融雪-降雨型滑坡失稳机理

凌松耀, 蹇永明, 张智勇, 李卓, 黄翀垚, 郭兴会, 张奇

(1.中交二公局第六工程有限公司, 西安 710075; 2.新疆交通建设管理局, 乌鲁木齐 830049; 3.长安大学公路学院, 西安 710064)

中国是一个地质灾害频发、灾损严重的国家,其中山体滑坡因其分布范围广、发生频率高、损失严重等特点而成为最主要的地质灾害[1]。季节性冻土指地壳表层冬季冻结、夏季全部融化的岩土层,广泛的分布于贺兰山一线以西,以及此线以东,秦岭淮河一线以北的地区[2]。在中高纬度季节冻土地区,融雪诱发的滑坡逐渐成为常见的边坡失稳现象,这种滑坡与冬季降雪、土壤冻融循环和融雪水入渗密切相关[3]。边坡稳定性的波动与土体含水量的变化是同步的。在融雪量增加的情况下,土壤体积含水量的突然增加会引起边坡稳定性的下降,导致在融雪入渗期可能发生边坡破坏[4]。大量融雪渗入土壤,增加孔隙水压力并进一步降低坡体表层土壤的抗剪强度,结果引发滑坡[5]。

由于全球气候变暖和人类活动的加剧,与融雪有关的黄土滑坡灾害逐年增多,对人类生命财产和工程建设构成了严重威胁[6]。因此,这一问题正逐渐引起人们更多的关注。诸多学者对西北东北地区融雪渗流,边坡破坏机理等开展了大量研究[7-10]。新疆由于地理环境因素,分布有大面积的季节性冻土,雪是新疆重要的供水来源,冬季降雪充足和春季快速融化对增加区域水资源做出了贡献[11]。资料显示[2],由于气候变暖,新疆近年来持续增温,导致冰雪融水增加,地质灾害发生频率增加。春季冻土消融、融雪水入渗是该地区滑坡发生的重要因素之一[12-13]。

新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州(以下简称新疆伊犁州)地区属湿润大陆性中温带气候,雨雪丰富;其黄土分布广泛和湿润的气候造就了大量融雪与降雨诱发的黄土滑坡,它们的形成条件和破坏机理不同于其他黄土地区[13-14]。2002年新疆伊犁加朗普特特大滑坡发生后,众多学者对该地区的滑坡进行了分析研究,刘丽楠等[15]利用非饱和渗流理论,建立边坡渗流与稳定性相耦合的数值模型,并提出了黄土边坡渗流破坏机制;魏学利等[16]基于气象与地质勘察资料对省道316黄土滑坡进行分析,将滑坡破坏过程概括为张裂-蠕动-滑移模式;朱赛楠等[17]采用遥感影像动态对比及数值模拟的方法分析了黄土冻融滑坡的失稳机理。由于监测数据的限制,伊犁滑坡机理的研究多为定性分析[13]。因此,有必要对该地区黄土滑坡的形成过程和机理进行深入的研究。

基于以上问题,现针对新疆伊犁州内公路沿线一处融雪-降雨型滑坡进行分析。应用岩土工程分析软件geostudio的seep/w与slope/w模块开展流固耦合分析,结合现场监测数据,利用土壤含水率定量评价边坡水分场分布,并以此分析融雪边坡稳定性,根据综合计算成果揭示新疆融雪-降雨型滑坡致灾机理。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡区域环境特征

滑坡点位于新疆伊犁州内一段公路沿线的一侧,该公路位于新疆伊犁尼勒克县及新源县境内,是推动伊犁河谷经济带发展、促进伊犁河谷旅游发展的重要道路。

新源县一年中冬夏两季长,春秋两季短。多年平均气温在8.3 ℃左右,多年平均降水量为480～600 mm,多年平均蒸发量1 467.67 mm。降水集中于4—6月,8月开始明显减少。降水以春季和夏初占优势,冬季降水的比例在20%左右或以上。尼勒克县年平均降水量352.8 mm。降水多集中在4—10月,以5月、6月和7月这3个月降水相对集中,占全年降水量的50%左右;11月—次年2月降水量最少。

该地区表面大部分区域分布着黄土状单层土体,岩性为风成黄土,以粉土为主,局部为粉砂,土呈黄色,稍密状态,处于欠固结-固结状态,局部具有湿陷性;厚度从数米至数十米,在沿线山坡的背坡面较厚,阳坡面较薄,工程力学性质比较差。

1.2 滑坡灾害

研究区滑坡以黄土滑坡为主,多属于推移式滑坡。对公路产生影响的滑坡16处,堰塞湖(含堰塞体)1处,主要分布在该公路的K12～K23段。其中有直接影响的滑坡3处。

该公路项目所处区域是国土资源部《全国地质灾害防治“十四五”规划》的全国16个地质灾害重点防治区之一,2002年加郎普特突发大规模泥石流并引发特大滑坡,滑坡体积约2 275.5万m3,滑坡群向西滑动,堵塞则克台河形成大型堰塞体和堰塞湖。

