降雨入渗对双层滑带滑坡的稳定性影响研究

肖正奕，宋 亮，张荣堂

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

0 引言

影响水库滑坡稳定性的两大主要因素是降雨和库水位。国内外学者针对降雨对滑坡的影响进行了许多研究，同时分析了多种影响因子对滑坡体的影响。丁志洋等[1]认为自然界绝大多数滑坡都是在降雨期间发生的，研究降雨对滑坡稳定性的影响具有十分重要的意义，分析了不同蓄水期、不同降雨条件对滑坡稳定性的影响；杨欣[2]采用GEO-STUDIO研究了不同降雨因素下含软弱夹层路堑高边坡坡顶、坡中及坡底位置渗流特性；王力等[3]认为复活型滑坡是否失稳的主要因素将取决于大气降雨，并且在研究中考虑了材料各向异性渗透系数；杜锋等[4]基于相似理论建立地质物理模型,考虑水位升降、降雨(含汛期)等诱发因素，通过监测滑坡模型的位移、土压力及孔隙水压力的时空演化规律,掌握滑坡的变形特征和规律。有些学者提出了与降雨有关的理论推导，常金源等[5]推导了有无地下水位条件下的边坡安全系数和降雨时间的关系式；汤明高等[6]通过三峡水库石榴树包滑坡地下水动态监测，揭示了库水位变化和降雨条件下滑坡地下水水位动态响应规律，其地下水渗流场近似层流，滑坡前缘和中部的地下水水位与库水位几乎同步，滑坡后部的地下水水位主要受降雨影响，建立了滑坡在周期性库水位变化和随机降雨耦合条件下的地下水非稳定渗流微分方程，解算出水库滑坡地下水位浸润线计算模型，并采用实际监测结果进行了验证；韩同春等[7]认为边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关；楼平等[8]研究了典型土质斜坡的降雨入渗过程以及斜坡在降雨条件下的应力应变分布特征。但前人研究多聚焦于单层滑带滑坡，对双层滑带或多层滑带的滑坡涉及较少。

本文以三峡库区马家沟滑坡防治工程为背景，应用有限元分析方法GEO-STUDIO，开展了降雨条件下双层滑带滑坡的稳定性研究，并初步探讨了浅层滑带和深层滑带之间的相互作用规律。

1 工程概况

马家沟滑坡位于秭归县归州镇，滑体整体为一缓坡型山梁，从下至上地形依次为吒溪河—陡坎—缓坡(梯田)—归水公路—缓坡(梯田)和村级公路—台阶—坡地等，前后缘高程分别为135 m和288 m，整体坡度为15°，剪出口淹没于现水位下，地质剖面图如图1所示。根据地质测绘，槽探、浅井、钻探等揭露滑坡物质组成分别为：滑坡体的物质结构基本上一致，主要由坡堆积形成的粉质黏土夹碎块石构成，滑带土体主要由强风化的粉砂质泥岩组成，因含水较高多泥化，滑带厚依泥岩厚度多在0.5～0.8 m，滑床地层为侏罗系遂宁组(J3s)地层，岩层倾向均为270°～290°，倾角25°～30°，与滑坡主滑方向相接近。岩性为中厚层灰白色长石石英质细砂岩和褐红色薄层粉砂质泥岩互层。

图1 马家沟滑坡工程地质剖面

2 模型建立

2.1 计算方法

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，首先利用SEEP/W 程序，对不同工况下的滑坡进行降雨条件下瞬态渗流问题分析，得到不同条件下渗流场的孔隙水压力分布情况，然后将所得的渗流场中的孔隙水压力值作为初始值，输入SLOPE/W中，进而计算出滑坡的坡体位移及稳定性系数。

2.2 计算模型

本文综合考虑马家沟滑坡的工程地质特征和滑坡变形特征，选择其典型剖面作为计算剖面，同时考虑降雨作用下滑坡双滑带之间的相互作用，设置了含浅层滑带、含深层滑带以及同时含有浅层滑带和深层滑带3种计算模型。模型纵向长约为550 m，后缘高程约为 288 m，前缘剪出口高程约为135 m。综合考虑计算精度和计算时长，确定计算网格以5 m为标准:模型一由2 713个节点、2 544个单元构成；模型二由2 722个节点、2 560个单元构成;模型三由2 718节点、2 549个单元构成。计算中所采用的物理力学参数和各土层参数均由现场原位试验和室内试验综合确定，具体数值如表1所示，边坡计算模型如图2所示。

