基于降雨作用的陡倾顺向岩质滑坡变形破坏机理研究——以蕲春县牛冲村滑坡为例

朱文慧,邹 浩*,何 卓,李又升,何明明

(1.资源与生态环境地质湖北省重点实验室,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质局 第三地质大队,湖北 黄冈 438000;3.中南冶勘资源环境工程有限公司,湖北 武汉 430035; 4.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074)

降雨是滑坡的重要触发因素之一[1],许多学者开展了降雨对滑坡的作用机理研究。Lourenco et al.[2]分析了不同土层在相同降雨条件下,孔隙水压力的变化情况。Lim et al.[3]通过对南洋理工大学校园内的残积土斜坡进行降雨模拟试验,取得了坡体中基质吸力变化规律。兰恒星等[4]分析了孔隙水压力对香港浅层边坡稳定性的影响,得出滑坡是因为降雨导致瞬时孔隙水压力发生了变化。李峰等[5]研究了非饱和土体的吸力、吸水软化、地下水位等方面随降雨入渗量而变化的特性,建立了考虑非饱和土渗透系数空间变化特性的降雨入渗模型。银明锋[6]采用室内模型试验与理论分析的方法探索了风化岩质边坡在降雨条件下的渗流和滑坡机理。王维早等[7]通过在典型滑坡体开展地下水现场监测、高密度电法等试验研究南江县平缓浅层堆积层斜坡的降雨入渗规律,发现随着降雨的继续,饱和区域不断由坡体前缘沿着基覆界面向坡体的中后部推移,水位不断上升,孔隙水压力逐渐增大。DeGraff et al.[8]分析得出降雨引起的地下水渗流产生的动水压力是滑坡发生的主要因素。周中等[9]通过现场试验发现变形量从坡面到坡体深部逐渐减小,入渗率随时间逐渐减小。崔云等[10]构建了水动力作用模型,得出了强降雨控制滑坡发育集中表现在改变土体的静水压力、动水压力与浮托力作用三方面的结论。李滨锷等[11]从水力耦合角度出发建立了二维水力数值模型,分析了雨强、渗透系数和初始条件对地下水位变化的影响,并得出坡内地下水力学作用主要表现形式为浮托力、静水和动水压力,三者通过影响改变坡体下滑力和抗滑力的大小来影响稳定性。

大量研究结果表明,降雨对滑坡的触发作用是一个动态过程[12-13],通过分析降雨作用下滑坡渗流场、应力应变场、位移场的变化特点,掌握滑坡发生变形破坏的特征规律,从而为滑坡防治、监测预警提供科学依据。

黄冈市位于大别山南麓,具低山丘陵地貌,变质岩发育,地质构造复杂,是鄂东北地质灾害典型地区,地质灾害具有典型的雨灾同期的特征[14],其中降雨型滑坡是黄冈市的主要地质灾害类型[15]。本文综合分析黄冈市近10年来地质灾害详查、风险调查评价、风险普查等成果报告及相关调查资料,在滑坡特征统计分析的基础上,采用四级综合分类体系,针对降雨型滑坡的地层岩性及物质组成、地形坡度、岩层倾角、斜坡结构等四要素的基本特性及内外在联系,以此组合建立黄冈市绝大部分降雨型滑坡的基本地质概化模型(图1)。

图1 滑坡基本地质概化模型体系框图

按照以上的综合分级法,可将不同类型自由组合的滑坡地质概化模型类型分为54种。统计不同组合的滑坡实例发现,黄冈市变质岩区控制结构面主要的滑坡地质概化模型类型包括:陡倾顺向岩质滑坡、特殊结构类土质缓坡、缓倾顺向岩土混合质滑坡等,其中陡倾顺向岩质滑坡类型最为常见,在地质灾害高易发区、极高易发区中占有较大比重。

1 陡倾顺向岩质滑坡地质概化模型

滑坡地质模型是对滑坡变形破坏条件和规律的科学模式的概括,同时也是力学模型、监测模型和预测模型的基础[16]。研究它的主要目的在于把握斜坡变形破坏的基本规律和主控因素,建立科学的斜坡变形破坏地质模型体系,为力学—数学模型、监测模型建立及稳定性评价奠定基础,以模型宏观反映斜坡稳定势态、变形趋势及破坏方式。

本文从陡倾顺向岩质滑坡实例中选取蕲春县檀林镇牛冲村滑坡开展研究,基于该滑坡基本特征与变形特征分析,构建该陡倾顺向岩质滑坡地质概化模型,利用GeoStudio软件进行岩土工程数值模拟的有限元分析,深入研究降雨入渗条件下,该类型滑坡边坡渗流场、应力场、位移场及其稳定性系数的演化规律,据此分析黄冈地区典型降雨型滑坡变形破坏的力学机制,以指导降雨型滑坡的勘查、评价、预报和防治工作。

