質吸力系數，可用有效飽和度近似計算[28]。考慮到研究區的巖土體滲透系數極高，雙重滲透模型中，式(11)中的h可用hm替代進行計算。

2.3 模型設定及參數化

2.3.1 土壤水分特征曲線

首先將Darcy-Richards方程的表面邊界設為通量型(flux boundary)，以計算非飽和土表面邊界的降雨入滲。模型計算區域深度設為1.0 m，土壤水力學參數分為三層進行設定(0～0.55 m，0.55～0.8 m，0.8～1.0 m)。將26 h的數值模擬周期分為率定和驗證兩部分。在率定周期內(即0～6 h)對導水率進行率定。根據實測結果，確定了基質與大孔隙域體積比相關參數。大孔隙域體積比設定為25%，表示土壤中大孔隙、裂縫等優先流路徑的體積比。測定的飽和土壤含水量范圍為0.4～0.5，其下限與基質域孔隙度相關，而上限則與大孔隙所占體積有關。因此，在單滲透模型和雙重滲透模型中，殘余土壤含水量θr和飽和土壤含水量θs分別為0.1和0.425。

土壤水力學特征曲線中，參數α與進氣吸力有關，而n為擬合參數。其中，大孔隙域的n，各土層深度設定為4.0；而基質域的n利用MATLAB軟件中的“Isqcurvefit”函數，基于非線性最小二乘算法擬合參數，以描述土壤水分特征曲線。單滲透模型擬合后的土壤水分特征曲線如圖4(a)、圖4(c)、圖4(e)所示，雙重滲透模型確定的復合土壤水分特征曲線如圖4(b)、圖4(d)、圖4(f)所示。

圖4 單滲模型和雙重滲透模型中土壤水分特征曲線

雙重滲透模型的復合土壤水分特征曲線可以用來描述土壤整體的持水特性，與單滲透模型和實測結果基本吻合。雙重滲透模型的土壤水分特征曲線采用兩組參數描述基質流和優先流的水力特性。依據脫濕過程的土壤含水量和孔隙水壓力監測數據，將其作為單滲透模型和雙重滲透水分特征曲線參數，其參數如表1所示。

表1 單滲透模型、雙重滲透模型的基質和大孔隙域對應的水力學參數

2.3.2 土力學相關參數

土力學參數(即黏聚力、摩擦角、比重)和邊坡幾何關系(厚度和長度)如表2所示。基于非飽和土直剪試驗測試了土體的有效黏聚力和有效內摩擦角。土體力學參數將用于非飽和條件下的邊坡穩定性分析，土力學參數由文獻[21]進行室內實驗測試而來。

表2 滑坡體土體參數

3 模擬結果

3.1 數值模擬和實測結果的比較

三種不同深度(0.50、0.75、1.0 m)土壤含水量模擬結果如圖5所示。開始時，各深度土壤含水量與數值分析中指定的殘余土壤含水量θr非常接近(如表1所示)。率定期間降雨強度較為均勻，平均102 mm/h，在5 h過程中，土壤含水量由于重力排水而逐漸降低，達到穩定值，在0.50、0.75、1.0 m的土層深度分別降低0.12、0.18、0.25。在邊坡失穩破壞期間，4次降雨強度均引起土壤含水量的顯著變化，降雨強度變化條件下，相對復雜的降雨輸入導致入滲和排水過程顯著變化。

圖5 不同土層深度在率定期、排水期、邊坡破壞過程中實測和模擬土壤含水量

由圖5可知，在0.50 m深度處，單滲透模型和雙重滲透模型基質域土壤含水量模擬值均與實測值吻合較好。各深度實測土壤含水量對降雨的響應非常迅速，數值模擬土壤含水量在0.75 m和1.0 m深度存在明顯的滯后。在1.0 m時，單滲透模型的結果為顯著延遲0.33～0.5 h，雙重滲透模型基質域土壤水文響應僅滯后0.17～0.33 h。在模擬和實測的土壤水分對比中，模擬的土壤水動力過程表明，入滲主要發生在基質域，而大孔隙域的水文響應在達到較高的飽和條件后才會顯著，故在1.0 m處雙重滲透模型能更好地模擬真實土壤含水量。雙重滲透模型能體現基質域和大孔隙域的水力特性，比單滲透模型能更好地揭示滑坡體中土壤含水量的快速響應。

