降雨条件下某滑坡堆积体稳定性研究

魏宝龙 徐卫亚 王如宾

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098）

滑坡指位于边坡上的堆积体在重力作用下沿坡向发生整体或局部崩滑的运动形式及过程［1］.大量针对堆积体稳定性的研究表明，降雨是促使其稳定性降低的重要影响因素［2－4］.

考虑非饱和边坡渗流的堆积体稳定性研究显示，由于降雨入渗、裂隙水补充导致的浅层土体含水率、地下水位线上升，基质吸力减小（即孔隙水压力增大），堆积体潜在滑动面的有效抗剪强度不断减小直至堆积体破坏.暴雨条件下的边坡稳定性由多种因素控制，其中首先要考虑的是降雨强度和渗透参数，林鸿州等［4］采用模型试验评价降雨特征对堆积体稳定性的影响，最后选取雨强和总降雨量作为堆积体稳定性雨量预警的基准参数；邱路阳等［5］关于路堤滑坡机制的研究中针对暴雨渗透参数的分析，得出渗流靠近原地面处易形成软弱滑动面的结论，这从一个侧面佐证了本文中堆积体易从古滑坡滑面处复活的推测.而岩土体物理力学参数的影响也不能忽视，谢守益等［6］提出水文地质结构的重要性，并得出结论：承压水型堆积体易由暴雨诱发滑坡，而潜水型和层间水型的堆积体的失稳则更倾向于久雨.

为了深入探究降雨诱发堆积体失稳的机制，一些研究人员通过试验分析、模型试验等进行研究［7－9］，取得了很多成果.王伟等［4］通过对降雨影响下土坡内测点的位移监测，得出降雨条件下是土体损伤和土体微结构能量耗散引发堆积体的蠕变，而土坡的滑移是瞬时发生的结论.堆积体稳定性影响因素中降雨时间、雨型的研究中，国内学者中张玉成等［10］以谢守益［6］的研究为基础，进一步提出降雨诱发滑坡的机制中滑坡与降雨时间、频次的关系；林孝松等［11］的对于雨型和滑坡关系的研究则仅针对笼统的暴雨型和久雨型降雨进行研究；而 Tung－Lin Tsai［12］进一步研究了四种雨型对边坡的影响，发现在雨量、时间相同但是雨强线性减少的雨型对边坡稳定性影响最大；接着Arezoo Rahimi［13］研究发现，雨型对于低渗透的土质边坡稳定性的影响要更大.周创兵等［2］指出雨型、堆积体内渗流场与应力场耦合的有限元实现方法，是研究暴雨诱发滑坡的时间效应和稳定性评价方法的重要方面.

本文结合研究现状，采用最可能导致本文研究的堆积体失稳的降雨类型，对其引发堆积体失稳的渗透、应变变化规律、稳定性变化趋势进行分析，最后提出了治理这类滑坡灾害的一些建议.

1 非饱和渗流与孔压应力耦合理论

滑坡堆积体主要由块、碎石夹粉质粘土和碎裂岩体组成，滑带土透水性强，为了研究降雨条件下该堆积体的破坏机制及治理方案，本文采用非稳态非饱和渗流和孔压应力耦合方法来进行稳定性计算.

因水位线会穿过部分潜在滑动面，该堆积体潜在滑动面会部分处于非饱和土区域.暴雨工况会引起堆积体地下水位上升、内部孔隙水压力增大，岩土体非饱和区趋于饱和.本文基于饱和、非饱和土的渗流理论，将其简化为各向同性材料的饱和、非饱和问题，渗流控制方程为

式中，kx、ky代表x、y向的渗透系数；H为总水头；Q为施加的边界流量；mw表示比水容量，即土－水特征曲线中孔隙水压力的斜率；γw为水的重度；t为计算时间.方程显示了同区域同时段流入、流出的总净流量与体积含水率增量相同.

边界条件需要满足

1）流量边界：

2）水头边界：

求解式（1）～（3），得到渗流计算的孔压变化量后，相应于孔压改变的体积变化接着被计算，涉及到的耦合方程为

式中，［L］为耦合矩阵，Δd为增量位移，Δu表示孔压增量.

2 工程概况及模型

2.1 工程概况

本文研究的堆积体紧邻某水电站库区，位于该库区上游.水库蓄水后，堆积体于2007年7月下旬出现裂缝.裂缝主要分布于堆积体西侧后缘高程较高部位，沿一定方向发育，个别裂缝具一定规模，同时沿裂缝分布范围还存在有房屋地面裂缝，木质结构房屋榫头有拉脱等变形现象.

根据当地气象站资料显示，该地区属副热带季风气候区，暖湿多雨，多年平均降雨量为1 280.5mm，最大1d降雨量为133.3mm，4～8月份降雨量较集中.

