降雨诱发型残坡积土滑坡分析范文

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《防灾减灾工程学报》2016年第4期

摘要：

以马家村滑坡为例，用有限元方法分析了降雨入渗条件下残坡积土斜坡的暂态非饱和渗流场，用极限平衡方法分析了残坡积土斜坡的渗流稳定性。分析了斜坡结构、临空面、降雨对斜坡变形与稳定性的影响，分析了降雨诱发残坡积土滑坡的过程。降雨诱发残坡积土滑坡的机理为：降雨入渗使残坡积土斜坡中形成软弱带；坡脚开挖使斜坡坡面出现拉张裂隙；降雨使坡面裂隙中充满水，导致斜坡土体饱和，抗剪强度降低，同时产生动水压力，不利于斜坡的稳定；当斜坡的下滑力大于抗滑力时发生滑动。

关键词：

暴雨滑坡；残坡积土；非饱和渗流；裂隙；稳定性分析

引言

残坡积土滑坡是一种广泛分布的地质灾害，该类型滑坡大多具有浅层性质。滑坡的发生受其物质条件、结构条件、环境条件的综合影响，其中环境条件最为活跃。据统计，大多数残坡积土滑坡是暴雨或久雨后发生的，表明降雨作用对该类型滑坡的发生具有重要的影响。对于降雨引发滑坡的规律，国内外学者进行了大量的研究工作。戴福初等［1］通过三轴试验分析了残坡积土的力学性质，认为暴雨诱发浅层残坡积土滑坡是排水剪胀破坏及不排水应变软化、破坏扩展的复合机制。姚海林等［2－3］指出膨胀土中的干缩裂隙对于雨水的入渗起着控制作用。张玉等［4］研究了大型堆积体滑坡的降雨入渗机制及动态变形机制。刘礼领等［5］分析了暴雨型滑坡降水入渗机理，认为土质斜坡中裂隙的存在导致了暴雨后滑坡大面积发生。张明等［6］分析了川东缓倾红层斜坡在降雨过程中的地下水渗流场，并通过环剪试验研究了滑带土的特性，认为久雨之后的暴雨是滑坡发生的必要条件。许多学者注意到斜坡裂隙对于雨水入渗的重要影响［7－12］，但对于裂隙的形成还没有系统的研究。斜坡从完整状态到发生滑坡，裂隙的产生是一个不容忽视的过程。本文以宁夏马家村滑坡为例，分析了残坡积土斜坡从完整状态到产生裂隙，再到暴雨后发生滑坡的过程和机理，对残坡积土滑坡的防治具有一定的指导意义。

1滑坡特征

2013年7月，宁夏泾源县境内发生强降雨，月降雨量达到286mm，该县境内共引发滑坡26处（图1），大多数为残坡积土滑坡。这些滑坡具有一些共同特点：①滑坡结构均为土－岩结构，表层为残坡积土，下伏地层为砂泥岩互层；②原始斜坡具有较好的临空面；③滑坡均发生在强降雨过后的1～5d内。本文选取马家村滑坡作为典型进行分析。马家村滑坡位于宁夏泾源县泾河源镇马家村。在连续的强降雨后，于2013年7月18日发生了滑动。滑坡周界明显，平面呈圈椅状。滑坡长为40m，宽为30m，滑体平均厚度为1．5m，总方量为1800m3。滑坡滑动距离约为2m，滑体前缘临空，距离民房仅2m，威胁到居民的安全。滑坡体后缘发育数条张裂隙，宽0．1～0．5m，局部有积水。滑坡剪出口土体破碎，呈泥状。滑坡整体坡度约20°，滑向295°，属牵引式滑坡。该滑坡位于红层丘陵区，出露地层为第四系残坡积粉质粘土和古近系砂泥岩互层。第四系残坡积粉质粘土覆盖于斜坡表层，厚度为1～1．5m，黑褐色，土体松散，含有少量砾石。古近系砂泥岩互层在斜坡坡脚处出露，下伏于第四系残坡积层之下，砖红色，岩层产状165°∠15°，表层强风化，结构破碎，局部夹石膏层。滑带土饱和，呈泥状。滑坡剖面见图2。滑坡区仅在地形低洼处形成局部地下水位，受大气降水补给，水位随降雨变动，赋存于第四系残坡积层中。

2残坡积土斜坡降雨入渗机理

残坡积土属于非饱和土，因此残坡积土斜坡中的渗流问题属于非饱和渗流问题。由于残坡积层下伏地层相对透水性较差，因此可视为隔水边界。降雨时雨水由残坡积土层地表入渗，在土－岩接触面聚集，会形成暂时的地下水位。在浅层残坡积土地层中，非饱和区与饱和区的渗流是相互联系的，称为饱和－非饱和渗流问题。

