倾倒－滑移复合型倾倒变形体发育特征及渗流稳定性分析

江荣昊，罗璟，裴向军，李天涛，孙昊，李骞

（地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059）

滑坡是地壳表层岩体的一种地质灾变现象，是地质内因以及气候、工程建设等外部诱因共同作用下的产物［1］，在高陡山区发生频率高、分布范围广，对人类生命财产带来了极大威胁的同时，对环境和资源都具有极强的破坏性。我国幅员辽阔，地质环境条件复杂，是世界上滑坡灾害最严重的国家之一［2］。据初步统计，我国每年由崩滑地质灾害造成的经济损失在300亿元人民币左右［3］。在2008年汶川地震中崩滑地质灾害直接造成2万余人死亡，约占地震死亡人员总数的1／4［4］。

由于降雨入渗使坡体内孔隙水压力升高，基质吸力逐渐降低，降低了斜坡的抗滑力，增大了斜坡的下滑力，从而诱发滑坡的发生，是滑坡尤其是堆积体滑坡发生的主要诱因［5－9］。已有统计资料显示，60%以上滑坡的发生与降雨有关［10］。

近10a来，在山区工程建设和灾害防治中，以倾倒变形为主的岩质边坡稳定性问题越发突出。基于大量工程实践，黄润秋等将倾倒变形体划分为倾倒坠覆区、强烈倾倒区、轻微倾倒区、原岩区4个具有明确地质－力学含义的区域［11］。而“坠覆体”早在崔政权从事三峡库区库岸稳定研究过程中就有提及［12－14］，主要是原岩在“坠溃”作用下而形成的巨块或碎石夹杂第四系松散物的堆积体，结构更松散、透水性更强，其结构特征决定了降雨入渗速度、下伏滑床面汇流状况及水力影响程度，导致这类堆积体对降雨的特殊敏感性［15］。

河北省平泉市桲椤树镇南洞子村倾倒变形体因2017年修建公路开挖坡脚产生强烈变形，后经大规模削坡减载应急治理，变形逐渐收敛。但在2019年和2020年雨季都再次出现明显变形迹象，变形体宽约200m，纵长约80～100m，方量约30×104m3，对坡脚公路与村庄居民造成严重威胁。

鉴于此，本文以南洞子村倾倒变形体为研究对象，在开展大量现场勘察工作揭示其物质组成和结构特征，分析其变形破坏模式和演化阶段的基础上，以饱和－非饱和渗流理论为基础，结合GeoStudio软件中SLOPE／W和SEEP／W模块开展不同重现期降雨强度下倾倒－滑移复合型倾倒变形体渗流场演化规律及稳定性计算，初步确定其整体失稳的降雨阈值，研究成果对保障坡脚下的居民生命财产安全和重要基础设施正常运转具有重要意义，同时丰富对倾倒变形体变形破坏特征的认识，为倾倒－滑移复合型倾倒变形体的预报预警和防治工作提供一定的科学依据。

1 工程地质概况

1.1 地形地貌

研究区地势总体北东高、南西低，最高点位于北东坡顶处，海拔标高806.28m，最低点位于坡脚河谷处，海拔标高606.17m，地形最大高差200.11 m，山脉整体沿NE－SW展布。区内存在一季节性溪流，整体流向近NS，河谷宽约80m，河漫滩、阶地不发育，两侧坡体原始植被覆盖较好，坡度较缓，多为40°～50°，呈“U”字型河谷地貌。

研究区内变形体的变形破坏模式与区内的微地貌存在较好的对应关系。南洞子村倾倒变形体高程为615～688m，后期人类工程活动开挖坡体致使坡表地形发生改变而呈折线形，整体坡度在40°左右，两侧冲沟发育，坡体在河谷及两侧冲沟的控制作用下呈现三面临空的孤立脊状山梁地貌。

1.2 地层岩性

研究区主要出露第四系及长城系地层，岩性以第四系（Q4）冲、洪积砂砾石及粉砂质黄土以及长城系常州沟组（Chc）灰白色石英砂岩、灰黑色石英砂岩夹薄层页岩为主。其中长城系常州沟组（Chc）地层总体走向255°，倾向NW，倾角约40°；第四系（Q4）覆盖层为残坡积物，覆盖于长城系常州沟组（Chc）地层之上，其下部为褐黄色含砾亚砂土，砾石呈棱角状，成分多为灰白色石英砂岩，上部为黄土，以粉砂质亚砂土为主，夹少量粘土及细砂，主要分布于南洞子村坡体及山麓边坡地带。

1.3 地质构造

研究区位置处于华北地台（华北板块）中的燕山造山带的三级构造单元——马兰峪复背斜的北部。区内发育了冯家店－老毛家－岔沟、南老洞、以及老杜家断层。其中，南老洞断层为逆断层，走向近EW，倾向南，倾角75°～85°。区内褶皱构造较为发育，其中黄杖子向斜出露于变形体北部，产于常州沟组（Chc）地层内，向斜北西翼产状142°∠12°，南东翼产状0°∠24°，走向NE64°（图1）。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306－2015），抗震设防烈度为Ⅵ，区域稳定性较好。