勘探成果表明，该工程地质构成从上到下可分为5层：粉质粘土夹少量碎块石（透水性较差，为相对隔水层，持水性相对较好）；中、强风化破碎岩块夹粉质粘土层（透水性良好但局部夹杂透水性差、持水性相对较好的粉质粘土层）；碎裂岩体；含砾粉质粘土层构成的滑动带（前缘透水性较好，渗透系数平均值在10－4cm／s≤K＜10－2cm／s之间，属于中等透水等级；勘察报告显示中后部透水性较差）；滑床（主要成分为变余凝灰质砂岩、条带状凝灰质粉砂质板岩和灰色中厚层状变余层凝灰岩，属硬质岩类）.

该堆积体历史上经多次削坡处理，堆积体面常有落块现象.堆积体前缘岩体结构与主剖面图如图1～2所示.

图1 堆积体前缘岩体结构

图2 堆积体主剖面图

2.2 计算参数的选取

Seep／W中渗透系数曲线、土－水特征曲线可分别由饱和体积含水率、土体的渗透系数实现.因试验条件受限，本文未测试土样的土－水特征曲线，而是采用样本函数方法进行估算.渗透系数方程则是根据渗透系数和土－水特征曲线、采用Fredlund法得出.滑坡体各层岩土体的土－水特征曲线和渗透性函数如图3～4所示［14］.

图3 各层土的土水特征曲线

由勘察人员提供的地质条件、原状土样进行分析，得到滑坡堆积体各土层的物理力学性质参数.结果见表1.

图4 各层土的渗透函数

表1 各土层物理力学性质

2.3 计算剖面与边界条件

根据现场勘探成果，建立简化的堆积体主滑剖面有限元模型，如图5所示.图中标出的推测滑弧与裂缝的位置，其中裂缝采用局部渗透性参数相对较大来进行模拟.A、B、C点分别为同一横坐标下推测滑面附近点、堆积体中部点以及滑带内点.

图5 堆积体有限元模型

本文针对实际工程，结合历史最大降雨量，采用最不利的线性减少雨型，如图6所示，并分析该雨型下的边坡稳定性.

图6 雨型

2.4 计算方案

本文通过GeoStudio公司的Seep／W软件首先得到降雨入渗下的边坡渗流场，然后再把Seep／W中得到的水力边界条件，代入到Sigma／W模块中去求解耦合方程，最后Slope／W根据上一步的结果，采用基于有限元应力的极限平衡安全系数分析法对边坡的稳定性进行评价［15］.

根据勘察时测得钻孔地下水位，在软件中绘出初始0水位线.假设堆积体表层土孔隙压力为大气压，则基质吸力在数值上等同于孔隙水压力.模型边界条件设定情况如下，上边界：水位线以上为流量边界，大小为降雨强度.水位线以下为定水头边界.右边界：为模拟剖面后部山体对于水的补给，设其为水头边界.下边界与左边界：考虑为不透水边界.

3 计算结果与滑坡机制分析

3.1 计算结果分析

3.1.1 天然工况下堆积体稳定性

天然工况下边坡稳定性分析，考虑自动搜索的结果不满足工程实际，以有限差分软件Flac3d计算出的塑性区区域确定滑弧位置（如图5所示），采用3.4节中提到的计算方案进行计算，计算参数见表1，计算得到的安全系数为1.041，安全储备不足.

3.1.2 降雨边坡稳定性分析

在上述边界条件下，采用Seep／W程序来模拟暴雨工况下堆积体瞬态渗流场，降雨过程分为72个步长，每步间隔1h.本文仅给出降雨36h时的堆积体孔隙水压力和渗流场的分布情况，如图7所示.孔压力等值线即浸润线，负孔隙水压力大小表示基质吸力的值.

图7 降雨36h边坡孔隙水压力与渗流场分布图

选取堆积体A、B、C点进行孔隙水压力分析，结果如图8所示.由图可知，A、B、C点在降雨10h后，虽然降雨强度在不断降低，但是孔隙水压力均保持相对稳定.其中A点孔隙水压力逐渐上升接近于0，即土体已趋于饱和，而B、C点因土体中水流的运移，孔隙水压力产生较小幅度的降低.

图8 孔隙水压力和降雨持续时间关系

由图7～8的结果可知，在降雨初始阶段，堆积体非饱和程度较高，降雨入渗较快，径流没有在坡体表面形成.随着降雨的进行，堆积体表层饱和度的升高促使体内渗流量增多.而随着雨水入渗深度的渐趋稳定，此深度以上土体基质吸力趋近于0，接近饱和，也就意味着堆积体表面径流开始出现；由图7（b）可知，入渗影响深度之下的部分，因堆积体、滑带后缘的透水性特征，在降雨条件下，36h时坡体内的水流运移流线集中在裂缝和堆积体第二层土体区域，并由堆积体前缘排出，导致岩土体强度参数降低、内部结构弱化，抗滑力降低，而坡体重度增加，即堆积体的下滑力增加，引发堆积体失稳趋势增加.

通过Sigma／W中有限元方法对堆积体进行应力应变分析，在72h降雨后，边坡剪应变的分布如图9所示.结果显示，随着降雨的持续，堆积体表层土体随着降雨影响深度内含水率的增加而趋于饱和，上部坡体水分向塑性发展区运移，使指定滑面处孔压增加，岩土体强度的降低，最终堆积体局部应力集中.由图可知，其最大应变位于滑舌部位，而指定滑面附近的剪应变也处于较高的范围，进而引发边坡的稳定性降低.