1.1 牛冲村滑坡概况

牛冲村滑坡位于蕲春县檀林镇,滑坡后缘高程约350 m,前缘高程约313 m,相对高差约37 m,主滑方向约125°,坡度在35°～45°之间,滑坡面积约2 572 m2,滑体平均厚度约5 m,体积约1.3×104m3,为小型岩质滑坡。坡体主要分为上、下两层结构:上层为滑体,主要为强风化花岗质片麻岩,强风化层厚度在1.7～5.9 m间不等,滑带为强弱风化层接触面;下层为滑床,为中风化花岗质片麻岩,片麻理产状为157°∠60°,在连续降雨作用下发生滑移。

1.2 模型建立及参数选取

本模型选取牛冲村滑坡滑动前的原始剖面(图2),构建滑坡的二维概化模型(图3)。坡体岩性概化为两种类型:强风化岩、中风化岩,各种主要使用的岩土体材料参数如表1所示。网格剖分以1 m为全局大概的单元尺寸,计算单元大部分为四边形单元,局部区域有少量三角形单元,共剖分为3 542个单元、3 543个节点。

表1 岩土体材料参数

图2 牛冲村滑坡工程地质剖面图

图3 牛冲村滑坡二维概化模型图

1.3 降雨历时及地下水位设置

黄冈市汛期滑坡主要由短期降雨过程诱发,与滑坡发生前3 d累计降雨量的相关系数最高,受3 d以上累计降雨量的影响较小。因此,研究黄冈市降雨型滑坡的有效降雨量只需要考虑滑坡灾害点发生之前3 d的累计降雨量和未来24 h的预测降雨量[15]。研究牛冲村滑坡发生前一个连续降雨过程对边坡稳定性的影响,需要重点研究滑坡发生当日以及前3 d降雨量的影响,根据该滑坡所在地的实际降雨过程,选取前6天—前4天3 d累计降雨过程作为初始状态(图4)。以滑坡发生前一段连续降雨为标准,选取滑坡发生前6 d及当日降雨量进行预警判别和数值模拟,详细数据见图5。

图4 牛冲村滑坡数值模拟初始状态图

图5 降雨历程图

2 降雨作用下滑坡变形破坏机理研究

2.1 坡体孔隙水压力变化

孔隙水压力是指土壤或岩石中地下水的压力,该压力作用于微粒或孔隙之间。对于无水流条件下的高渗透性土,孔隙水压力约等于没有水流作用下的静水压力。根据工程类比法,结合滑坡所处地质环境条件,假定牛冲村滑坡的初始地下水位线位于中风化基岩层中,地下水位线以下的区域孔隙水压力为正,地下水位线以上的区域孔隙水压力为负、基质吸力为正,孔隙水压力沿高程方向呈线性分布。从图4-a中可以看出,前期3 d累计降雨量对于坡体表面孔隙水压力的影响有限,说明前期连续降雨对坡体的渗流场影响较小。此后在不同时刻降雨期间,坡体孔隙水压力分布规律如图6所示。

图6 前3天—当日滑坡坡体孔隙水压力分布图

由图6从降雨过程中可以看出,地下水位线大体位于滑床内,变化幅度非常小。基岩中孔隙水压力变化较小,滑体局部孔隙水压力明显增加。降雨沿坡面向坡体内入渗,孔隙水压力由坡面整体向坡体内增加;随着降雨量的累计,坡顶处孔隙水压力响应比较强烈,变化增速更快,并沿着坡表面向滑体内移动,滑体中部孔隙水压力变化程度较小。滑坡发生时,水位线以上坡体的孔隙水压力总体仍未达到饱和状态,与初始状态下相比,孔隙水压力的影响区域仅在坡体浅层区域。

从降雨历时条件分析可知,滑坡发生前6天—前4天的累计降雨量相对较小,对坡体孔隙水压力影响较小;滑坡发生前3天、前2天和当日的有效降雨量均明显小于前1天的有效降雨量。从对应的孔隙水压力分布图(图6)来看,前3天、前2天和当日的孔隙水压力变化不如前1天的坡体孔隙水压力增长得快,因此,前1天的短时强降雨作用对该滑坡的孔隙水压力影响最大。

2.2 坡体应变场变化

物体受力产生变形时,体内各点处变形程度一般并不相同,剪应变是用来描述岩(土)体某一点处变形程度的力学量。在上节模拟该滑坡发生前3天、前2天、前1天以及当日的降雨瞬态渗流过程的基础上,对降雨过程应变场变化模拟进行分析,通过模拟降雨作用下该滑坡最大剪应变的变化规律,探究坡体在降雨过程中内部应变场的变化情况,其计算结果如图7所示。

