雨强对安溪县尧山村滑坡地下水渗流系统及稳定性的影响研究*

卓万生

(①福建省安溪县地质灾害研究所， 安溪 362400，中国)(②福州大学安溪地质灾害防治研究生工作站， 安溪 362400，中国)

0 引 言

安溪县是福建地质灾害最为发育的县份之一，滑坡是主要类型，占该县地质灾害的75%以上(叶龙珍， 2011)，而崩坡积碎石土滑坡又是主要表现形式(杨妮珊， 2016)，由于碎石土滑坡常常发育地下水管网状渗流系统，对边坡地下水位和稳定性都有着重要的控制作用(尚岳全等， 2005)。众多学者对碎石土滑坡研究均较为深入，如尚岳全等(2005)详细阐述管网渗流系统对碎石土滑坡稳定性的影响； 孙红月等(2006)，孙红月(2005)以上三公路6#滑坡为例，认为当边坡发生局部变形破坏时，管状渗流系统将因坡体的不连续变形而发生破坏，从而导致地下水位快速上升，边坡稳定性迅速下降； 许建聪等(2007)采用三维大变形弹塑性接触有限元算法，运用碎石土边坡地下水管状排泄系统理论，分析降雨作用下碎石土古滑坡的复活解体破坏过程； 还有学者研究碎石土的颗粒级配及渗透特性对滑坡稳定性的影响，认为碎石土的物质组成，特别是黏粒为主的细颗粒粒组含量对碎石土的渗透系数影响最大且最为显著(许建聪等， 2006； 陈志超等， 2016； 胡瑞林等， 2020； 杨忠平等， 2020)。

综上所述，目前学者对管网状渗流系统发育的碎石土滑坡研究，大多集中在滑坡的成灾机理上(许建聪等， 2008； 孟华君等， 2017； 陈家兴等， 2019； 何山山等， 2019)，降雨入渗坡体诱发滑坡的动态机制多是从物理模拟角度分析(董辉等， 2015)，而利用专业监测和FEFLOW数值模拟手段获取不同雨强条件下滑坡体管道型地下水渗流场的变化情况，然后再通过强度折减法研究不同工况条件下对滑坡体稳定性影响程度的成果却较为少见。作者多年野外调查，发现崩坡积碎石土滑坡的变形破坏与降雨强度密切相关，大致呈以下特点：大雨大滑、小雨小滑、没雨不滑； 泉眼多、出露位置多变、流量不固定； 裂缝展布形态各异，变形破坏范围和滑面深度较难确定； 在不同雨强条件下，地下水渗流场变化、变形破坏形态及其演变机制比普通滑坡更为复杂。

FEFLOW是迄今功能最齐全的地下水数值模拟软件，在地下水动态预测方面有着广泛的应用(胡健等， 2020)。众多学者运用它模拟相关地区地下水水位的动态时空分布和变化规律，取得较好成果(杨建飞， 2011； 陈小月等， 2014； 周振方， 2014； 柯雪松， 2017)。

本文以尧山村美厝角落地质灾害点为例，基于勘查和监测，掌握该处水文地质、工程地质和变形破坏特征等实际情况，然后通过FEFLOW建立坡体地下水渗流模型，探寻不同雨强条件下地下水渗流场的变化规律，再通过FLAC强度折减法分析地下水渗流系统对该滑坡体稳定性的影响程度。本文研究内容，是对此类受地下水渗流控制型滑坡治理方法的有益探索和尝试，并为类似滑坡的机理研究、稳定性分析和工程治理提供了有益的参考和借鉴。

1 研究区概况

研究区位于福建省安溪县西坪镇尧山村美厝角落山体，为构造侵蚀中低山地貌，海拔最高957m、最低290m，高差667m。地质灾害点位于斜坡中前部坡麓，受灾频率高、影响范围大。从2000年至今，在多次强降雨作用下，坡体出现多处变形破坏迹象，尤其2019年，受5月至7月初的6轮降雨影响，变形破坏更明显，多座民房或为倒塌、或为墙体开裂、或有地面拉裂错开等情形，埋设的地下位移监测管也被剪断多根，塌陷洞和泉眼呈串珠状发育，威胁范围大且不断外扩。

