里坞矿区降雨型滑坡勘察与评价

赵永洪

（浙江中材工程勘测设计有限公司，浙江 杭州 310022）

1 引言

滑坡是一种常见的地质灾害，特别对于矿区而言，由于矿产开采，使得岩土体的约束边界条件得以改变，往往是下部因开采、切坡失去足够支撑，导致上部土体失稳，在降雨、爆破等诱因作用下形成滑坡。本文通过里坞水泥矿区的滑坡勘察实例，讨论了滑坡岩土参数的合理确定方法。在稳定性分析方面，传统上通过设置合理水位，利用极限平衡法分析其坡体稳定，但由于矿区地质复杂，水力边界条件难以查清，且传统方法不能分析滑坡的发生过程，近年来随着非饱和土力学理论的完善和数值计算方法的进步，采用有限元和非饱和土力学理论进行分析成为可能。如Ng等[1]利用有限元模拟在不同的降雨强度、降雨历时、各向同性与各向异性的渗透系数和不同的初始水位下香港某滑坡的稳定性。本文根据滑坡勘察情况，尝试运用非饱和土理论，应用有限元方法建立滑坡体渗流场，采用调整试算并与实测水位相比较的方法得到滑坡体降雨期合理水头分布及滑坡形成情况，对类似勘察工程具有借鉴意义。

2 滑坡特征

本文主要讨论HP2滑坡，其滑坡区面积4 270m2(图1)。2010年因在HP2滑坡东南侧前缘开挖边坡，导致雨后HP2滑坡体东侧部位发生滑坡。当时在滑坡东侧及北东侧后缘发生大量坍塌，外围形成了高度约1～2m的陡坎。在滑坡体前缘向前滑动并形成大量的裂缝，这些裂缝多数为臌胀拉张裂缝，呈锯齿状，延伸长度均较大。

2013年6月，在连续强降雨的作用下，在HP2西南侧靠近西侧部位，在滑坡内小冲沟西侧再次发生了规模较大的滑坡。形成后缘宽约66m，前缘宽约58m，相对高差约为40m。滑坡主滑方向SE140°，主轴长度约100m的滑坡。勘查揭示的滑动面(1-1'剖面)如图2所示。

通过勘察年丰水期(梅汛期和台汛期)的观测，图2中可见本滑坡1-1'剖面暴雨后的观测水位线，此时滑体处于蠕动状态，表现为下部臌胀裂隙继续发育，但整体变形在可控范围，坡体处于蠕滑状态(可认为此时稳定系数在1.00～1.05)。

图1 滑坡勘查平面图

图2 1-1'剖面图

根据勘察揭示和成因调查该滑坡主要有以下一些特点。

(1) 滑坡由降雨诱发，坡体后缘汇水区面积大(其HP2汇水区面积约2.1×104m2，滑坡面积4 270m2)，降雨后先在前缘形成小范围滑坡，在后续降雨情况下引起大范围滑动。

(2) 地质条件复杂，多种岩土体并存。滑坡位于矿区的东北边界区，F4～F5断层之间，勘查揭示的主要岩土层有：①-1第四系残坡积粉质黏土混碎石，褐黄色，可塑—硬塑，稍湿，呈松散状；①-2全风化石英砂岩，褐黄色、土黄色、褐红色，可塑，湿，风化完全，原岩结构较为清晰；②强风化石英砂岩，为多数部位滑床的主要物质；③泥质粉砂岩，紫红色，手摸砂感明显，刻痕较明显，断口无光泽，暴晒或浸水后一段时间会发生崩解，裂缝极为发育。由于其地质结构破碎、裂隙发育导致了地下水渗流通道的多样性，既有浅部覆盖层的顺坡渗流也有沿构造裂隙带的深部下切渗流。

(3) 岩土体受人工活动影响大。因采矿修路，2010年在坡体前缘进行了局部切坡，可能破坏岩土内部既有的地下水渗流通道，改变了水力边界条件，使地下水不易及时排出，导致水位上升从而诱发滑坡。

(4) 其滑体、滑床、滑带由不同岩土体形成，传统极限平衡法往往只能设置一个统一的滑带土体参数，导致其分析的准确性较差。

(5) 滑坡由降雨引起，需考虑水位在坡体内的积累过程，极限平衡法和单一水位有限元分析法均不能模拟滑坡形成过程。

3 滑坡的分析评价

3.1 现状稳定性

根据勘察钻孔及探槽、探井取样土工试验可以得到滑体、滑带、滑床的岩土物理力学试验参数，其中对稳定性分析起决定性作用的是滑带的粘聚力c，内摩擦角ψ值，但是由于滑带土质的多样性，所以其土工试验参数往往离散性较大，不能直接用于稳定性计算[2](表1)。

表1 滑动带土样室内力学试验统计

试验表明：滑带土饱和快剪c=23kPa，ψ=35.1°，残余剪cr=22kPa，ψr=14.4°，塑限Wp状态下c=26kPa，ψ=15.4°，中塑((Wp+Wl)/2)状态下c=7.0kPa，ψ=6.2°，由此可看出，滑动带土含水量增加对其抗剪强度降低很大。