2．1计算理论

非饱和土中的渗流符合达西定律。以总水头h作为因变量，假定总应力保持不变，孔隙气压保持为恒定的大气压，忽略土骨架的变形。当渗透主应力方向与坐标轴一致时，二维渗流控制方程［13］为：xkxh（）x＋ykyh（）y＋Q＝mwγwht（1）式中，h为总水头；kx、ky分别为x和y方向的渗透系数；Q为施加的边界流量；γw为水的容重；mw为土水特征曲线的斜率，其中，mw＝θ／uw，θ为体积含水率，uw为孔隙水压力。因此，已知土体的土水特征曲线和渗透性函数，并给定边界条件和初始条件，就可以得到非饱和土的暂态渗流场。本文中采用有限元方法计算非饱和土坡中的暂态渗流场。非饱和土强度理论采用Fredlund等［14］提出的非饱和土抗剪强度公式：τff＝c′＋（σf－ua）ftan′＋（ua－uw）ftanb（2）式中，τff为土的抗剪强度；c′、′分别为饱和土的有效粘聚力和有效内摩擦角；（σf－ua）f为破坏面上的净法向应力；（ua－uw）f为破坏面上的基质吸力；b为抗剪强度随基质吸力而增加的速率，本文中假定b为常量。当土体接近饱和时，孔隙水压力接近孔隙气压力，基质吸力趋于0，式（2）中的基质吸力项消失，从而变为饱和土的公式。

2．2计算模型

采用SEEP／W有限元软件对马家村残坡积土滑坡进行非稳态渗流分析，用极限平衡法计算其渗流稳定性。先模拟未发生滑动的残坡积土斜坡，坡面无裂隙。有限元计算模型如图3所示。实际调查发现斜坡中无稳定的地下水位，模型使用的边界条件为：①斜坡坡面为流量边界，流量大小为降雨强度，降雨强度采用实际观测到的7月8日～18日的降雨数据（图1、表1）；②模型两侧残坡积土部分为零流量边界；③模型两侧和底面砂泥岩互层部分为不透水边界。

2．3计算参数

计算参数包括土体的渗透性函数和土水特征曲线，以及岩土体的物理力学参数。土体的渗透性函数和土水特征曲线如图4、图5所示。岩土体的物理力学参数来自室内试验（表2），非饱和土的吸力抗剪强度部分由土水特征曲线在软件中导入。

2．4计算结果分析

按照上文给定的边界条件，分11个时步对降雨作用下的残坡积土斜坡暂态渗流场进行模拟，分别对应11天降雨。本文仅列出降雨第10天的斜坡中孔隙水压力分布，如图6所示。由图中可以看出，雨水由斜坡坡面向下入渗，到达土－岩接触面之后渗流受阻，雨水在此聚集并向下坡方向渗流，由坡脚流出。坡脚处土体饱和后，其渗透系数达到最大值，坡脚渗流截面的渗透流速亦达到最大值，来不及排出的水便由坡脚处开始聚集，使饱和区由坡脚向上坡方向扩展。图7为斜坡坡面下1m处孔隙水压力随降雨时间的变化曲线，由图中可以看出，坡面下土体的孔隙水压力随降雨时间的增加而增大。孔隙水压力变为0，说明土体达到饱和，基质吸力消失。坡长30m处土体最先达到饱和，而后坡长25m处土体达到饱和，坡长20m和15m处土体未达到饱和，说明斜坡土体饱和区是由下而上扩展的。第10天降雨量为0，孔隙水压力逐渐消散，第11天斜坡土体中饱和区消失。用极限平衡法分析了降雨条件下残坡积土斜坡的稳定性，斜坡中渗流场由上文降雨过程中的暂态渗流场导入，斜坡稳定系数随降雨时间的变化曲线见图8。由图可以看出，随降雨时间增加，斜坡稳定系数降低，到第10天时稳定系数降到最低点。第11天时孔隙水压力消散，土体抗剪强度有一定程度的恢复，斜坡稳定系数增大。在降雨过程中，斜坡稳定系数保持大于1，斜坡整体保持稳定。

2．5降雨对残坡积土斜坡的影响

由上文的分析可以看出，降雨时雨水由斜坡坡面入渗，在土岩接触面渗流受阻，向下坡方向流动，由坡脚渗出。当坡脚土体达到饱和时，土体中渗流量达到最大，此时斜坡土体饱和区范围由坡脚向上坡方向扩展。斜坡饱和区范围内的土体抗剪强度降低，斜坡整体保持稳定，但局部土体会发生微小的位移，在土－岩接触面产生微裂隙，从而形成软弱带，成为斜坡进一步变形的基础。对于完整斜坡而言，由于雨水在坡面的入渗量有限，因此仅在一定范围内形成饱和区。

