降雨作用下库区滑坡稳定性分析

靳 远

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

随着我国西部地区水利工程的建设日益增多，受人类工程活动及气候变化等因素影响，在许多地区深切河谷地带越来越多的滑坡堆积体逐渐增多[1]，尤其是滑坡出现产生的不利影响已经影响到工程的顺利建设[2- 5]。

降雨与滑坡存在密切关系，国内外许多研究者针对降雨与滑坡的关系进行了探索研究，并取得许多优秀成果。Ma等[3]通过分析前期降雨诱发滑坡的规律，研究降雨与滑坡发生幂律和频率间的关系。Hyuck等[4]基于GIS的概率方法分析了降雨条件下诱发浅层滑坡的机制。Lee等[5]针对台湾地区降雨诱发滑坡的危险性进行了系统地评价，结果表明降雨是滑坡的主要诱发因素。Bernardie等[6]采用的统计-力学相结合的发展方法，分析随降雨量变化条件下滑坡稳定性的变化规律。龙辉等[7]针对降雨条件下诱发滑坡，利用突变理论并考虑滑面介质的水致弱化和应变软化性质，研究滑坡失稳的力学机制。吴火珍等[8]利用非饱和土力学方法，研究了降雨条件下诱发滑坡体的形成机制。张玉等[9]根据野外勘测，对降雨入渗机制和稳定性现状开展了定性评价，揭示了入渗引起滑动变形的动态机制。徐建聪等[10]根据室内物理力学试验和工程实测结果，针对降雨作用下诱发浅层滑坡存在的难处进行了分析。刘新喜等[11]开展了降雨条件下强风化软岩高填方边坡的稳定性研究。常金源等[12]基于Green-Ampt入渗模型，得出了降雨前有、无地下水位条件下的降雨持续时间与边坡安全系数的关系式。张珍等[13]从日降雨量、滑坡发生的时间及暴雨的关系方面详细分析了降雨诱发滑坡的形成机制。李汝成等[14]研究了针对降雨条件下泥岩-土混填路堤的稳定性。

目前，采用监测数据已成为分析滑坡的运动历史、变形机制和稳定性评估的重要途径[15- 18]。由于自动化GPS与其它监测系统相比具有实时、准确的优点，许多国家和地区已经采用GPS进行滑坡稳定性的研究。以甘肃省南部某库区大型滑坡体为例，采用自动化GPS对其外部变形进行监测，结合详细的现场调查和库区详细的降雨资料研究降雨条件下滑坡的破坏机理；同时结合实际渗流场，采用Geo-Slope分析了降雨条件下滑坡稳定性随降雨时间的变化规律，对库区滑坡防治具有一定的借鉴作用。

1 工程概况

滑坡位于洮河中游，属典型的山地和河谷型地貌。区内下游干旱温和，中、上游寒冷潮湿，年均降水量588.2mm，多集中在7—9月份，日最大降水量61.25mm。滑坡平面宽约400m，形态呈长舌形，滑体基座面上覆盖有厚约30～73m的松散堆积层，坡度局部较陡，约为30°～40°，总体积为8.94×106m3。在平面上总体表现为后缘和中部稍宽、前缘逐步收敛的平面形态。根据勘察资料：滑坡堆积体主要物质可分为3层，如图1所示，上层以大块石为主，中层块石和土体混杂，下层以黄土类土为主。地下水含水层厚度10～35m，埋深1～15m。

图1 滑坡剖面图

2 滑坡监测

采用GPS对滑体进行长期、实时监测，监测网布设方案如图2所示。根据对滑坡的野外调查可知，滑体主要为中下部发生破坏，因此分析滑坡滑体中部代表性监测点的位移监测数据及降雨量结果如图3所示。由图3可知，监测点位移变化与降雨量分别表现为正相关关系。该库岸滑坡存在3次快速滑动阶段，而快速滑动阶段均出现在雨季，尤其是2008年7—9月监测点位移增量最为明显。整体上蓄水过程中，滑体位移变化受降雨影响较大，在蓄水初期滑体稳定性受降雨影响相对较小，蓄水中期滑体稳定性由于降雨的影响有较大程度降低，滑体出现了局部失稳；蓄水后期，降雨作用下滑体稳定性也有一定程度的削弱，但是相对蓄水中期较小。由此可知，蓄水中期滑体的稳定性受降雨影响较大，蓄水初期及后期受降雨影响相对较小。此外，据勘测资料显示[17]：库区滑坡频次随降雨量的增加而增加，尤其在库区雨季时段，滑坡发生频次达到最大，也即库区滑坡发生频次与库区雨季相一致。