图7 前3天—当日滑坡坡内最大剪应变云图

在滑坡孕育过程中,最大剪应变的发生发展过程展示了滑坡滑移面形成过程和边坡变形破坏的机制。最大剪应变最先出现在滑面附近,此位置滑体厚度较大,受降雨影响明显。随着降雨时间的推移,最大剪应变逐渐增加,并沿滑面向坡面和滑体前、后缘发展,在滑面处出现明显的应变集中现象,此处发生较大变形,局部先出现不稳定。

2.3 坡体位移场变化

在坡体应变场变化规律的基础上,研究坡体位移场的变化。降雨期间坡内位移变化情况如图8所示。

图8 前3天—当日滑坡坡内位移云图

从初始状态位移场云图(图4-c)可知,滑坡发生前6天—前4天的累计有效降雨量对边坡位移的影响不大,模型初始位移量为0.008 m。由图8可知,滑坡发生前3天、前2天、前1天、当日最大位移量分别为0.012、0.014、0.016、0.022 m,该边坡与初始状态相比位移增加175%。由此可知,随着降雨量的增加,位移量出现较大变化,且主要集中于坡体中后部,位移变化最小处为坡脚,位移自坡体表面向坡内呈现出由大到小椭圆形分布。

2.4 边坡稳定性分析

根据降雨作用下渗流场、应变场、位移场分析的结果,计算未降雨时边坡稳定性与滑坡发生当日的稳定性(图9)。

图9 滑坡稳定性云图

根据边坡稳定性系数随降雨量的变化曲线和边坡稳定性系数随位移量的变化曲线(图10)可知:在降雨过程中,岩土体含水率增加,强度参数减小,边坡稳定性下降,位移量增大。从初始边坡位移场和稳定性可看出,滑坡发生前6天—前4天的降雨效应对边坡稳定性的影响不大,初始条件下边坡最小稳定系数为1.106,位移量为0.008 m;随着降雨量的不断增加,滑坡的稳定性系数不断减小,最大位移量不断增加。滑坡前3天边坡最小稳定性系数为1.045,较初始状态减少了5.5%,最大位移量为0.012 m;滑坡前2天边坡最小稳定性系数为1.027,较初始状态减少了7.1%,边坡最大位移量为0.014 m;滑坡前1天边坡最小稳定性系数为1.002,较初始状态减少了9.4%,边坡最大位移量为0.016 m;滑坡发生当日边坡最小稳定性系数为0.923,较初始状态减少了16.5%,从初始状态到滑坡发生,边坡最大位移量为0.022 m。

图10 边坡稳定性系数变化曲线图

边坡的稳定性系数随着降雨时间和降雨量的增加持续减小,位移量持续增加。降雨对边坡的不利影响主要发生在降雨的中后期,并且有效降雨量越大,边坡稳定性系数和位移变化量越大,在滑坡发生当日稳定性系数减少比例达到前期的3倍,由此说明降雨入渗需要一定时间,部分岩土体的物理力学参数衰减需要一定时间,滑坡失稳一般在强降雨阶段期或滞后。

3 结论与建议

通过降雨作用下陡倾顺向岩质滑坡变形破坏机理研究获得以下认识与建议:

(1) 陡倾顺向岩质滑坡是黄冈市汛期主要滑坡类型之一,具有危害大、突发性强的特点,值得在实践中进一步研究其变形破坏机理。

(2) 降雨对该类滑坡的变形破坏具有累进诱发作用,尤其是降雨历时和有效降雨量与滑坡的变形程度(应力应变场、位移场)变化呈正相关。

(3) 降雨中该类滑坡变形破坏程度表现在其渗流场、应力应变场、位移场方面的规律性改变状况,总体特点是:随着降雨持续,除坡体浅层外在滑体中后部与滑面处的孔隙水压力响应变化明显,且破坏前1天的坡体孔隙水压力增长变化快;剪应变在滑面处明显存在且为最大值,并向坡表面和滑体前、后缘方向发展;位移变化主要集中在坡体中后部,自坡体表面向滑面呈现出由大到小椭圆形分布。

(4) 该类滑坡是否产生明显变形破坏取决于灾害发生当日和前3 d的累计降雨量,即对应的有效降雨量状况,在此过程中滑坡的稳定性系数持续降低,且在降雨的中后期稳定性改变更明显,在滑坡发生当日稳定性系数减少比例达到前期的3倍。

(5) 据此类滑坡降雨作用下的变形破坏机理研究,要求在勘查中加强该类滑坡的斜坡物质结构特点、空间渗透性等方面工作,同时在监测预警工作中加强坡体中后部与滑面的监测等。