大规模滑坡物质堆积于则克台河沟道内,将原有河道抬高20～30 m,原有公路埋于沟底,影响公路长度约6 km。此后,每年春季融雪期均发生大小不等的滑坡。2017年4—7月,连续发生高位滑坡44处,影响路段达12.26 km,占路线总长的45%。加郎普特滑坡区域为东北部由多个滑坡的滑壁形成椅状陡壁,向西开口,总体向西缓倾的滑坡鼻状堆积地貌,坡度为14.5°。在滑坡群南部原有公路内侧发育一处中型滑坡体(6#滑坡),位于拟建路线桩号K14+430～K14+580段,主滑方向约为300°,滑坡后壁高30 m,后壁坡度80°,如图1所示。该滑坡初次滑动发生在2002年,由于该滑坡靠近公路,是滑坡监测重点项目。2002年后该处又曾发生一起小型的局部滑动,目前已处于相对稳定状态,局部滑坡位于6#边坡中心位置。由于常年受到冻融及融雪降雨作用,6#边坡后缘出现许多张拉裂缝,如图2所示,致使该处位置存在发生较大滑坡的可能。

图1 6#滑坡和其他浅层滑坡

2 现场监测

2.1 监测设备

以该公路6#滑坡为研究对象。2019年10月在6#滑坡建立了监测站,观测空气温湿度、降雨量、土壤温度、土壤含水量、地表位移变化,观测间隔为2 h。所分析的数据采集时间为2019年11月5日—2020年10月31日,历时超过300 d,历经冬季冻结期、春季融雪期,空气温度和表层土壤温度变化如图3所示。

图3 空气温度与土壤温度变化

2.2 监测数据分析

对收集到的数据进行初步处理,利用origin数据处理软件进行统计分析。由于不同时期边坡气象环境与土壤状态有显著性差异,故对边坡冻融周期进行不同时期的划分。

监测点1-1、1-2分别位于坡顶土壤0.5 m及0.8 m深处;监测点2-1、2-2分别位于坡脚土壤0.5 m及0.8 m深处。

土壤温度随气温的降低表现出明显的滞后效应,如图4所示。根据监测数据可知,监测点1-2冻结期最低温度在0 ℃左右,该地区冻结深度约为0.8 m。在第120天融雪期开始时,位于坡脚的监测点2较坡顶的监测点1先达到饱和状态,伴随着融雪的进行,坡脚的饱和状态将持续到稳定期的开始。在监测点1处,埋置深度为0.5 m的1-1位置,随着融雪水入渗,含水率在第142天左右急剧上升,并保持着较高的含水率直到融雪期的结束,在此期间也会受到降雨的影响。边坡土的冻融过程为单项冻结双向融化,埋置深度为0.8 m的1-2位置长期处于冻结状态,在融雪期前期含水率一直处于稳定状态。到第160天左右,土壤温度快速上升,土体完全解冻,此时1-2位置含水率上升。该变化过程与牛春霞等[18]的研究相吻合。

图4 土壤温度与含水率变化

在第120天进入融雪期后,土壤含水率同时受到融雪水、冻结滞水、地表径流以及地表降雨的影响。在第150天左右,大量积雪融水的入渗,土壤含水率快速上升;在第150～220天,由于融雪水、冻结滞水的消融具有长期性,且期间还存在部分径流补水,土体会长时间保持较高含水率;第220天后,融雪水、冻结滞水消融,边坡土含水率开始下降。在融雪期,降雨的作用会局部提高土体的含水率,加快边坡土强度的劣化速度;在稳定期,仅有强降雨会提高土体含水率,较小的降雨对含水率的影响不大。两种降雨方式会影响边坡含水率的变化:一是持续4 d以上,日平均降雨量在5 mm以上的长时降雨;二是日降雨量大于35 mm/d的短时强降雨。由降雨引起的含水率显著变化变化共计3次,如图5所示,在第166～170天,5 d时间内连续降雨4 d,降雨总量33.2 mm,日平均降雨量6.64 mm;在第185天,日降雨量37 mm;在第241天、第242天,日降雨量分别为40.3 mm和41.7 mm。

图5 坡顶监测点土壤含水率随降雨变化

3 数值模拟分析

结合监测数据,开展数值模拟研究,通过模拟建立合适的数值模型。

3.1 数值模拟原理

由于地下水与坡面融雪水的补给,边坡土的含水率具有瞬变性,故采用geostudio软件的seep/w与slope/w模块进行瞬态流固耦合与边坡稳定性分析。在seep/w分析中材料类型选用非饱和渗流本构模型,并定义材料的土水特征曲线与渗透系数函数。土体的土水特征曲线通过压力膜仪法测得,如图6所示,并采用Gardner模型进行数据拟合,非饱和渗透系数通过Fredlund经验公式估计,获得拟合参数a=29.0 kPa,b=1.9,m=0.48。

图6 土水特征曲线

3.2 边坡数值模拟

根据地质勘察资料,建立边坡模型,该模型仅截取待分析位置边坡,尺寸为整个现场山体斜坡的一部分,坡脚采用固定约束限制位移。数值模型边坡上层为Q4黄土,下层为Q2黄土,计算中各种材料的参数如表1所示。

