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渗透性与降雨强度对堆积层滑坡稳定性的影响

2016-12-28徐智彬李东林

地质与勘探 2016年4期
关键词:滑面渗透系数降雨

覃 伟,徐智彬,李东林

(重庆工程职业技术学院,重庆 402260)



渗透性与降雨强度对堆积层滑坡稳定性的影响

覃 伟,徐智彬,李东林

(重庆工程职业技术学院,重庆 402260)

本文基于非饱和渗流理论及非饱和土的Fredlund双应力变量强度理论,对一沿岩土接触面滑动的堆积层滑坡模型,分别进行了8种条件下的降雨入渗数值模拟试验,研究了不同土体渗透性及降雨强度对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)堆积层滑坡的稳定性与土体的渗透性有密切关系,在降雨后的短期内,土体渗透性越好,滑面孔隙水压力升高越明显,滑坡的稳定性降低程度越大;(2)降雨期间,埋深较浅的滑面,入渗雨水能够较快到达,对滑坡稳定性的影响较大;(3)在相同的降雨时间内,降雨强度越大,滑坡稳定性降低速率越快;(4)降雨强度影响着滑坡发生的滞后性,在降雨总量一定的条件下,若降雨强度较大,雨停后,滑坡稳定性继续下降的程度较大;(5)降雨总量控制着滑坡的最终稳定性。

渗透性 降雨强度 堆积层滑坡

堆积层滑坡是指发生在第四系地层内松散堆积层(黄土、粘土及其它软土层除外)中的滑坡,其滑体物质一般由崩积物、崩坡积物、冲积与崩坡积混合物堆积而成,具有结构松散、孔隙比高、透水性强等特点(戴自航等,2000;陈善雄等,2005;孙红月等,2012)。据统计,堆积层滑坡的发生,绝大多数由降雨激发,例如,湖北省秭归县50×104m3以上的堆积层滑坡共计154处,其中149处由降雨激发产生,占96.75%(王发读,1995;贺可强等,2005)。

堆积层滑坡的滑面常为堆积层与下伏基岩的接触面,来自上覆松散堆积层中的地下水及地表渗入水常汇集在基岩顶面,导致其强度较低,使上覆堆积层失去稳定,沿下伏基岩面滑动(白云峰等,2004;许建聪等,2005;成国文等,2008;巨能攀等,2010;吴火珍等,2010;马世国等,2014;王维早等,2015;尹剑辉等,2015)。已往许多学者对降雨入渗与土质滑坡稳定性的关系进行了深入研究,取得了丰富的成果(王平卫等,2007;刘俊新等,2010;徐全等,2012;李海亮等,2013;唐栋等,2015),但对堆积层滑坡体沿基岩面滑动的稳定性研究鲜见报道。本文将分析不同降雨强度条件下具有不同渗透性的堆积层滑坡体沿基岩面滑动的稳定性,为该类型滑坡的预测评价提供方法。

1 降雨入渗影响堆积层滑坡稳定性的分析方法

1.1 降雨入渗非饱和渗流计算

降雨入渗非饱和渗流分析,可采用Richards方程来描述(吴吉春等,2009),该方程以总水头H为因变量的二维表达式为:

(1)

其中:

式中,uw为孔隙水压力;θ为体积含水率;γw为水的重度;t为时间;kx、ky分别为x和y方向的渗透系数,是基质吸力的函数,可由土水特征曲线确定。

1.2 滑坡稳定性计算

滑坡的稳定性计算可采用极限平衡法进行,常用的极限平衡法有瑞典圆弧法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等,其中Morgenstern-Price法充分考虑了条间力的相互作用,具有误差较小的优点(佴磊等,2010;段伟强等,2014)。本文采用Morgenstern-Price法进行滑坡稳定性分析,计算时,引入非饱和土的Fredlund双应力变量强度理论来表示非饱和土的抗剪强度特征,该理论将非饱和土抗剪强度表示为(Ningetal.,2012):

τf=c′+(σ-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(2)

式中,(σ-ua)f为土体破坏时,其破坏面上的净法向应力;(ua-uw)f为土体破坏时的基质吸力;c′为有效内聚力;φ′为有效内摩擦角;φb为对应于基质吸力的内摩擦角。