图2 监测点布置图

图3

表1 暴雨和滑坡各月出现频次及所占百分比[18]

结合万县、金沙江及凉山地区的滑坡灾害调查资料(见表1)可知，库区滑坡灾害的发生与降雨有着密切关系，在时间上表现为一致性，例如万县地区5—9月份降雨量较大，金沙江地区6—9月份降雨量较大，凉山地区6—8月份降雨量较大，滑坡灾害也主要发生在降雨较大的时间段内。降雨量最大的月份，滑坡频次也相应最大，例如万县地区地区7月份降雨量最大，滑坡频次也相应最大，占全年的滑坡比例约为45%。这与库区调查结果分析得到的规律相符。

3 降雨入渗模式

降雨入渗的主要影响因素为地形地貌、岩土体的入渗性能及降雨持续时间等。降雨渗容量从坡表入渗至坡内孔隙中的运动过程可分为3个阶段，见表2。

表2 边坡降雨入渗过程

由于基岩裂隙水及大气降水的补给，造成滑坡前缘地下水聚集，并逐渐向河流排泄；由于降雨及地下径流的补给，滑体中部及后缘形成上层滞水，丰水季节以泉水的形式溢出地表。同时由于滑面以下基岩渗透性较差，可将滑面看作隔水边界，降雨对滑坡的作用模式如图4所示。结合图4认为降雨作用下滑坡的滑动机制可概述为[18]：滑体物质的孔隙比大、结构松散的特点，为降雨入渗提供了有利条件；雨水通过滑体表面裂缝入渗，在不透水基岩面边界上形成滞水，使滑带土饱和，削弱了滑带的力学性质；降雨入渗还使滑动面被水体浸泡，滑面以上部分虚压力体大于实压力体，滑坡下部被淹没产生浮拖力，浸水土体的有效重量因孔隙水压力发生改变，又由于降雨迅速入渗至裂缝，在滑体内产生裂隙水的劈裂作用，造成裂隙的加深及贯通，在以上共同作用下造成滑坡的发生。

图4 降雨对堆积体的作用模式

4 数值模拟分析

4.1 计算理论

将总水头h视为未知量，将达西定律代入连续性方程，当坐标轴与渗透主方向相同时，得出二维非饱和土非稳定渗流方程如下：

(1)

式中，kx、ky—x、y方向的渗透性函数；θw—体积含水率；γw—水的重度；t—时间；ψ—土的基质吸力。

土-水特征曲线为ψ与θw之间的关系曲线。因此，土体的渗透性函数、土-水特征曲线、初始条件及边界条件被明确后，非稳态非饱和土渗流场就可以进一步得出。

4.2 计算模型

可以通过土-水特征曲线及其饱和渗透系数得到岩土体的渗透性函数[19]。计算中假定每种工况中的渗透系数相同，渗透系数取5×10-5cm/s，粘聚力为0.015MPa，内摩擦角为22.29°。干重度为15.0kN/m3，湿重度为16.2kN/m3，吸力内摩擦角11.0°，其中吸力内摩擦角可参照相关的经验取值[19]。降雨强度以流量大小衡量，将坡体表面视为流量边界，边坡底边及两侧作为不透水边界。假设边坡表面的孔隙气压力与大气压相等，在数值上孔隙水压力等于基质吸力，计算模型如图5所示。采用SEEP/W模式对非饱和非稳态渗流进行分析。首先在Geo-Slope软件中采用Seep中的暂态渗流问题进行分析，得到降雨条件下的坡体内渗流场水头分布，再将水头值输入到Slope中，在Slope模式下采用条分法计算边坡的安全系数。为了将Seep中的水头值导入Slope中，首先将Seep中的有限元网格引入Slope，在此网格下建立稳定性分析模型，其中，要根据实际边坡的滑动面选定滑动面、确定土体条分数及方法，并且在潜在滑动面上确定土条之间的底面中心点及其所在单元[20]。

图5 渗流计算模型示意图

按照给定的边界条件，分5个时间步长模拟降雨作用下边坡内的瞬态渗流场，降雨时长分别为2、4、6、8、10h。为研究降雨速度(单位时间内降雨量)与库岸滑坡稳定性的关系，以5种不同工况为例：降雨速度0.5、1、2、3、4mm/h，其中降雨速度2mm/h以上相当于暴雨的降雨速度。初始地下水位情形与计算的初始状态相对应。应用Janbu法(非饱和土边坡稳定性计算方法)，对不同降雨持续时间滑体的稳定性进行计算。由于滑体沿基岩接触面滑动，属于折线滑动，采用折线滑动法对滑体进行计算，其计算结果如图6所示。

