降雨入渗对某滑坡地下水渗流及滑坡稳定性影响

2022-07-24田辽西赵玉苹

科学技术创新 2022年20期

田辽西赵玉苹赵伟

（甘肃省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质勘察院，甘肃张掖 734000）

重大滑坡事故最主要的诱发因素就是降雨入渗，我国自89 年以来有记录的重大滑坡事故大多集中在夏季季雨时期，具有突出的季节分布特征，80%以上的案例涉及地下水渗流问题。高强度持续性的降雨最容易引发边坡失稳事故，影响降雨型渗流场的因素包括区域土体性质、地形、降雨强度以及降雨时间。在降雨入渗问题的分析过程中需要重点讨论的指标是土壤自身的入渗能力，一般用饱和渗透系数来评价，这是边坡稳定性的主要决定因素。土壤渗透系数越高，饱和渗透系数越大，土壤入渗能力越强，边坡稳定性越高，越不容易受到降雨的影响。

同时，土体的饱和渗透系数较大说明区域内土体基质在降雨的过程中吸收能力减小得更慢，降雨初期与降雨后期对比而言，其基质吸收能力变化系数更大。因此，通过分析降雨过程中入渗的特征可以进一步了解降雨对于边坡稳定性的影响。

1 滑坡体的结构与特征

卓尼滑坡位于卓尼、迭部两县的交界处，地处迭山南坡，处于卡车沟河谷的南侧。卡车沟为南北流向，是洮河的一级支流，年平均径流量为3.46 亿立方米水，河道有高差，坡降较大，汇流速度快，下河床受到强烈的切割力作用，水量变化大，水流有可能渗入滑坡体。

卓尼滑坡对堆积体厚度约为66m～85m 之间，整体较长超过1000m，呈现右厚左薄形态，经过勘测立方量约为4.8×107m3，内部发育有细小的裂缝。

1.1 滑坡体结构

当地的地质勘测资料显示，卓尼滑坡是由于多次山体崩滑而形成的，为堆积层滑坡。

堆积层滑坡是由与坡积、残积等作用形成的堆体，体内呈滑动态，或者岩积面有滑动特征，最常见的还是坡积层的滑动。堆积层滑坡形成的过程是斜坡岩土体结构破坏并逐步发育的过程。滑坡影响范围内的岩土结构的完整性会受到破坏，产生类似于断层的地质现象。资料显示，卓尼滑坡的局部地区存在基岩层不连续的情况（图1）。

图1 滑坡主滑面剖面图

1.1.1 滑体主要物质为块状碎石与粉态沙土的结合物，整体结构呈现堆积态，较为松散，孔隙率高且部分区域呈架空态，透水性质强，属于强透水层。堆体中碎石含量约24%块石含量约为38%，中间填充有粉质砂土。岩基表面细小颗粒较多，浅表层包含大量的小块碎石[1]。

1.1.2 滑动面的形成是剪切力在斜坡岩土体上作用结果。滑坡滑面带上含有大量圆度较好的粗颗粒，呈现定排列状，岩层之间挤压或者错动会形成各种形态的岩粒，其中占比最大的层角砾岩。洮河流域内滑坡结构中的粘性颗粒占比较大，一般都在25%以上，雨季的含水量高，几乎接近饱和，呈现软塑性。通过分析滑带组成发现，滑坡西侧具多层滑动带，其中基岩上部的破碎岩与碎土层之间为潜在软弱带，呈不规则折现状，坡度位于22°～31°之间，厚度在0.25m～0.40m 之间[2]。

1.1.3 滑床主要由破碎岩构成，风化程度向内部递减，整体风化属于强风化状且厚度均小于8m。岩体主要由二云母石英片层和千枚岩构成，顶面埋深为75～90m，坡度较缓，整体起伏不大，后缘坡度小于30°。

1.2 滑坡体水文地质特征

滑坡的水文地质结构与滑坡的物质组成和基础结构有关，除了1.1 中提及的内容外，还包括含水层和隔水层，含水层的含水性不同造就不同的水文地质结构。根据地质资料分析，目标滑坡形成过程中经历了多次滑动，堆积层与碎石复合砂土混合形成了滑床，在当地地理与气候条件的作用下，堆积体与滑床共同形成了弱含水层。滑坡处于卡车沟流域范围内，具有清晰统一可测量的地下水浸润线，属于典型的滑坡整体含水承压潜水型的水文地质结构。这种水文地质结构决定了这种滑坡受地下水的影响的方面较多，机理复杂且容易在强降雨环境下由于弱含水层含水率增加而导致塑流变形[3]。