上式表明,对于非饱和土,随着孔隙水压力(负压)的升高,基质吸力将降低,最终导致土体抗剪强度降低。

2 分析模型与计算方案

堆积层滑坡模型如图1所示,滑坡前后缘高差为33m,滑坡体主体厚度为3.2 ~ 5.5m。滑床为基岩,滑坡体为堆积层,滑面为基岩与堆积层接触面,呈折线型,共由5段(a、b、c、d、e)组成,其几何特征见表1。滑体上表面为入渗边界;滑床的渗透性远低于上覆滑体,视为不透水介质,即滑体与基岩接触面为不透水边界。初始条件下,地下水位位于滑床基岩内,滑坡体处于包气带中,地下水位线以上,基质吸力呈线性增加,当超过最大毛细高度5m后,孔隙水压力为常数。

图1 滑坡剖面模型

本文将对粒度相对较粗、较细的两种滑坡土体分别进行4种不同降雨强度下的稳定性分析,即共进行8种模拟试验(表2),其中试验M1、M2、M3、M4的土体具有相同的土水特征曲线及渗透系数曲线(图2、图3),其粒度相对较粗,饱和渗透系数为1×10-4m/s,饱和体积含水率为0.4;试验M5、M6、M7、M8的土体具有相同的土水特征曲线及渗透系数曲线(图2、图3),其粒度相对较细,饱和渗透系数为5×10-6m/s,饱和体积含水率为0.4。8种模拟试验中,滑坡体天然重度取值为20 kN/m3,滑面有效内聚力c′取值为15.09 kPa,有效内摩擦角φ′取值为9.97°,φb取值为9.97°。

表1 滑面几何特征表Table 1 Geometry characteristics of sliding surface

表2 降雨入渗模拟试验基本参数Table 2 Parameters of rainfall infiltration simulation tests

图2 土水特征曲线

图3 渗透系数曲线

3 计算结果分析

对上述8种模型进行非饱和有限元渗流分析,并用Morgenstern-Price法进行滑坡的稳定性计算,得到各试验降雨(无雨)1天时,竖直剖面A(位置见图1)内孔隙水压力随埋深变化曲线(图4)、各试验滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线(图5~12)及滑坡稳定性随时间变化曲线(图13)。

3.1 渗透性对滑体稳定性的影响

由于地下水位相对较深,滑坡土体处于包气带中,基质吸力较大,由渗透系数曲线(图3)可知,试验M5、M6、M7、M8土体的渗透系数总体较试验M1、M2、M3、M4的大。

图4 降雨(无雨)持续1天时竖直剖面A内孔隙水压力随埋深变化曲线

3.1.1 渗透性对孔隙水压力分布的影响

各试验降雨(试验M2、M3、M4、M6、M7、M8)1天或无雨(M1、M5)持续1天时竖直剖面A内孔隙水压力随埋深变化曲线(图4)显示,试验M1的渗透系数较低,初始的总水头差对渗流的贡献微弱,整条曲线与初始值相近;试验M5的渗透系数较高,在初始总水头差的作用下,上部土体内的地下水逐渐向滑面方向渗流,使上部土体的孔隙水压力减小,下部土体的孔隙水压力升高;试验M2、M3、M4渗透系数较低,雨水入渗速率缓慢,形成的湿润锋主要位于埋深为1m的范围内,且湿润锋以上区域的孔隙水压力升高幅度较大,湿润锋之下深度范围内的孔隙水压力与试验M1的曲线基本重合;试验M6、M7、M8渗透系数较高,雨水入渗速率相对较快,其中试验M7、M8,降雨入渗形成的湿润锋主要位于埋深为3m的范围内,且湿润锋以上区域的孔隙水压力升高幅度相对较小,试验M6降雨强度较小,无法从曲线上识别出湿润锋;试验M6、M7、M8在埋深约4m之下的孔隙水压力随埋深增加而逐渐升高,与试验M5相应埋深的曲线重合,说明该区域孔隙水压力的升高主要是由于初始总水头差作用形成的,而与降雨入渗无明显相关性。