图9 降雨72h边坡剪应变分布

由3.4节提到的边坡稳定性计算方法，得到计算结果如图10所示，结果表明暴雨对堆积体稳定性的影响非常明显.降雨影响下，堆积体安全系数持续降低.降雨开始时，堆积体安全系数略大于1.04，堆积体处于基本稳定状态；降雨初期，因雨强较大，雨水渗入裂缝后导致堆积体安全系数骤降，随着降雨持续，堆积体安全系数降低到1.014左右，处于临界失稳状态，这主要是由于堆积体坡降较大，后缘滑带位于浅层，后部滑体渗透性相对较大，雨水入渗后较快地积聚于堆积体前部，使滑带土体软化，滑弧处土体强度大幅降低，最后内滞水经由滑舌渗出坡体，产生动水压力，导致堆积体稳定性降低.

图10 安全系数和降雨持时关系

3.2 滑坡机制分析及措施

堆积体坡脚的开挖，使堆积体坡度较大，为该堆积体稳定性降低提供了条件；而从地质勘探结果可知，该堆积体为古滑坡堆积体，存在古滑带，并且结构相对较松散，透水性较强，其后缘因在多种内外因素影响下出现裂缝，为降雨提供了天然的入渗通道.降雨经由由裂缝渗入后，堆积体物理力学参数很快弱化；同时降雨入渗与山体裂隙水共同作用，堆积体表面逐渐饱和形成径流，体内形成渗流，最后前缘内滞水的渗透力，使堆积体局部变形，处于临界稳定状态.

根据上述对降雨条件下堆积体稳定性的分析，本文认为，降雨影响下的堆积体渗流场及坡表层径流，极大地影响了堆积体的稳定性，而库岸边坡可能发生变形破坏的模式主要为暴雨条件影响下的滑动破坏.初步估算，变形体方量大于1 000万m3，一旦整体失稳，可能出现堵江堰塞体，对周围环境造成重大影响.

本文跟据当地实际情况，提出以下建议：1）堆积体后缘出现的裂缝应用透水性差的黏土材料填充并夯实，堵塞地表水沿裂缝的下渗通道.同时在周边设置截水沟，减少地下水补给.2）根据该滑坡堆积体所处库岸周围环境、地质条件，从堆积体稳定计算和监测资料分析，建议对该滑坡堆积体的不同高程设置排水洞和排水孔，以利疏干滑面（带）地下水和部分基岩裂隙水，利于滑坡稳定.3）加强对该滑坡堆积体的变形监测工作，在排水主洞每隔一定距离设穿过滑面伸入滑坡体内的支洞，进一步了解滑面形态和特征，同时在支洞滑面处设置变形观测仪器，定时观测滑面变形位移情况.特别是在雨季天气变化条件下，应加强对塌滑堆积体的变形监测频率.4）由于该滑坡堆积体变形破坏可能对库区环境产生较大的影响，完成对滑坡堆积体的工程治理的同时，为避免处理工程受到影响，建议对该滑坡堆积体影响范围内的房屋实施搬迁处理.

模拟治理后堆积体排水洞布置如图11所示，采用与3.1.2节提到的相同降雨雨型、稳定性计算方案.为了与未排水情况进行对比，计算36h后堆积体孔隙水压力和渗流场的分布情况如图12所示.由图12（a）可知，堆积体后缘表层的孔压变化不大，而下部孔压因渗流漏斗造成的流场改变，有略微变化.可以推测，排水洞附近的孔压变化尤其剧烈.图12（b）反映了渗流矢量聚集于排水洞处的情况，堆积体其他部分的渗流矢量相对较小，体现了排水洞的排水作用.排水后堆积体稳定性计算后的结果如图11所示，排水72h后的堆积体的安全系数升高到1.163，基本达到治理的目的.

图11 排水后堆积体安全系数

图12 排水后降雨36h边坡孔隙水压力与渗流场分布图

4 结 论

本文以某库岸边坡堆积体为例，对其构造特征进行分析，同时基于非饱和土力学理论，采用有限元方法对最危险的线性减少雨型的暴雨入渗作用的堆积体稳定性进行了饱和－非饱和数值分析，为此类堆积体稳定性的预测与治理提供参考.

1）暴雨工况下，对堆积体进行动态时效稳定性分析后的结果显示：首先暴雨导致堆积体土体非饱和区的基质吸力下降（孔隙水压力升高），接着渗流于堆积体前缘产生渗透力，最后库岸边坡堆积体稳定性降低.其中初始阶段堆积体表层快速饱和，安全系数下降最快.

2）根据分析，得出堆积体可能的破坏模式：降雨后地表水通过缝隙入渗，导致土体强度降低，堆积体前部产生挤压型剪切滑动面，在渗透水压力作用下发生牵引式破坏.

3）采取两个排水洞后堆积体稳定性提高有限，考虑到一旦堆积体产生滑坡形成堰塞湖，将严重威胁到库区人民的生命财产安全，建议密切监测滑坡堆积体变形情况，做好避险应急预案.

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