根据图2中临界状况下的水位进行极限平衡法反分析，取此时稳定系数为1.05时，反求得到滑带土参数为c =15kPa，ψ=18.5°。

为了验证参数的合理性，采用有限元强度折减法，以钻探成果为基础划分各类土层分界线，输入滑带土层反分析代表参数和其他土层取样所得的岩土试验参数(表2)，计算滑坡的稳定性和滑面位置，得到与极限平衡法相对比的结果。该法一方面回避了全滑带土参数取值的同一性假设可能不合理问题，另一方面可自动求解出滑面位置，并取得相应的滑坡稳定性系数[3](图3)。

表2 1-1'剖面有限元分析岩土参数

图3 降雨状态下强度法折减分析的最大剪应变云图(FS =1.04)

可见有限元法安全系数的计算结果与极限平衡法相当，最大剪应变计算结果与勘查揭示的第二滑面基本一致。这一方面说明滑带岩土参数取值较为合理，但对初期的滑动(第一滑面)计算结果没有体现。可见在降雨诱发滑坡过程分析方面，设置统一水位方式不能体现降雨对滑坡形成的动态影响。为了分析降雨时滑坡的形成过程特别是初始滑动的产生还需要更精确的方法。

3.2 降雨条件下滑坡的形成过程

为了模拟降雨条件下滑坡体的形成过程，采用非饱和土理论建立滑坡体“渗流—稳定”数值模型，建立模型时主要考虑了以下几个方面。

3.2.1 边界条件

模型尺寸(2D)：建立坡长257m，左侧坡高149m，右侧坡高90.7m，坡顶距左边界44.2m，坡脚距右边界59m，以原始地形为坡面的分析模型区域，并以勘察揭示土层情况划分出土体层位，划分网格，设置地基支撑条件。

水头边界条件：根据勘察揭示设置左侧水头为145m，右侧水头为70m，来考虑枯水期稳态渗流。

降雨条件：降雨强度按80mm/d暴雨工况考虑，考虑汇水区影响，下部水量按降雨强度的3倍试算，上部边界考虑上部渗流影响，按降雨强度的6倍试算，以此综合考虑地形及汇水区对滑坡的影响。

3.2.2 人类活动

考虑2010年，因前缘施工矿区道路，对坡体前缘进行了切坡，施工扰动可能导致坡体前缘岩土内渗流通道被破坏，对坡体排水产生不利影响。故在数值分析中对坡体前缘的渗透性进行降低，以模拟前缘排水不畅。

3.2.3 渗透性

考虑到地表径流和地下渗流对土体的淋滤作用，导致土体渗透系数的各向异性，将上部残积土、全风化石英砂岩土体的渗透系数设为各向异性，根据实测水力坡降，取ky=3kx(kx为水平方向渗透系数，ky为垂直方向渗透系数)调整试算比较。其他层土体由于渗透性弱，且结构强度较高，渗流对其稳定影响有限，取为渗透各向同性计算。

非饱和土的渗透性，可用Cardner(1958)提出的双参数模型表示如下：

式中：ks为饱和时土体渗透系数(m/s)；ψ为基质吸力；α为与进气压力值相关的参数(kPa-1)，随着土体的脱水，它控制着渗透系数开始下降的起点；参数n控制着渗透系数下降的斜率。

3.2.4 土—水特性曲线

该方法的难点是如何求得非饱和土相关参数，可直接采用试验方法获取参数[4-6]，但目前受限于设备能力和技术水平，工程运用受到一定限制。随着土力学理论和软件技术的进步，勘察单位可以运用岩土软件，通过设置不同的参数进行试算，然后与观测结果进行对比，这样可以方便求得较为合理的结果，实现降雨条件下对滑坡体的稳定性进行预测。本例采用van Genuchten模型进行模拟，数学表达式如下：

式中：Θ为含水量变量，无量纲，它由饱和含水量和残余含水量定义成标准化体积含水量的形式：Θ=(θ-θr)/(θs-θr)；θ体积含水量，θs饱和体积含水量，θr残余体积含水量；Se为标准化饱和度，Se=(s-sr)/(1-sr)；s土体饱和度，sr残余饱和度。α、m、n为拟合参数。

典型图层水文地质参数如表3所示[7]。

表3 砂土、粉土与黏土的典型水文参数

3.2.5 工况条件

根据降雨情况，将工况分为枯水期，丰水期和暴雨后三种情况。枯水期的地下水位基本为基岩裂隙水，水力连通性差，水位多位于滑带之下，此时为稳态渗流状态；丰水期水体基本沿残坡积层底部排泄，通过设置一段时间的降雨工况来实现；暴雨后是指丰水期遇到强降雨的情况下，此时水位位于滑体中部，达到最高水位。通过降雨瞬态模拟从低水位逐渐达到高水位的过程来研究滑坡的形成过程。

