基于降雨入渗的滑坡非稳定渗流分析

2021-09-24姬永尚

广西水利水电 2021年4期

姬永尚

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

0 引言

某水利枢纽工程位于新疆南疆山区，是一座具有生态、防洪、灌溉、发电等综合利用任务的水利工程，是河流山区河段的控制性水利枢纽工程，属大（2）型Ⅱ等工程[1]。

大坝下游，距坝轴线直线距离约780 m处右岸岸坡中部分布一滑坡，滑坡体前缘剪出口高于现代河床约130 m[2]。根据滑坡专题研究结果，该滑坡形成于晚更新世，是古滑坡；滑坡分布面积约28.5万m2，体积约1302万m3，为特大型深层基岩滑坡[2]。

滑坡专题研究根据勘察试验成果，结合规范和工程经验选取物理力学参数进行计算，结果表明：在天然工况和Ⅷ度地震工况下古滑坡处于稳定状态；考虑降雨影响时，稳定性系数有所降低，在滑体局部充水，滑带土完全饱和后接近临界状态，滑坡存在失稳可能，须对滑坡体降雨入渗特性做进一步研究。

1 区内气象水文条件

区域内多年平均气温12.3℃，极端最高气温40.5℃，极端最低气温-25.6℃，最冷月平均气温-5.18℃。据实测资料统计，区内干旱少雨，夏季雨量集中。年最大降水量215.8 mm（2010年），年最小降水量19.2 mm（1963年），多年平均降水量68.5 mm，历年最大一日降水量32.5 mm（1993年5月31日）。多年平均蒸发量为3 109.1 mm（φ20 cm型蒸发器）。汛期为7～9月，年内枯水期为11月～次年5月，暴雨多发生在6、9月。最大冻土深67 cm；最大积雪深度14 cm。

工程所在河流为典型冰川补给型河流，径流主要集中在夏季6～8月，占全年水量81.9%。主河流两侧冲沟平时干涸无流水，受季节影响较大，在暴雨季节时会有短暂洪流。工程区气候干燥，基岩裂隙水贫乏。河流两岸未发现泉水出露，高于河床的勘探钻孔及平硐均未揭露地下水，地下水位基本与河水持平，略高于河水位，远低于滑坡体。

2 滑坡结构特征

滑坡主要由滑体、滑动面（带）及滑床组成，滑床为二云母石英片岩，节理裂隙不发育，岩体新鲜完整。

2.1 滑体特征

该滑坡为基岩滑坡，滑体最大厚度约108 m，平均厚度约45.7 m。从地表向滑面，滑体主要分4个层次（见图1）：

图1 滑体岩性特征

（1）表部粉土层。厚一般1 m左右，其中后缘缓平台覆盖较厚，一般大于4 m，最厚达16 m。粉土层属中压缩性土，渗透系数5.8×10-5～2.4×10-4cm/s，属弱～中等透水层，以弱透水为主。

（2）块裂结构的松动岩体及大块石。厚度11.0～67.1 m，平均31.8 m。岩性为二云母石英片岩，陡倾角拉裂缝与片理面组合形成多条顺片理面断续阶梯状小裂缝，将岩体分割成大块状，块径一般为20～50 cm，局部大于100 cm。

（3）完整、连续岩体。厚度6.4～38.1 m，平均13.8 m。岩性为二云母石英片岩，滑体中心部位分布较厚，向周界逐渐变薄，呈枣核状包裹在滑体内，受下滑扰动小，除产状与正常岩体不同，其余均保持原岩结构，裂隙发育较少，岩体完整、连续。

（4）滑坡角砾。厚度1.6～22.5 m，平均10.4 m。母岩为二云母石英片岩，原岩结构基本被破坏，层状结构不明显，呈碎块石状，棱角状，大小石块与挤压碎末、细粒混杂，结构密实，渗透系数4.6×10-4～2.5×10-3cm/s，属中等透水层。

2.2 滑面（带）特征

滑坡主滑方向为320°左右，滑面主要受两组结构面控制，即顺层软弱结构面和NE走向陡倾结构面。两组结构面组合形成以顺层面为主的阶梯形滑面形态，顺层主滑面倾角15°～22°。滑带轴线长约450 m，厚度一般为0.5～0.8 m。滑带土岩性为含砾低液限黏土和黏土质砾两种（见图2）。

图2 滑带岩性特征

（1）含砾低液限黏土，为深灰～灰绿色，以碎石、泥质为主，挤压紧密，弱胶结，人工开挖极为困难，多夹滑坡角砾及大块石透镜体，局部含泥质较多的部位可见擦痕和错动光面。

（2）黏土质砾，为青灰～浅灰色，棱角状碎块石占30%以上，黏粒含量一般小于15%，挤压紧密。滑带土渗透系数0.2×10-6～5.2×10-6cm/s，属微～极微透水层。