研究地区降雨主要集中在7 月到9 月，是地下水的主要来源，其次地表径流卡车沟的渗透作用对地下水也有补充作用，进入降水期后，地下水位变化较大，根据当地的地下水勘察资料，滑坡主剖面的前中后段近五年来的平均变动高度为28.2m、15.4m、12.2m，因此滑坡前段结构更容易受到降雨的破坏，隔水层最发育。

2 降雨入渗的作用方式

2.1 降雨与地下水对滑坡体稳定性的影响

降雨对于滑坡结构的形成和形变有重要影响，滑坡位于河谷地区，在强降雨季节。受到降雨入渗的影响，滑坡体含水层的含水率上升，孔隙水的压力包括动态水压和静态水压都不断增大，有效应力随之降低，引起渗流场状态发生巨大变化，影响了滑坡结构的稳定性。根据结构分析结果，基岩是滑床的组成基础，渗透系数相较于滑体而言要小很多，在降雨下渗的过程中，渗流力差值会不断地扩大，导致滑坡体持续性发育[4]。

地下水对滑坡体的影响主要是通过破坏边坡结构体现出来的，地下水会削弱土体与软弱层的抗剪切能力，导致岩土结构强度下降，其次会增加岩土的重度，导致动水压力上升，从而诱发滑坡变形。

2.2 静水压力作用

地下水对软弱层的矿物质具有水化作用，这种化学侵蚀作用会导致岩土的内聚减小，长期作用形成风化层。风华层主要集中在地下水位较高的区域。地下水对岩土体的压力主要来源于孔隙水，土体含水率较高时，静水压力主要作用在土体颗粒的表面，这会导致颗粒间隙扩大，动水压力主要作用在岩土体的切面，导致土体的下滑力增高。

滑坡处于地势起伏较大的河谷地区，在降雨期雨量大，地下水位升高，相较于动水压力，静水压力对于岩土体的影响更大。降雨的过程中水对土体颗粒的静水压力集中在表面，大小主要由滑体内部的重力水压头决定，具体的作用过程如图2 所示。

图2 静水压力作用示意图

滑体内单点的静水压力大小计作Pa，Pa与滑体内水头高度（Ha）与水的重度（rw）呈正比，关系式如下：

一般情况下水的重度可以采取标准值进行计算，标准值为10KN/m3。此时，净水压力大小取决于Ha，降雨量增加时，坡体区域内潜水位上升，水头高度上升，净水压力不断增大[5]。

2.3 动水压力作用

受地形地势的影响，在坡度较大的区域，潜水位附近地下水的流动速度更快，此时动水压对滑坡体的作用更加明显。地下水包括渗入水在滑坡内部的孔隙中进行流动的时候，会对土体额外施加一个流动方向的推动力，这种推动力会使得结构内部的细小颗粒物质向受力方向移动。在长期雨水或者地下水流的作用下，动水压力增大导致颗粒物被流水裹挟脱离岩土体，岩土体由于受到侵蚀发生物质流失而被破坏。在部分严重的区域，甚至可能出现架空现象。动水压力作用方式如图3 所示。

图3 动水压力作用示意图

作用过程中，动水压力的大小与渗流过程中的水头压力损失大小有关，水力压力损失与渗流路径的长度有关，可以用水力梯度有关，三者之间的关系可以用下式描述：

3 降雨入渗对滑坡体的影响

降雨对滑坡的影响直接体现在岩土体含水率的增大和潜水位的提升和地下水汇集上，在动静水压作用下，坡体的抗剪切力逐渐降低，力学性质发生明显变化。

3.1 降雨入渗的过程分析

雨水接触地面后可以视为入渗过程的开始，首先渗入到土壤中，表层土壤由于孔隙率较大，因此也被叫做包气带。雨水下渗会挤压包气带中的气体空间，由于上方表面水层封闭，气体逐步进入岩土体当中。此时降雨入渗需要参考两相流模型进行分析[6]。

在降雨初期，岩土体湿度处于高度不饱和状态，下渗的雨水受到分子引力的留存在地表岩层当中，形成地表岩层薄膜水。当降雨量进一步增大时候，薄膜水层厚度增加，超过边界值后，水分进入岩土体当中的毛细裂缝，含水率进一步上升，下渗水在岩土体中的存在状态从薄膜水转化为毛细水。如果裂缝发育的不均匀的话，细小的裂缝被毛细水填满，而较大的裂缝填充物依旧为空气，这使得岩土体呈现不饱和态，此时的渗流状态为不饱和渗流。随着雨水逐步下渗，下渗可以分为垂直下渗和侧向下渗，下渗的方向受到重力、地形和地质组成等多方面因素的影响，因此在垂直方向根据含水率的不同会形成不同含水层，主要分为饱和区、过渡区、传导区和湿润区，垂直分布状态如图4 所示。