2 工程地质和水文地质条件

经现场详细走访调查、测绘和工程勘查(福建省地质工程勘察院， 2018)，场地工程地质和水文地质条件都较复杂。

2.1 工程地质条件

2.2 水文地质条件

研究区位于亚热带海洋性季风气候区，年降雨量大致1500mm。地形地貌总体呈上陡下缓，汇水面积达80×104m2，极利于坡体外围地表水汇集和入渗转换为地下水。坡体受大气降水和地表水的入渗补给，地表水、地下水较为丰富。

根据出露的地层岩性及地形地貌特征、场地内地下水的埋藏条件和水力性质特征分析，地下水主要赋存于崩坡积层孔隙，以潜水为主要形式，潜流方向与地形、地势大致吻合，潜水面随着相对含水层、含水层厚度和隔水层底板起伏的变化而变化，并向场地北侧低洼处排泄，汇入小蓝溪。水位受季节变化影响大，变化幅度一般为1～3m、最大达5m。研究区的地下水主要以泉的形式出露地表，共有20个泉眼，编号为S01～S20(图1)，其中S4～S7、S13～S20等12个泉眼为常流水泉眼，不随降雨与否而变化，其余8个为季节性泉眼，特别是S11泉眼，受季节性影响较大，调查期间(2017年5月)流量约40t·d-1，而在2018年1月，该泉眼已干涸。

图1 研究区工程地质平面图Fig.1 Research area engineering geological plan

崩坡积碎石土结构较松散，有利于地下水渗流，并在地下水渗流的长期作用下，易于形成地下水管网渗流系统。在施工ZK1和ZK2时，坡体中部沟谷常年性地表流水和S05泉眼均出现浑浊，而与S05同一水平且仅距11m和20m的S06和S07则未见变化； 施工ZK3和ZK4时，S07泉眼出现浑浊，而S05、S06未见变化，表明这3个泉眼相隔虽近，但却分属于不同的渗流管道系统。综上显示，地下水渗流呈管网状特征。

3 研究区变形特征

从现场看，该地质灾害点实际上并不具备严格意义上的滑坡发育形态，它受地层岩性控制，因地下水渗流场变化而造成的滑移和沉降等破坏特征。

3.1 边坡滑移拉裂、沉降变形

坡体横向、斜向裂缝有数十条之多，分布在360～470m高程，展布散乱(图1)，无固定延伸方向，主要为沉降型张性，延伸长度5～15m，张开度5～15cm，可见深度10～20cm。边坡除了沉降型破坏，局部也存在滑移破坏特征，因坡体向前推移，个别房屋受挤压，导致地板隆起(图2)。

图2 构筑物裂缝Fig.2 Cracks in structures

3.2 边坡塌陷

目前研究区已形成8个塌陷洞，其中2个水平洞、6个垂直洞(2个被上覆土体掩盖)，位置见图1。表现特征：①水平塌陷洞。洞口宽0.5～1m、高1.0～1.5m、可见洞深2.0～2.5m，洞内可见泉眼，流量约50t·d-1，无色无味，流量不稳定，雨季较大，旱季变小，村民从洞内引水作为生活用水和茶园灌溉； ②垂直塌陷洞。洞口长1.5～2m、宽1.0～1.5m、可见洞深2.0～7.0m，洞底可见地下水，流量约10t·d-1，流量与天气明显呈正相关，强降雨时洞里水量大， 2016年“莫兰蒂”超强台风，洞Ⅳ地下水都涌出地表，形成坡面径流。

3.3 构筑物变形

目前研究区共有十多户民居发生开裂、沉降、甚至倾倒，裂缝多为下窄上宽、长3～5m、张开度3～5cm、角度40°～45°。从变形的房屋分布特征看，发现有一定规律：当屋后地下水泉眼涌出地表时，房屋变形量比地下水未涌出地表时小，如泉眼S05、S06、S07和S14地下水全部渗出地表，其对应的房屋变形量较小，或者几乎未见变形，这也进一步说明房屋的变形与地下水有着密切联系。

4 地下水位数值模拟

根据室内试验，崩坡积碎石土层的渗透系数为2.89×10-4cm·s-1，残积黏性土层的渗透系数为2.61×10-7cm·s-1，全风化凝灰岩层为非活动层。将变形破坏范围作为地下水数值模拟区，模型共分3个模拟层，分别是崩坡积碎石土层、残积黏性土层和全风化凝灰岩层。每层剖分的结点数为843个、三角单元为1563个，三层模拟层的总结点数有2529个、三角单元4689个，呈六面体。