图1 研究区地理位置及地质背景

2 南洞子村倾倒变形体特征

2.1 物质组成及结构特征

南洞子村倾倒变形体发育于黄杖子向斜南东翼，且受西侧南老洞断裂的影响，构造活动迹象明显，其右侧冲沟内发育大量揉皱现象，存在多处明显弯曲和架空折断现象（图3）。

图3 倾倒变形体局部构造迹象

由现场勘察所揭示坡体不同部位岩土体结构和变形的差异（图4），可将坡体由表及里划分为倾倒坠覆区、强烈倾倒区、轻微倾倒区和原岩区（表1、图11）。倾倒坠覆区高程介于630～680m，主要由杂乱的石英砂岩组成，极少保持原岩结构。强烈倾倒区出露于变形体的中下部，高程介于618～645m，主要由泥质粉砂岩和灰黑色页岩组成。由于页岩抗风化能力远低于粉砂岩，风化剥蚀较为厉害，故两者间发育大量空腔或凹槽，使得岩层在上覆压力作用下发生弯折。此外，该区域岩层倾角自北向南从70°逐渐变缓至近乎水平（图6），说明坡体整体呈现向南西方向发生倾倒。

图4 钻孔岩芯质量特征

表1 南洞子村倾倒变形体分区特征

图6 强烈倾倒区岩层产状变化

此外，大部分钻孔在倾倒坠覆区与强烈倾倒区过渡部位揭示了一层厚约20cm的灰白色－白色粉质粘土，土体含水量较高，近饱和状态，多呈软塑状（图5）。

图5 灰白色－白色粉质粘土

2.2 变形破坏特征及演化过程

南洞子村倾倒变形体坡脚杨三线公路于2016年6月开始修建，受坡脚开挖影响，变形体于2017年向西方向发生变形，在高程介于660～665m的后缘发育拉裂缝，宽5～10cm；由于变形不断加剧，2018年采用削方减载＋截排水沟措施进行治理，于2019年初完成；治理完成后，于2019年7月再次发生变形，在1～3级台阶处均有明显的出水口，后缘出现明显错台。

2020年8月变形迹象进一步加剧，错台高度增加，裂缝明显扩展并圈闭（图7）。结合2020年5月和8月对坡表变形迹象的两次编录结果（图8），发现南洞子村倾倒变形体主要发育3组贯通性裂缝：（1）变形体后缘下错裂缝，长约30m，形成高2～3.5 m的错台。（2）变形体中部拉张裂缝，长约60m，张开度达1.3～1.5m。（3）变形体两侧发育多条剪切裂缝，截排水沟多处被剪断破坏。

图7 变形历史遥感图

图8 多期裂缝发育分布图

2.3 变形机制分析

南洞子村倾倒变形体的发展演化过程经历了漫长的地质时期，早期变形受控于坡体结构和上硬下软的岩性组合特征（上部以厚层－中厚层状石英砂岩为主、下部以薄层状粉砂岩夹页岩为主），在上部陡倾硬岩压力作用下，下部相对较软的岩层发生弯曲变形，上部硬岩向着最大临空方向（SW向）发生倾倒、折断，变形破坏模式为压缩－弯曲－倾倒，与瓦伦西亚（西班牙）的露天矿边坡相似［16］。在修建杨三线公路过程中，因坡脚开挖，抗滑力降低，坡体应力发生改变，变形从受坡体结构控制转化为受粉质粘土层控制，破坏模式转变为蠕滑－拉裂－滑移，且变形方向向南发生偏转。

通过2020年安装的雨量和地表位移监测发现（图2），南洞子村倾倒变形体在8月份的多期降雨累加影响后，地表位移监测数据均出现陡增，且垂直于公路方向上的G02和G04监测点位移量相对更大，故将其连线方向（275°）判断为主滑方向。而所有的监测点在非降雨时段位移数据几乎没有变化，都说明现阶段南洞子村倾倒变形体的变形破坏受控于降雨的影响（图9～10）。

图2 南洞子村倾倒变形体全貌图

图9 地表总位移曲线图

图10 累计沉降位移曲线图

3 坡体渗流分析及稳定性计算

3.1 模型及边界条件设定

根据南洞子村倾倒变形体的物质组成、结构特征及现阶段变形特征，选取主滑方向上的典型剖面（见图11）建立数值分析模型（图12），共有2 288个节点、2 175个单元。

图11 南洞子村倾倒变形体地质剖面图

图12 数值分析模型

根据钻孔揭示的低下水位线设置初始水位。模型底部设定为零流量和不透水层边界。针对表面降雨入渗分析，考虑不同情况以给定表面边界赋予相应单位流量［17］。

3.2 参数选取

在SEEP／W模块中进行瞬态渗流分析时，除材料的基本物理力学参数外，还需要体积含水量和水力传导率。GeoStudio提供了几种典型含水量样本函数，只需给定其饱和土水含量，再采用模块的体积含水量数据点函数进行估算，可得某材料的土水特征曲线，即体积含水量与基质吸力关系曲线（图13）。水力传导率采用渗透系数数据点函数，运用Fredlund＆Xing方法及结合其体积含水量函数的方式估算，得到渗透性函数特征曲线，即水力传导率与基质吸力关系曲线（图14）。