3 考虑降雨入渗的非稳定渗流分析

降雨入渗引起的边坡渗流场本质上是一个非稳定渗流问题。本次基于非稳定渗流有限元分析方法，采用Geostudio的seep/w模块，对滑坡在暴雨工况条件下的渗流场进行分析计算。

3.1 计算条件

3.1.1 岩土材料的计算参数取值

根据滑坡勘探中获得的滑体、滑带土试验数据，结合滑坡各岩土材料的结构、颗分、密度等特性，并考虑到滑坡滑塌后造成的后果较严重，本次计算偏安全考虑，选取对结果不利的各岩土材料试验值作为渗流分析计算参数（见表1）。

表1 各岩土材料的计算参数取值

3.1.2 典型计算剖面、计算模型与边界条件

本次渗流分析选取滑坡体的剖面2-2，3-3作为典型计算剖面，并采用三角形与四边形等参元相结合进行网格剖面。根据边坡的地层分布情况，对滑坡体的网格进行加密，而下部的基岩采用稀疏网格进行划分（见图3）。

图3 各剖面的计算模型

对于初始地下水位，根据现场勘探资料，地下水位埋藏较深，基本与河水持平，远低于滑坡体，降雨引起的滑坡体饱和状况与地下水位关系不密切。对于降雨入渗边界条件，研究区雨量不充沛，且蒸发量大，宏观判断降雨引起滑坡体饱和的可能性不大。本次工作主要讨论降雨对滑坡体内部饱和区分布的影响。

降雨入渗引起的边坡渗流场本质上是一个非稳定渗流问题。降雨入渗导致坡体内部孔隙水压力变化的影响因素包括岩土材料的渗透系数，降雨雨强与持续时间。当降雨强度小于土体的入渗能力时，降雨全部入渗，此时的入渗强度为降雨强度，其边界条件按流量边界处理；当降雨强度大于土体的入渗能力时，部分降雨入渗，另一部分降雨会在坡面形成地表径流，此时的入渗强度等于土体的最大入渗能力，其边界条件按给定水头边界处理。可以知道，降雨入渗的最大入渗量不会超过岩土体的渗透系数k。

本次分析主要考虑滑坡体在最大入渗强度影响条件下的非稳定渗流计算结果，此时降雨入渗强度q等于位于表层的风积黄土入渗系数k，即最大入渗强度q为2.4×10-6m/s，计算得到的降雨量Q为1.73 m/d。

非稳定渗流计算时将坡表施加固定压力水头h=0，作为降雨入渗边界条件（图3）。模拟的降雨持续时间为180 d。

3.2 计算结果及分析

图4和图5分别为剖面2-2与剖面3-3在不同降雨历时条件下滑坡体内部饱和区的分布情况。

图4 剖面2-2在不同降雨历时条件下的饱和区分布状况

图5 剖面3-3在不同降雨历时条件下的饱和区分布状况

从计算结果可知：

⑴对于剖面2-2，边坡浅表层分布有透水性相对较差的风积黄土与完整岩体，下部为透水性良好的块裂结构。降雨初期，雨水首先从高高程部位的崩坡积下渗，并沿着滑体中部的散体结构向坡脚处汇集。随着降雨的持续，坡脚处的滑坡体开始达到饱和状态，并逐渐向高高程部位扩展；此外，高高程部位入渗后形成的地下水开始向下部入渗，并在滑带土附近汇集形成暂态饱和区。降雨后期，上述两个饱和区相交，从而使整个滑坡体达到完全饱和状态，这一过程大致需要28 d，称之为一个周期。滑坡体达到暂时的完全饱和状态后，滑体内部的地下水将沿着散体结构向外流出，且大于降雨入渗的补给量，导致滑坡体下部由饱和状态变为不饱和状态，导致高高程处的地下水向坡脚处汇集，开始下一个周期的循环。

⑵对于剖面3-3，表层为透水性较差的风积黄土，中部为透水性较好的块裂结构。降雨初期，表层的薄层黄土层部分地段出现饱和，并向滑坡体坡脚处汇集，使滑坡体坡脚处于饱和状态。随着降雨的持续，坡脚处的暂态饱和区不断向上方扩展，同时滑坡体中上部出现了不连续的暂态饱和区。降雨后期，由于滑带土的透水性很差，可视为一个相对隔水层，地下水开始向滑带土处汇集，并逐渐使滑带土处于饱和状态，这一过程大致需要36 d，随着降雨的持续，滑带土与上方的滑坡角砾大部分处于饱和状态，但由于块裂结构的透水性较好，厚度较大，部分地下水沿该层排出坡体，由于降雨补给速度相对较小，滑坡体内部的暂态饱和区无法形成连续的饱和区，因而整个坡体无法达到完全饱和状态。

根据以上两个剖面模拟计算结果，按照最大入渗强度，以每天1.73 m的降雨量，持续降雨28～36 d入渗可使滑带土达到完全饱和状态，显然这种工况条件实际不会发生。