模型边界的确定：北侧以小蓝溪为水头边界，水头高度为河水面高程、即287.01～304.56m； 南侧、东侧、西侧分别以坡体顶部和东西边缘为边界，水头边界高度分别由模型范围内的地下水位数据点(含泉点和钻孔水位点)，采取克里金插值法计算得出，即：南侧水头边界为高程539.236～540.117m、东侧水头边界为高程292.08～532.5m、西侧水头边界为高程303.44～533.43m。

综上的设定条件，创建了研究区的平面网格剖分(图3)。

图3 平面网格剖分图Fig.3 Plane mesh

据当地气象资料， 2019年5～6月尧山村持续降雨，月降雨量分别为165.5mm和317.7mm。又据该时段地下位移的专业监测数据，显示坡体变形量较大，布设的监测管都被剪断多根。因此，设置以下3种工况进行地下水渗流计算，结果3种工况相应的地下水位线分别如图4a、图4b、图4c所示。

图4 计算结果图Fig.4 Calculation result grapha.工况1的地下水位线； b.工况2的地下水位线； c.工况3的地下水位线

(1)工况1：天然工况；

(2)工况2：月雨强165.5mm工况；

(3)工况3：月雨强317.7mm工况。

为验证地下水渗流模型的正确性，选取S4、S13、S14、S16、S17、S18、S19和S20等8个常流泉眼作为观测点，进行数值模拟水位和专业观测水位的对比，也对模型适用性进行检验，计算结果详见表1。

表1 观测点的观测水位和3种工况模拟水位高程表Table1 The table of observed water level of observation points and simulated water level elevation under three working conditions

从表1可知，工况1的实际观测水位和模拟水位的差值为0.04～1.17m，工况2的差值为0.06～0.95m，工况3的差值为0～0.99m，误差值都在容许范围之内，说明FEFLOW建立的地下水渗流模型是有效的。

5 地下水渗流场对边坡稳定性影响

通过图4和图1，综合分析雨强和地下水渗流场变化关系，大致是：3种工况的地下水位走势与微地形有着极大的相似性，地下水位变化幅度略小于地形坡度； 地下水位等值线整体上较为均衡，由南向北渗流，最终流入北侧的小蓝溪； 工况2的地下水位较天然工况上升0.5～1.5m； 工况3的地下水位较天然工况上升0.5～2.5m； 不同雨强、不同地段的碎石土赋存状态，其相应的地下水渗流场变化较复杂，往往具有泉眼多、出露位置多变、流量不固定、不同区域的地下水位升降幅度有所不同等特点。

据现场布设的3个地下水位和地下位移监测孔的监测数据，各孔地下水位线和坡体深部位移量，与工况2、工况3的对应关系是：监测孔JC1的地下水位线分别上升0.8m和1.7m(图5)，坡体深部位移量分别为2.5mm和18mm； 监测孔JC2的地下水位线分别上升1.3m和1.8m，坡体深部位移量分别为5.0mm和6.2mm； 监测孔JC3的地下水位线和深部位移量几乎无变化。

图5 地下水位监测Fig.5 Groundwater level monitoring

降雨对崩坡积碎石土滑坡主要表现在渗流的动水压力和地下水侵蚀、拖曳、溶蚀的长期作用。本研究区的管网状渗流呈集中式渗流，流量大、流速快，具有较大能量，但受地形地势和物质结构等因素制约，渗流通道实际上呈断续展布。当坡体无管网状渗透通道时，渗流通道被破坏或渗流场突变，降低坡体的渗透性，造成地下水位抬升，坡体饱水面积比不断增大，滑体重力增大，在一定“水力梯度”作用下，孔隙水压力和动水压力也随之增大，可能将导致滑体的下滑力增大，作用在滑面上的法向应力减小，从而降低滑动面岩土体的抗剪强度系数，促使稳定性下降，进一步加剧坡体滑移变形破坏； 反之，当下部坡体管网状渗流通道畅通时，地下水渗流系统顺畅，地下水位随之降低。另一方面，受地下水渗流场长期作用，土中的细颗粒随之崩解、迁移，并随径流通道被带出坡体，孔隙比增大，再加上地下水的软化泥化作用，使岩土体抗剪强度弱化，如果上覆的土体不足以支撑其强度将导致沉降塌陷(许建聪等， 2006， 2008； 陈志超等， 2016)。因此，坡体出现拉裂变形与沉降变形等迹象。