非飽和土孔隙水壓力的負值可以定義為土體吸力，其在三個不同深度的值如圖6所示。0.50、0.75、1.0 m深度處土體初始吸力P分別為14.7、4.5、1.9 kPa。降雨期間各深度土體吸力顯著降低至1.0 kPa。間歇排水期間，土壤含水量降低，土體吸力逐漸增大。在邊坡失穩破壞過程中，由于強降雨作用，土體吸力下降至最低值。

圖6 不同土層深度率定期、排水期、邊坡破壞期中實測和模擬土壤孔隙水吸力

以上對比表明，單滲透模型和雙重滲透模型都可獲得較為合理的土壤含水量和基質吸力。但雙重滲透模型，可更準確地反映快速水文響應。

3.2 邊坡穩定分析

現場實測邊坡破壞滑移面深度為0.5 m，因此將邊坡穩定性分析的深度定為該深度以模擬滑移面的穩定系數。深度為0.5 m處的安全系數計算如圖7所示。初始條件為穩定(Fs>1.0)，當安全系數Fs<1.0時，則發生邊坡失穩破壞。單滲透模型模擬的初始安全系數為1.115，然而雙重滲透模型模擬的安全系數更高為1.120。試驗期間模擬的安全系數隨降雨作用逐漸降低。單滲透模型模擬的安全系數下降至1.005，雙重滲透模型模擬的安全系數下降至1.000，雙重滲透模型計算的安全系數的波動大于單滲透模型的安全系數。在排水過程中，由于孔隙水壓力的增大，兩種滲透模型模擬的安全系數均增大，分別達到1.025(單滲透模型)和1.045(雙重滲透模型)。

圖7 單滲透和雙重滲透模型模擬的邊坡穩定性

在高強降雨作用下，邊坡共發生了4次滑坡破壞事件。在此期間，土體始終處于非飽和狀態，因此滑坡全部發生在非飽和條件下。第一次滑坡(t=22 h)的觸發可通過兩種模型來進行預警:單滲透模型的安全系數下降到0.995，雙重滲透模型模擬的安全系數下降到0.99。隨后，第二次和第三次(t=23.5 h和t=24 h)失穩破壞發生于低雨強(20 mm/h)降雨過程，單滲透模型和雙重滲透模型結果均高估了邊坡穩定性。第四次(t=24.7 h)降雨作用持續時間較長，大約為40 min，單滲透模型模擬的安全系數仍然接近1.0，而雙重滲透模型模擬的安全系數為0.99。因此，雙重滲透模型可以更好地揭示邊坡失穩破壞過程，而單滲透模型則因無法量化優先流對滑坡觸發的影響而高估邊坡穩定性。

4 結論

研究以汶川地震擾動區銀洞子溝滑坡易發區的野外人工降雨滑坡實驗為例，采用單滲透模型和雙重滲透模型模擬滑坡體的土壤水動力過程，并分析降雨入滲和滑坡失穩機理，得到如下結論。

(1)單滲透模型無法準確表征優先流影響下的水力特征，只能模擬基質流，導致模擬土壤含水量與實測之間存在明顯的滯后效應。相反，雙重滲透模型既可以模擬優先流，也可以模擬基質流，可以更準確地模擬土壤含水量和孔隙水壓力的變化。

(2)將雙重滲透模型與邊坡穩定性計算相耦合，可以量化土體非勻質性對邊坡穩定性的影響，為滑坡泥石流災害預警提供更可靠的結果。