表1 边坡参数表

由于坡脚位置土体含水率不仅受到融雪水、降雨的影响,还会因为地下水位的改变而发生变化,水力条件较为复杂,因此在数值分析时,仅采用坡顶1-1位置作为研究点。1-1位置处的含水率变化会受到冻结滞水、径流补水、积雪融水等因素影响,而这些因素在现场监测中难以获取准确数值,故将除降雨以外的各种补水因素统一归为融雪水。在数值模拟中,将融雪水与降雨量的和定义为降水总量,预估降水总量作为表面能量平衡的边界条件并进行分析。以现场监测坡顶含水率为标准,对预估降水总量进行修正,获得实际降水总量,采用的数值模拟流程如图7所示。

图7 数值模拟流程图

现场监测数据与数值模拟结果如图8所示,两者数据变化较为一致,可认为修正后的降水总量为现场实际降水总量,如图9所示。土壤含水率随降水的变化如图10所示,在融雪期含水率突增。

图8 坡表层土体含水率的数值模拟数据与现场监测数据对比

图9 降水总量变化

图10 坡体土壤含水率随降雨量变化

3.3 结果分析

在利用seep/w分析建立的渗流场基础上,采用slope/w对边坡进行稳定性分析,并利用极限法计算边坡安全系数。坡体表层土体含水率、降雨总量与安全系数的关系如图11和图12所示。

图11 坡体表层土壤含水率与安全系数

图12 降水总量与安全系数

冻结期边坡安全系数稳定在1.3左右。在第140天伴随着融雪期的到来,坡体表层土壤含水率率先会在第150天时急剧上涨,含水率的上升导致边坡土由非饱和状态向饱和态变化,非饱和土体强度开始下降,土体重度上升,边坡稳定性开始下降,安全系数降低。第140～220天期间,降水浸入一定深度后,坡体表层仍处于较高含水率且维持一段时间,说明融雪水和降雨在持续入渗,坡体的安全系数快速下降。在第220天进入稳定期后,边坡不再受到融雪水影响,在缺少补水的情况下,含水率开始下降,安全系数随之上升。安全系数在第170～220天急剧下降,此时边坡可能处于临滑阶段,这个时期是滑坡的高发期,相关部门需发布临滑预警。

4 6#滑坡分析

通过建模结果和实际监测结果对比发现规律相同,说明建立的数值模型有效,然后利用现有模型对6#滑坡初次滑动过程进行模拟。根据相关文献[19],该滑坡初始滑动发生在2002年加朗普特大型滑坡发生后,2002年4月总降雨量为150.9 mm,相较于历年同期平均值偏多182%;其中一日最大降雨量为35.6 mm,出现在4月20日;连续降雨天数为7 d(4月24—30日),降雨总量达到81.1 mm,5月9—11日有大风、暴雨天气出现,在考虑融雪水因素后,降水总量如图13所示。

图13 降水总量

基于seep/w渗流分析,利用slope/w的非饱和土材料模型对边坡进行稳定分析,如图14所示。由于融雪期的长时降雨,导致土壤含水率上升,基质吸力减小,孔隙水压力无法及时消散,有效应力减小,边坡的安全系数快速下降。

图14 坡表土壤含水率与安全系数变化

利用seep/w分析边坡孔压变化,可了解边坡土体水分场的变化情况,如图15所示。第150天时,降水开始大量入渗边坡;第170天,降水继续入渗,坡脚水位上升,坡脚位置土体饱和;第180天,湿润锋抵达渗透系数较低土层,降水在此处汇集;第189天,汇水区持续扩展并连通,孔隙水压力无法消散,黄土发生静态液化,形成滑动带,如图16所示,滑坡发生。实际滑坡发生于第190天,采用此模型进行预测具有较高的准确性。

图16 区域内滑动带位置

5 结论

通过现场监测和数值模拟,分析了融雪降雨导致新疆伊犁州内一处公路边坡的失稳机理,得出以下结论。

(1)滑坡的致灾因素主要与水有关,主要为融雪水(包含冻结滞水、融雪径流补水、积雪融水)与地表降雨。融雪水量可通过现场监测含水率变化进行推导,降雨量通过雨量计获得。融雪水对土壤含水率的变化起主导作用:在融雪期初期增大土体含水率;在融雪期中期维持土体较高含水率。地表降雨的作用为局部增大土体含水率,其中两种降雨方式会影响边坡含水率的变化:一是持续4 d以上,日平均降雨量在5 mm以上的长时降雨;二是日降雨量大于35 mm/d的短时强降雨。

(2)通过现场监测数据与数值模拟分析可知,融雪边坡致灾机理为:地表水入渗形成冻结滞水;气温回暖,融雪水及冻结滞水沿着裂缝优势入渗,增大土体自重;连续降雨发生,湿润锋下移,土体孔压增大,形成暂态饱和区,边坡失稳。

(3)提出一种将数值模拟土壤含水率变化与现场监测数据进行拟合,在此基础上进行边坡稳定性分析的方法。将该方法运用于加朗普特6#滑坡的分析中具有良好的效果,可为今后该地区的滑坡预警提供参考。