降雨入渗对滑坡体稳定性的影响分析

陆健

（广西壮族自治区三〇五核地质大队，广西 柳州 545025）

0 引言

滑坡具有突发性、阶段性和复活性。其以摧毁和掩埋为主要危害方式，有时还会诱发泥石流等次生灾害。降水诱发滑坡的原因是由于降水时地表水流进入岩土中，增加了坡体的自重和增加了孔隙水压力，使坡体在极限平衡条件下发生了滑动。雨水从地表流向地下水，并转化为地下水，从而浸润和软化滑动面，降低边坡的抗剪强度。干湿交替反复导致岩体和土体开裂，产生大量节理间隙。滑坡变形破坏过程可分为以下3 个阶段。

（1）雨水入渗阶段，在降雨条件下，汇水区的雨水沿着地表优势通道流入滑坡体，坡体表面排水系统不足以有效起到排水作用，雨水无法及时流出，沿着地表残坡积土层孔隙大量下渗，坡体自重显著提高，导致下滑力增大。

（2）蠕变阶段。持续的降雨促使地表水下渗至含碎石粉质黏土和基岩的接触面内，使软性岩土体达到饱和状态，抗剪强度大大降低，在上部压力及自重的作用下逐渐开始形成蠕变。由于下伏土壤岩石的抗水性相对较好，滑动面上的地下水沿着土壤表面形成向上压力，对滑坡区的土体造成“向上效应”。另一方面，在持续强降雨后，添加的地下水无法及时排出，导致孔隙中的充水高度急剧增加，边坡岩土体上的水平静水压力持续增加。

（3）斜坡滑动阶段。在持续降雨的条件下，由于软土层的蠕变，以及在含砾石粘性土后缘裂缝中产生的“升力”和水平“静水压力”的共同作用，斜坡形成贯通滑动面，斜坡沿软弱层临空面滑动，形成滑坡。

1 渗流对土体及边坡稳定的影响

1.1 降雨作用影响分析

1.1.1 雨水对坡面的入渗、冲刷作用

坡体表面受流水冲刷，当雨水入渗转为地下后，使斜坡土体加速由硬塑～可塑状变为可塑～软塑状，降低力学强度，加之产生的动水压力，促使坡体整体下滑。部分坡体坡脚存在水沟、河流、沟谷等，雨水侵蚀坡脚，破坏坡体，改变边坡结构。同时，由于降雨进入地表，导致岩土严重增大，对土壤和岩体结构面的充填物的物理性质产生了影响，在土壤和岩体的构造面上，由于水分含量的变化，导致了从硬塑～可塑性到可塑～软塑性，从而导致了土体的机械性能下降、内聚力和内摩擦角下降，从而改变了原有的稳定性，从而导致斜坡的整体稳定性下降。

1.1.2 斜坡的变形与暴雨的激发作用

坡体的破坏是一个长期的变形累积过程，在滑坡发生之前，其变形量相对较大。造成这种变形的一个重要因素是由于干旱、高温和干旱，导致土壤干缩开裂；其次是人工切割坡脚，导致坡面后部受拉区发生较大的变形，并形成一系列的拉张裂隙。裂缝形成后，降雨的入渗速率和入渗量都会增大。当降水量很低时，这些渠道对降水量的影响很小，当降水量超过地面积水点时，就会形成地表径流，而地面上聚集的雨水则会通过裂缝迅速地向坡体中流动，使裂缝中的蓄水形成有压渗入，从而大大提高了降水量。而随着坡体含水率的急剧上升，底板吸力急剧下降，抗剪强度下降，边坡稳定性下降，从而在短期内出现滑坡。

雨水渗入后，斜坡内的地下水位也会上升，很难在坡脚立即排出。静水压力的增加会使裂缝扩大，这会导致更多的雨水渗入，斜坡的立即滑动导致斜坡的地下水和排水渠道迅速减少（当流量恒定且部分趋于零时，动态水压趋于无穷大），并且斜坡产生非常高，导致斜坡不稳定。