图13 材料土水特征曲线

图14 材料渗透性函数特征曲线

在SLOPE／W模块分析中除原岩区采用不滑动层模型外，其余均采用Mohr-Coulomb模型。为了提高岩土体物理力学参数取值的准确性和合理性，采用室内试验结合相关资料查阅、及反演分析综合确定。其中反演工况基于2020年8～9月监测数据确定，以日最大降雨量67.4mm，即单位流量为7.8×10－7m3·s－1·m－2为边界条件，设计平稳持续性降雨24h（1d）。当各区物理力学参数如表2所示时，边坡次级及整体稳定性系数分别为1.024（欠稳定状态）、1.079（基本稳定状态），与实际情况相符（图15），故选作模型的物理力学参数值。

表2 各区岩土体物理力学参数取值

图15 岩土体物理力学参数反演分析

3.3 不同降雨条件下坡体渗流与稳定性分析

3.3.1 方案设计

（1）降雨入渗情况下坡体瞬态渗流场的分布服从达西定律［18］，在降雨强度和降雨历时相同的条件下不同降雨雨型对坡体稳定性的影像较小［19］，因此本设计主要考虑平稳持续性降雨。

（2）降雨强度（R）根据《中国暴雨统计参数图集》中暴雨量等值线图及皮尔逊Ⅲ型曲线，通过模比系数计算出4个极端降雨工况等级下的设计雨强值，见表3，时间设置为7d，其中降雨持续时间均为1d（24h），剩余6d降雨量为0，考虑降雨强度和历时对坡体稳定性的影响。

表3 不同工况下24h降雨强度（mm）特征值表

3.3.2 结果分析

（1）在SEEP／W模块中分别开展4种降雨工况下瞬态渗流计算，揭示坡体内部孔隙水压力随降雨入渗的响应特征（图16）。结果表明：降雨入渗造成地下水位逐渐抬升，岩土体含水率不断增加，地下水对变形体的浮托作用及滑带土的软化作用也不断增大；随着降雨强度的增大，模型中后部负孔隙水压力范围逐渐变小，当降雨强度R＞220.8mm（50a一遇）时，负孔隙水压力逐渐不再变小，而当降雨强度大于岩土体渗透能力时，雨水在坡表形成径流而流走，因此坡体内负孔隙水压力不能无限制减小。

图16 不同重现期降雨下孔隙水压力图

（2）将4种工况下瞬态渗流结果作为SLOPE／W模块极限平衡稳定性计算的孔隙水压力初始条件进行耦合模拟计算，结果见图17，并得到不同降雨强度、降雨历时与坡体稳定性系数关系曲线（图18）。

图17 不同重现期降雨下最小稳定性系数图

图18 降雨强度、历时与坡体稳定性系数关系曲线

从以上关系曲线可得，坡体稳定性系数在4种降雨工况下都是减小的，随着降雨强度的增大，稳定系数减小得越快，12h内尤为明显；随降雨历时增加，水位浸润线不断抬升，基质吸力越来越小，坡体稳定性越来越差；当降雨强度为108mm／d（5a一遇）时稳定系数下降幅度和斜率最小，降雨强度为256mm／d（100a一遇）时稳定系数下降幅度和斜率最大；随着降雨结束一段时间后，坡体内水逐渐排出，孔压逐渐消散，稳定系数逐渐回升。

综上所述：降雨强度对该变形体的影响较大，且当降雨强度R≥176mm／d（20a一遇）时，稳定性系数将小于1，该变形体将发生整体失稳破坏。

4 结论

（1）南洞子村倾倒变形体受南老洞断裂的影响，局部构造活动迹象明显；根据坡体结构及变形差异性，可将其划分为倾倒坠覆区、强烈倾倒区、轻微倾倒区和原岩区。

（2）该变形体早期变形受控于坡体结构和上硬下软的岩性组合特征，变形破坏模式为压缩－弯曲－倾倒；而后期由于坡脚修路的开挖和降雨的影响，变形破坏模式转变为蠕滑－拉裂－滑移。

（3）结合监测数据可知，目前该变形体明显受控于降雨的影响，特别是浅表层的坠覆区；降雨强度越大，坡体后部负孔隙水压力范围越小，整体稳定系数减小速率越快；当降雨强度大于岩土体渗透能力时，雨水在坡表形成径流，负孔隙水压力不再减小；降雨结束后，随历时增加，雨水排泄，孔压逐渐消散，稳定系数逐渐回升，表现出显著的滞后效应。

（4）降雨强度对该变形体稳定性影响程度较大，当降雨强度R≥176mm／d（20a一遇）时，坠覆体稳定性系数小于1，将发生整体失稳破坏；该阈值对其安全预警及防治具有指导意义。