上述分析表明渗透系数的大小影响着孔隙水压力的分布。渗透系数越大,越利于地下水从高势区向着低势区渗流,使低势区孔隙水压力升高的速率越快,高势区孔隙水压力降低的速率越快。

3.1.2 试验M1、M2、M3、M4滑面孔隙水压力与滑坡稳定性

试验M1、M2、M3、M4具有相同的土水特征曲线和渗透系数曲线。试验M1的总降雨量为0mm,计算结果(图5)显示,试验M1由于无降雨入渗土体,且土的渗透系数低,初始的总水头差使地下水向滑面发生的渗流微弱,使滑面孔隙水压力仅有略微上升,9天后滑坡稳定性系数仅降低0.009。因此,可以忽略此条件下初始孔隙水压力(含水量)分布对滑坡稳定性的影响。

图5 试验M1滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

试验M2、M3、M4具有相同的总降雨量,尽管降雨强度不同,但滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线是相似的(图6、图7、图8)。降雨期间,由于雨水的入渗,使得滑面埋深相对较浅的滑坡后缘与前缘含水程度相对较高,其对应的滑面(a区、e区)孔隙水压力迅速升高,而滑面埋深相对较深的滑坡中部区域滑面(b区、c区、d区)孔隙水压力变化不大。雨停后,入渗雨水继续由坡体表层向深部滑面渗流,导致滑坡体后缘及前缘滑面的孔隙水压力继续升高,而滑面埋深相对较深的滑坡中部区域滑面,由于含水程度较低,渗透系数低,从而难以得到足够雨水补给,其孔隙水压力仍无明显变化。因此,滑坡体稳定性的降低主要是由于雨水渗入滑坡体后缘及前缘滑面,导致孔隙水压力升高,基质吸力降低,使抗剪强度减小的结果。

图6 试验M2滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

图7 试验M3滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

图8 试验M4滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

3.1.3 试验M5、M6、M7、M8滑面孔隙水压力与滑坡稳定性

试验M5、M6、M7、M8具有相同的土水特征曲线和渗透系数曲线。试验M5的总降雨量为0mm,计算结果(图9)显示,试验M5由于无降雨入渗土体,但土的渗透系数较高,在初始的总水头差的作用下,地下水向滑面方向发生的渗流,使滑面b区、c区的孔隙水压力有明显上升,9天后滑坡稳定性系数降低0.064。这说明渗透性较好的条件下,初始的孔隙水压力(含水量)分布将对滑坡的稳定性产生影响。

试验M6、M7、M8具有相同的总降雨量,尽管降雨强度不同,但滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线是相似的(图10、图11、图12)。降雨期间,由于滑坡体渗透系数较高,在初始总水头差及入渗雨水的共同作用下,地下水能够较快地向滑面方向移动,使得整个滑面孔隙水压力持续升高,且由于滑坡后缘与前缘滑面埋深相对较浅,其孔隙水压力上升速率大,尤其是在降雨强度较大的条件下,变化更为显著。降雨结束后,由于滑坡后缘滑面含水程度高,渗透性较好,该处的孔隙水在重力作用下向滑坡前缘方向渗流的速率快于其上部土体中地下水向滑面渗流的速率,导致滑坡后缘滑面孔隙水压力持续降低;滑坡前缘滑面,孔隙水压力表现为较为平稳的特征;滑面其他部位,孔隙水压力的升高速率随着时间的增加逐渐降低,且降雨强度越大,孔隙水压力变化越明显。通过滑面孔隙水压力与滑坡稳定性系数的变化规律,可以发现孔隙水压力变化越明显,则滑坡稳定性系数变化就越明显。

图9 试验M5滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

图10 试验M6滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

图11 试验M7滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

图12 试验M8滑面孔隙水压力与滑坡稳定性随时间变化曲线

3.1.4 渗透性对滑体稳定性的影响

试验M1、M2、M3、M4与试验M5、M6、M7、M8滑面孔隙水压力及滑坡稳定性的差异,主要由滑坡体渗透性的差异造成。根据滑坡稳定性随时间的变化曲线(图13),可以看出在相同的观察时间内,渗透系数较小的试验M1、M2、M3、M4所得到的滑坡稳定性系数降低程度较透系数较大的试验M5、M6、M7、M8的小,说明滑坡体的渗透性对滑坡的稳定性有明显影响。因此,在短期内,渗透性越好,上部地下水越容易到达滑面,孔隙水压力升高越明显,滑坡的稳定性降低程度越大。但是,对长期而言,渗透性越好,越有利于地下水排出滑坡体,利于滑坡的稳定;而渗透性越差,地下水越容易在滑坡体内滞留,并向滑面缓慢渗流,导致滑坡的稳定性逐渐降低。