3.2.6 数值分析成果

参考表3所提供的参数，设置了表4所示参数进行试算，对比降雨后高水位情况和稳定性监测评估情况，进行试算调整，通过设置—试算—比较—调整—再试算的反复，较为准确的模拟出各种降雨情况下的水位分布和稳定性状况，实现动态分析。

表4 1-1剖面非饱和土体计算参数

(1) 各时期地下水渗流情况。

枯水期根据初始水头边界条件可以模拟出枯水期稳态渗流情况和相应水头等势线空间分布情况。丰水期根据初始水头、降雨强度和降雨历时可模拟出降雨期瞬态渗流情况分布情况。同时也能得出相应的饱和度空间分布。

图4为枯水期稳态渗流流径及水头分布情况，图5为丰水期暴雨后临界状态下的渗流情况及水头等势线分布情况，图6为枯水期饱和度云图，图7为雨后临界状态下饱和度云图。

由图4、图6可见在枯水期，地下水位较低，坡体含水量低，渗透性较均匀，水渗流受重力和路径共同影响，表现为流线较为平缓和均匀；由图5、图7可见在丰水期和暴雨临界工况下，地下水位上升明显，地表水体下渗后主要沿地下水位线流动，由于此时饱和区渗透性远大于非饱和区，其渗透性差异对其渗流影响明显，坡面水体下渗在坡脚形成泉眼。

图4 稳态流径及水头等势线(枯水期)

图5 瞬态流径及水头等势线(雨后临界)

图6 枯水期饱和度云图

图7 临界状态下饱和度云图

通过与各时段的水位实测情况与饱和度相比较和对应泉眼出露情况与渗流流径图相比较，可见模拟与实际吻合，这样可认为本模型较为符合实际，可以进一步以此模型为基础得出坡体在降雨工况下的稳定性情况，从而实现动态稳定性分析。

(2) 各时期稳定性情况。

根据上面求得的空间饱和度分布情况和土水特曲线可得到对应的基质吸力分布，在运用考虑基质吸力的非饱和土强度理论即可求得枯水期和丰水期降雨后的稳定性情况。

图8给出了枯水期的最大剪应变云图分布，图9则给出了雨后临界状态下最大剪应变分布情况和相应的坡体稳定系数。

图8 枯水期强度法折减分析的等效剪应变云图(FS =1.250)

图9 临界状态强度法折减分析的最大剪应变云图(FS =1.00)

从图8、图9可以看出随着坡体含水量的增加，最大剪切应变发生区域向前缘移动，这样就解释了降雨时前缘首先滑动的变形特征(第一滑裂带)。进一步分析降雨历时与稳定性的关系，当丰水期(枯水期降雨1～2天后，设为初始时刻)，遇暴雨工况时，降雨两天后边坡即达临界状态(图9，此时坡体滑动安全系数约为1.00)。这与滑坡发生时的过程降雨相当(2013年6月6～12日滑坡区普降大到暴雨，过程雨量为96～135mm； 6月18～30日连续降雨，其中24～30日为大到暴雨，过程雨量为218.1mm；其中26～27日连续出现暴雨，2天总雨量达161.0mm，雨后发现发生滑坡)。

从破坏的情况看，在降雨作用下，两天后首先在坡体前缘发生滑动，模拟的临界状态最大剪应变区域也与这一破坏面(第一滑动面)基本吻合(图9)，这就模拟了滑坡形成的过程。从地下水出露的情况看位于坡脚的泉眼(图2)也与丰水期渗流流线图的分布一致(图5)。至此，通过非饱和土力学理论建立的有限元数值方法，较为准确地模拟了坡体内地下水的渗流情况和滑坡体初始滑动的形成过程，达到了研究预期目的。

3.3 滑坡治理方法建议

通过在滑坡体后部设置截水沟，阻挡汇水区地表水进入滑坡体，在坡面加强植被作为毛细隔离带阻止雨水下渗或在坡体内部设置顺坡排水管道来有效降低降雨时地下水位，均可提高坡体在降雨工况下的稳定性。

4 结语

(1) 矿区滑坡由于滑带土质成分差异较大，土工试验结果离散性大，一般难以直接运用于滑体稳定性分析。实际分析时，一般采用极限平衡法反分析求得滑带土近似力学参数，为了使得分析结果更符合岩土力学破坏理论，建议用有限元强度折减法进行符合性验证。

(2) 由于矿区构造运动活跃，断层裂隙发育，地下水渗流路径和水头分布不易查清，若进行长期的水文地质监测，耗时费力。采用非饱和土渗流理论建立数值分析模型，合理设置岩土参数和模型边界条件，进行渗流数值模拟分析，并将模拟结果与短期监测水头数据相比较(主要比较渗透水力坡降与水位)，以趋于实测值为目标进行修正调整参数试算，是求取滑坡体渗流场分布的有效方法。

(3) 对降雨诱发的滑坡，利用非饱和土力学理论，采用有限元方法，是分析模拟滑坡形成过程的有效方法。在工程运用时要充分运用勘察成果和调查情况，特别注意边界条件(人工影响、水头条件和排水条件)的设置和分析成果与实际情况的对比验证，以期获得较为满意的成果。