表1 岩土体物理力学参数

图2 边坡计算模型

2.3 计算工况

根据近10年的监测资料，滑坡所在区域降雨主要集中在4—10月，月平均降雨量为87.2～147.2 mm，当降雨量达到40 mm/d时，滑坡有变形加剧的迹象。为模拟强降雨条件，本次模拟选取50 mm/d作为降雨边界，具体模拟方案如表2所示。

表2 数值模拟方案

3 降雨渗流模拟及稳定性分析

3.1 降雨对双层滑带滑坡渗流场的影响

计算结果如图3—5所示。

图3 浸润线0～3 t细节图

图4 3种工况下孔隙水压力分布

注：图中位移均以m为单位。图5 3种工况下最终X-位移分布

从降雨过程中浸润线的变化(见图3)可以看出：降雨开始时，3种工况下的浸润线与初始水位线(145 m)基本持平；随着降雨的进行浸润线不断上升，降雨结束时，深层滑带附近浸润线高度为工况一>工况三>工况二，雨水渗入浅层滑带后浸润线高度慢慢持平，说明深层滑带的存在起到了延长滑坡体的整体渗透路径作用，使得工况二、三较工况一滞后性明显；浅层滑带靠近地表，对雨水入渗有促进作用。

从3种工况下孔隙水压力分布云图(见图4)可以看出：随着降雨时间的增加，滑坡表层土体最先受到降雨的影响，滑坡坡面单位流量矢量密集，相较于工况二，工况一和工况三浅层滑带上方单位流量方向是沿滑带向下渗入且渗流速度加快，说明浅层滑带的存在起到了减弱滑坡体整体渗透性的作用，使得雨水沿着浅层滑带向下渗流，工况一、三降雨入渗速度相对较快，而深层滑带减弱了浅层滑带的入渗速度，加快了深层滑带附近区域的孔隙水压力变化幅度。

3.2 降雨对双层滑带滑坡变形的影响

由图5可知，随着降雨的发生3个工况坡表都有滑动的趋势，且均集中在坡脚，滑带后缘均出现向下滑动的趋势。含双层滑带的滑坡变形区域最大，但浅层滑带位移值略小于工况一，工况二深层滑带变形区域最小，由此可知，双层滑带滑坡中，深层滑带有减弱滑坡体土体滑动的作用，而浅层滑带加快滑坡下滑。

3.3 降雨对双层滑带滑坡稳定性的影响

图6为各工况滑坡安全系数随时间变化曲线，由计算结果可知：在降雨持续过程中，3种工况下滑坡体的安全系数都是逐渐减小的。其中，降雨结束时浅层滑带的安全系数小于深层滑带的安全系数，且降幅远远大于深层滑带，说明降雨对浅层滑带的影响要大于深层滑带；同时，对比工况一和工况三两种工况下浅层滑带的安全系数可知，工况一浅层滑带安全系数的降低更为明显，说明在降雨条件下，深层滑带的存在使得浅层滑带更不易滑动；而工况三下深层滑带的安全系数下降速度大于工况二，说明在降雨条件下，浅层滑带的存在使得深层滑带更容易滑动。

图6 各工况滑坡安全系数随时间变化曲线

4 结语

本文采用有限元分析方法GEO-STUDIO对降雨条件下双层滑带滑坡的稳定性进行了研究，通过计算结果，可得出以下结论：

(1)降雨入渗过程中，饱和区域增大，非饱和区基质吸力降低，抗剪强度降低，稳定性降低，降雨对浅层滑带稳定性的影响大于深层滑带。滑带距离滑坡表面越远，渗透路径越长，滑坡滞后性越明显。

(2)降雨对浅层滑带的稳定性影响大于深层滑带；同时通过对比模拟结果发现，由于浅层滑带和深层滑带之间的相互作用，深层滑带的存在使得浅层滑带更不易滑动，而浅层滑带的存在使得深层滑带更容易失稳。