图13 滑坡稳定性随时间变化曲线

3.2 降雨强度对滑体稳定性的影响

本文进行了不同降雨强度条件下的滑坡稳定性分析,由图4、图13可看出,对于同一滑坡(试验M2、M3、M4,或试验M6、M7、M8),在相同的降雨时间内(如降雨1天时),降雨强度越大,入渗降雨的湿润锋向下移动速度越快,滑坡稳定性降低越快;在降雨总量一定的条件下(试验M2、M3、M4、M6、M7、M8的降雨总量均为100mm),降雨强度较大时,雨停后,滑坡稳定性系数继续下降的程度较大,即滑坡发生的滞后性较强,但在雨停经过一段时间后,稳定性系数总体将趋于相近,且降雨强度较大的,稳定性系数相对略高。因此,降雨总量控制滑坡的最终稳定性,降雨强度影响着滑坡发生的滞后性。

4 结论

(1)堆积层滑坡的稳定性与土体的渗透性有密切关系。在降雨后的短期内,渗透性越好,上部地下水越容易到达滑面,孔隙水压力升高越明显,滑坡的稳定性降低程度越大。

(2)降雨期间,埋深较浅的滑面,入渗雨水能够较快到达,其内孔隙水压力上升速率较快,对滑坡稳定性的影响较大。

(3)在相同的降雨时间内,降雨强度越大,滑坡稳定性降低速率越快;降雨强度越小,滑坡稳定性降低速率越慢。

(4)降雨强度影响着滑坡发生的滞后性。在降雨总量一定的条件下,降雨强度较大时,雨停后,滑坡稳定性继续下降的程度较大。

(5)降雨总量控制着滑坡的最终稳定性。在降雨总量一定的条件下,尽管降雨强度不同,雨停后经过一段时间,滑坡稳定性系数均将趋于相近,且降雨强度较大的,稳定性系数相对略高。

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Controls of Permeability and Rainfall Intensity on Accumulation Landslide Stability

QIN Wei,XU Zhi-bin,LI Dong-lin

(ChongqingVocationalInstituteofEngineering,Chongqing402260)

This study was based on unsaturated seepage theory and Fredlund double stress variable strength theory for unsaturated soil.For a slope model of the accumulation layer sliding along the contact surface of the rock and soil,we have conducted numerical simulation tests of rainfall infiltration under eight conditions,and analyzed the effects of different soil permeability and rainfall intensity on the landslide stability.The results show that the stability of the accumulation slope is closely related to the permeability of soil.The better soil permeability will cause higher pore water pressure on the sliding surface and cause larger probability of slope failure in the short time since rainfall.The shallower sliding surface can cause infiltration rainfall to arrive the sliding surface quickly and lead to larger probability of slope failure during rainfall.The intense rainfall may reduce landslide stability rapidly under the same rainfall amount.Rainfall controls the backwardness of landslide stability after the end of rain.Under a certain total amount of rainfall,the larger the rainfall intensity is,the landslide stability is more likely to continue to decrease when the rain stops.The total amount of rainfall controls the final landslide stability.

permeability,rainfall,accumulation landslide

2016-02-18;

2016-06-06;[责任编辑]郝情情。

重庆市教委科技项目(编号 KJ1403204)和重庆工程职业技术学院院级课题(编号KJB201512)资助。

覃伟(1981年-),男,2011年毕业于成都理工大学,获硕士学位,助教,主要从事地质灾害教学、研究工作。E-mail:qinw09@163.com。

P642.22

A

0495-5331(2016)04-0743-08

Qin Wei,Xu Zhi-bin,Li Dong-lin.Controls of permeability and rainfall intensity on accumulation landslide stability [J].Geology and Exploration,2016,52(4):0743-0750.

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