通过对某县地质灾害发生时间的统计，发现灾害发生最多的时间段在3—7 月，而此时间段亦是某县每年降雨最多的时候。因此某县地质灾害的发生跟降雨有很大关系。

1.2 滑坡稳定性分析

降雨产生地表径流外，有部分水体入渗到岩土体中，在隔水层顶面富集，形成滞水带，长期的浸泡滞水带土体易软化，力学强度降低幅度较大，最终形成滑带，降低了抗滑力，从而引起滑坡。滑坡是由于某一结构表面的剪应力超过了它的抗剪极限，从而破坏了它的平衡稳定性。破坏极限的原因是：①剪切应力增加；②土体的抗剪强度降低。雨水渗透会导致土壤逐渐饱和，导致土壤本身的体积变大，导致土壤的强度和渗透力的变化。一般认为，孔隙水压力是由渗流在土壤孔隙之间形成的，在进行圆弧稳定分析时，尽管孔压通过圆心时不会产生力矩，然而有效应力的降低了其抗剪强度，对边坡稳定性有较大的影响[1]。

表1 和表2 分别为无黏性土边坡和黏性土边坡在各种影响因子作用下的抗滑安全系数，并与实测资料进行了比较，得出了边坡失稳的严重程度。边坡渗漏的影响主要包括静态水荷载和动态水荷载：静水荷载是指当含水率增加时，土的体积会随之增大，从而使土的抗剪承载力降低，同时整个土体仍处于饱和区中的静水中的浮力。动水力是指在土壤中的水流通过对土壤颗粒的冲刷，从而对边坡的稳定产生一定的影响。在发生顺坡出水时，渗透力对边坡稳定性有很大的影响。在土力学上，可以将土质按不同的孔隙水压力大小划分为饱和土和非饱和土，通过室内实验数据和实测数据，发现同一土层因受吸力作用而具有较高的抗剪强度，其强度比饱和土高；随着土壤含水率的增加，土体的吸力值将会持续减小，从而使其强度显著下降。随着雨水的入渗，土壤含水率的增加，导致局部非饱和土向饱和土转变，从而导致整个土体的抗剪强度下降，同时，非饱和土的内吸力下降，整个非饱和土的抗剪强度也随之下降。相关的研究结果表明，降雨渗透降低了非饱和土的内吸力，是造成该区域滑坡的重要原因[2]。滑坡计算模型如图1 所示。

图1 滑坡计算模型

表1 无黏性土边坡稳定分析

表2 黏性土边坡稳定分析

2 降雨入渗对边坡稳定的危害

2.1 对土质边坡的危害

在降雨饱和状态下，边坡地渗流场与突然下降的水库水位相似，是一种水力学状况，降雨入渗往往会使土壤表面的饱和度增加，然后逐步向下移动。降雨首先在渗透率较低的坡脚处形成不透水层，然后在饱和度持续提高时，形成浸润线，由于渗水量的不断增大，坡脚浸润线会持续地运动向上。可以认为，降雨的入渗是以渗透线为边界的，当界线中的含水量持续增大时，土壤从非饱和向饱和过渡。土壤的饱和会使土壤的黏性下降到1/10 的干态，而黏性的下降会使土壤的强度下降，同时土体自重增加，孔隙水压力增加，从而引起滑坡。土壤渗透率是决定水体入渗速率的主要因素，而渗透率是降雨对边坡产生影响的重要因素。同时，还应兼顾降雨强度和渗透系数对边坡的双重作用，在降雨持续时间和强度相同的情况下，在降雨强度相同的情况下，渗透系数增加，其安全系数将显著降低。在降水持续时间较长的情况下，土壤入渗能力随降水强度的降低而降低，而在这段时间内，安全系数随渗透率的减小而下降。

2.2 对岩质边坡的危害

岩体结构面的剪切强度对边坡稳定性有很大的影响，岩石的构造面分为硬、软两种类型。硬质构造面是指在没有填充物的微风化构造面上，渗透不会对其抗剪强度产生影响。软弱结构面主要由节理裂隙、充填物为泥质断层、层间错动带等构成，软弱结构面由于毛细管的吸水性，往往在地下水位以下或毛细水区域时，其抗剪强度已经达到最大，因此即使雨水充盈，软结构表面的抗剪强度也不会反复下降。雨水入渗使边坡内部的渗流场发生变化，而水体的入渗则会使边坡的荷载量增加，从而导致滑坡。降水入渗对地下水的影响主要表现为地下水上升和瞬态饱和带的产生。地下水上升是一个连续的过程，但是，降水强度、降雨时间的增加会导致土壤非饱和区域出现暂态饱和区。降雨结束后，瞬态饱和区域很快就会消失，尽管瞬态饱和区的产生仅在一刹那，但其瞬时的加载增量要比静载增量大得多，是导致滑坡灾害的重要原因[3]。