将FEFLOW数值模拟生成工况2和工况3的地下水位面数值分别导入FLAC软件，运用FLAC强度折减法对剖面进行稳定性验算，确定滑动面和稳定系数。考虑到地下水位线下的浮托力影响，取值时，水位线上采用天然重度，水位线下采用浮重度，物理力学参数取值见表2。

表2 岩土体物理力学参数表Table2 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil

研究区实际的工程地质剖面如图6，数值模拟的结果如图7。

图6 工程地质剖面图Fig.6 Engineering geological profile

图7 剪应变增量云图Fig.7 Shear strain increment clouda.工况2剪应变增量云图； b.工况3剪应变增量云图

从图7可知，工况2的稳定系数为1.04，处于欠稳定状态； 工况3的稳定系数为0.97，处于不稳定状态。滑坡体滑动面深度为9～12m，也就是在崩坡积碎石土层和残积黏性土层的交界处。通过对数值模拟与现场调查、工程勘查和专业监测等实测数据进行分析比对，结果表明，变形破坏范围和滑动面深度与实际情况吻合度都较高。

6 防治建议

地下水管网状渗流系统对崩坡积碎石土滑坡稳定性有着重要的控制作用，因独特的管网状渗流场，将“控制边坡地下水位上升”作为工程治理的主要思路和关键措施，具体以“盲沟盲管+截排水沟”为主工程措施(图8)。

图8 工程治理剖面图Fig.8 Engineering goverance profile

由于研究区的后缘汇水面积较大，坡度较陡，碎石土孔隙率较大，降雨入渗较快，仅采用地表截排水沟和横纵向排洪沟等排水措施不能起到良好的排水效果。考虑到该灾害点在强降雨条件下地下水位线上升0.5～2.5m，对降雨敏感性高。通过地下水位的持续监测，获取旱季时段的地下水位资料。在高程438m和470m设置两道排水盲沟，排水盲沟呈梯形，盲沟深度进入旱季水位线下2～3m(考虑施工适宜性等因素，综合取值8m)，盲沟底部铺设4根MY300盲管，回填4m碎石作为盲管的外道滤层，碎石层外包裹透水性良好的土工布，上部碾压回填黏土。

两道排水盲沟施工完毕后，盲沟出水效果良好，旱季时出水量30～50L·s-1，强降雨后则为100～300L·s-1(图9)。坡体地下水位均有回落，根据监测数据显示，监测孔JC1、JC2和JC3的地下水位分别为6.9～7.2m、5.6～6.1m和5.5～5.6m，较旱季时分别降低0.5～0.7m、0.6～1.0m和0.3～0.5m。

图9 盲沟出水效果(a为旱季时，b为强降雨时)Fig.9 Effluent effect of blind drainage ditch (left picture shows the dry season， right picture shows the heavy rainfall)

7 结论与建议

(1)研究区所表现出来的灾害特征并不具备严格意义上的滑坡发育形态，坡体不仅表现为拉裂变形破坏，沉降塌陷也十分明显。

(2)基于FEFLOW进行模拟，结果表明在165.5mm/月和317.7mm/月两种工况条件下，地下水位面较天然工况分别上升0.5～1.5m 和0.5～2.5m，不同区域地下水位面上升幅度也不尽相同。

(3)基于FLAC强度折减法进行模拟，结果表明在雨强165.5mm/月和317.7mm/月两种工况条件下，滑动面深度为9～12m，稳定系数分别是1.04和0.97。

(4)控制地下水位上升是工程治理的主要思路，在高程438m和470m各设置一道横向截水盲沟，坡面设置截排水沟和横纵向排洪沟，坡体即可达到稳定状态。

(5)本文关于地下水渗流场对岩土体物理力学性质的改变缺乏依据。另外，在增加排水措施后，对地下水渗透路径和水力梯度的变化，以及在多大程度上改变了渗透力未能作出较好说明。后续建议：利用原位剪切实验观测天然和饱水状态下，碎石土的抗剪强度及其与颗粒分布的关系； 增设、加密坡体地下水位监测孔，长期监测坡体地下水位变化和泉眼水流量的变化，以便进一步研究。

致 谢本文在成稿过程中，得到国家自然科学基金资助项目(41861134011)负责人、福州大学博士生导师简文彬教授的大力支持； 也得到福建省地质工程勘察院鄢庆南和吴钟腾两位专家，以及成都理工大学冯文凯教授的指导和帮助，在此一并致谢。