图6 安全系数与降雨持续时间关系

4.3 计算结果

由图6可知，降雨速度、降雨时间与库岸滑坡的安全系数存在密切关系。降雨速度小于2mm/h时，滑体的安全系数随降雨时间的持续均大于1.0，滑体不会发生失稳；降雨速度大于2mm/h时，随降雨时间的持续滑体的安全系数将小于1.0，滑体将发生局部失稳破坏；并且随着降雨速度的增加，滑体安全系数小于1.0所需降雨时间越少，也即暴雨条件下降雨量越大，滑体失稳越快。在一定降雨速度条件下，滑体的安全系数随降雨时间的增加而减小，但是安全系数不会持续减小，安全系数下降速率也在不断较小，当安全系数达到最小值时，滑体将会发生失稳。也即随着降雨时间的增加，滑体的安全系数变化趋势表现为：快速减小-慢速减小-达到最小值后趋于稳定。因此，暴雨作用下库岸滑坡容易发生失稳，应注意强降雨时滑体的稳定性变化，加强库区滑坡监测。

5 库区滑坡防治建议

(1)加强库区重点滑坡监测

库区降雨主要集中于7—9月份，在该时间段内滑坡发生频次较大。针对库区大型滑坡的防治应引起足够重视，尤其是距离主坝较近的燕子坪滑坡更应引起重视。其次，距离居民居住区及公路附近的大型滑坡很具破坏力，对居民的人身及财产安全构成了较大威胁。针对这种大型滑坡，采用GPS位移监测与现场调查相结合的方法进行重点监测，对于具有失稳滑动趋势的滑坡体应进行及时治理，来不及治理的滑坡应及时疏散附近居民，并且应告示附近及过往人员，以免造成人员伤亡。由于库区内洮砚采石矿区的环境被破坏的程度不同，针对面积较大、破坏严重，对环境的恢复治理有较大难度，不仅需要严格加强库区内砚石等开采管理，还迫切需要逐步进行山体复绿工程，缓解由于采石过度对周围库区地质环境产生的破坏。

(2)减少人类工程活动的影响

根据调查分析可知，库区沿岸公路修建后发生的崩塌及滑坡灾害较之前增加许多，主要集中发生在公路边缘及距离公路不远处。公路开挖造成不合理切坡、加载、填方使边坡原有的应力分布状态发生改变，导致斜坡更加容易产生变形。若库区需要进行公路修建及其他工程建设时，应结合库区具体的工程地质状况，对该区域的工程建设等活动进行规范，不得进行无勘察评价的随意削坡，对地质灾害的发生从根源上进行预防。对于主坝等大型建筑物附近，由于公路等建设需要进行切坡，产生了较多的高边坡，针对这种现象，工程建设部门应组织专家采取合理砌筑护坡等边坡治理措施。

(3)针对库区内危险性较大的滑坡进行及时治理，以燕子坪滑坡为例，治理方案如下：燕子坪滑坡的主要滑动及不稳定部位在滑体前缘及中部，合理设置抗滑桩，抗滑桩的位置影响滑坡位置和滑动面的形状。一般情况下，抗滑桩位于斜坡中部时斜坡的安全系数最高，靠近两端时斜坡的安全系数变化规律相同。桩位的变化也会引起斜坡滑动面的形态变化，当抗滑桩位于斜坡中下部时，滑动面为在桩顶或斜坡上部某位置越顶滑出；当抗滑桩位于斜坡上部时，滑动面沿桩前土体滑出[21]。

6 结论

降雨与库区滑坡体失稳存在密切关系，库区滑坡发生与降雨量的大小表现为正相关关系，并且在时间上表现为一致性。

库区滑坡稳定性与降雨速度及降雨持时关系密切。滑体的安全系数随降雨时间的增加而减小，但是安全系数不会持续减小，安全系数将会减小到某一稳定值，滑体将会发生失稳。

降雨入渗至坡内孔隙中的运动过程可分为浸润阶段、渗漏阶段和渗透阶段。大型滑体物质凭借孔隙比大、结构松散、透水性强的特点，为降雨入渗提供了有利条件，雨水通过滑体表面裂缝入渗，削弱了滑体的稳定性。针对降雨型滑坡提出相应的抗滑措施，为其它工程提供了借鉴。