3 降雨型滑坡治理分析

3.1 降雨型滑坡治理方案分析

针对滑坡的性质、成因、规模、滑体厚度、滑坡的危险性等，提出了一下滑坡防治的对策：①绕避。对于一些规模庞大、难以治理的山体滑坡，若要整治，工程规模庞大，通常采取绕道措施。②抗滑挡墙。防滑挡土墙可用于浅层滑坡的防滑挡土墙治理，为了提高墙体的抗剪强度，可在地基上设置倒坡或加凸桦。③抗滑明洞。由于开挖造成的工程滑坡会使原有的山体失去原有的平衡，由于滑坡的前缘临空面高，下滑力大，若采用防滑明洞，在明洞顶部回填，使山体的平衡得到改善，比其他的工程措施更经济、合理。④注浆。综合整治滑坡，单靠一项工程措施常常不是最好的解决办法，应将各种工程措施有机地结合在一起进行综合整治，采取了削方减荷与防滑挡墙结合明洞与抗滑桩明洞与防滑桩结合抗滑桩与防滑桩，将锚杆索与防滑挡墙结合，将锚索与抗滑桩结合在一起，形成了一系列的综合治理措施[4]。

上文只列出了部分综合整治工程，其他的组合方案还有很多，其目的是将不同的治理方法结合起来，形成一种最有效的治理方法，减少滑坡治理的成本。在各类综合整治工程中必须重视与地面排水工程相结合的措施降低洪水对山体滑坡的破坏，在有可能的情况下对山体滑坡进行绿化。

3.2 降雨型滑坡治理方案优化决策方法研究

实践证明，正确的滑坡防治措施是治理滑坡的先决条件，然而，选择一个抗击山体滑坡的系统是一个“因地制宜”的科学决策问题。现实状况差异很大，在进行滑坡治理决策时，它不仅关系到滑坡的条件和条件，还关系到经济、技术、环境以及专家和决策者的个人素质，为了更加准确地评估滑坡灾害，研究人员开发了新的滑坡灾害评估和治理优化决策方法。该方法采用地理信息系统（GIS）和遥感技术，对滑坡灾害发生地进行的地貌分析，包括地面高程、地表面形态、山体形态和地质构造等。此外，研究人员还运用目前较为先进的滑坡灾害预测技术，如统计学灾害预测模型、机器学习灾害预测模型、异常检测理论灾害预测模型等，进行了更加精确的滑坡灾害发展趋势预测及治理优化决策。

3.3 二维码定位法及其在降雨滑坡治理方案群决策中的应用

二维码的定位方法，包括：对二维码图像进行预处理，获得二值化图像；二维码的粗定位，计算二值化图像中相邻像素点的对比度，若对比度接近对比度阈值，则认定将该相邻像素点为二维码区域，完成二维码区域的粗定位；，二维码的精定位，提取粗定位二维码图像区域的边缘轮廓，对提取的边缘轮廓进行直线拟合，拟合成4 条直线，4 条直线的交点即为二维码的角点，两组对角点的连线交点即为二维码的中线点，完成了二维码的精定位。对依次进行二维码粗定位和精定位，实现了二维码交点在图像中的精准定位通过对比度实现了二维码轮廓粗的初步提取，在基于直线拟合来你和轮廓线，实现二维码角点在图像中的精定位[5]。边坡失稳是山区地质灾害中常见的现象，中国是一个多山的国家，因此边坡失稳是一个非常普遍的地区，每年的雨季都会发生许多边坡失稳给国家和人民的生命财产带来几十亿计的损失，所以边坡的治理研究非常重要。

4 结语

综上所述，对于降雨型滑坡的评估和控制，还需要开展更多、更深入的工作。加强对暴雨型滑坡的危害，加强多学科、多部门协同配合，是预防和控制滑坡灾害的重要途径。目前，气象、水文、地震等部门已建立了独立完整的观测台网，利用各学科、部门建立的观测台网，建立了雨量型滑坡监测系统，既节省了成本，又提高了工作效率，同时也符合了降雨型滑坡的多学科特征。