3残坡积土滑坡滑动过程分析

3．1开挖坡脚对残坡积土斜坡的影响

调查过程中发现，本次降雨导致的残坡积土滑坡均具有较好的临空面，斜坡临空面对其变形与破坏有着重要的影响。根据上文的分析，残坡积土斜坡的土－岩结构，加之降雨作用，会在斜坡中形成软弱带。人工开挖、河流冲刷等会导致斜坡坡脚处出现临空面，使坡脚处发生剪应力集中。当坡脚处的剪应力超过软弱带的有效抗剪强度时，会使坡脚处发生局部破坏，最初的破坏所导致的应力集中会沿着斜坡中的软弱带逐渐向上坡方向发展，使局部破坏向上坡方向扩展［15］。这种累进性的破坏使斜坡土体发生相对位移，并由坡脚向上坡方向扩展，使斜坡坡面形成拉张裂隙。坡面裂隙的出现，为降雨入渗提供了条件，下文将分析坡面有裂隙斜坡的渗流稳定性。

3．2坡面有裂隙的斜坡降雨入渗分析

由上文的分析可知，完整的残坡积土斜坡在降雨过程中能够保持整体稳定。因此，坡面裂隙是降雨诱发残坡积土滑坡的重要条件。调查过程中发现，马家村滑坡坡面发育多组拉张裂隙，并且在降雨停止后数天内裂隙中仍有积水。因此认为在11d的降雨期间坡面的裂隙中充满水。有限元模拟中在坡面设置3条裂隙，深度为1．5m，宽为0．25m，将裂隙的边界条件设为总水头边界条件，h＝1．5m。其他边界条件与上文模型相同。对坡面有裂隙的残坡积土斜坡进行降雨入渗分析和渗流稳定性分析。

3．3计算结果分析

图9为有裂隙斜坡在降雨第5天、第10天的孔隙水压力分布。由图中可以看出，降雨第5天，在斜坡坡脚处和裂隙周围土体中出现了饱和区。降雨第10天，自裂隙向下坡方向的斜坡土体全部饱和，且斜坡中出现了正孔隙水压力。正孔隙水压力说明斜坡中发生了有压渗透，会加快雨水的入渗。说明裂隙的存在加快了土体的饱和过程。图10为坡面下1m处孔隙水压力随降雨时间的变化曲线，由图中可以看出，斜坡土体的孔隙水压力随降雨时间的增加而增大，到第6天斜坡土体已全部饱和，且维持正孔隙水压力。第10天降雨停止，由于裂隙中存在积水，斜坡土体仍然维持正孔压。说明裂隙的存在使斜坡在降雨过程中维持饱和状态。用极限平衡法（Janbu法）分析降雨条件下有裂隙斜坡的稳定性，斜坡中渗流场由有裂隙斜坡降雨过程中的暂态渗流场导入，斜坡稳定系数随降雨时间的变化曲线如图11所示。由图可以看出，随降雨时间增加，斜坡稳定系数降低，到第6天时斜坡发生失稳破坏。之后斜坡稳定系数一直保持小于1，第10天降雨停止后，斜坡稳定系数依然小于1。

3．4降雨诱发残坡积土滑坡的过程

根据上文的分析，降雨诱发残坡积土滑坡的过程为（图12）：

（1）降雨由斜坡表面入渗，在土－岩接触面聚集，由坡脚流出，雨水的聚集在坡脚土体中形成饱和区，并逐渐向上坡方向扩展。土体饱和导致其基质吸力消失，抗剪强度降低，局部土体发生微小位移，形成由坡脚向上坡方向扩展的软弱带。

（2）自然或人为因素导致斜坡坡脚出现临空面，剪应力集中使斜坡中发生沿软弱带向上坡方向扩展的累进性破坏，斜坡土体发生相对位移，在斜坡坡面形成拉张裂隙，但整体保持稳定。

（3）降雨时，当降雨量超过残坡积土的入渗能力，将在裂隙中产生积水，使雨水在斜坡中发生有压渗透，增加入渗量，使斜坡土体饱和区不断扩展，饱和区土体抗剪强度降低。同时，斜坡土体中的饱和渗流产生动水压力，增加斜坡下滑力。

（4）当斜坡的下滑力大于抗滑力时，斜坡发生失稳破坏。斜坡的土－岩结构是导致滑坡发生的内部因素，开挖坡脚与降雨是导致滑坡发生的外部因素。这几个因素相互关联，共同作用使滑坡发生。

4结论

本文采用有限元方法分析了降雨入渗条件下残坡积土斜坡的暂态非饱和渗流场，用极限平衡方法分析了残坡积土斜坡的渗流稳定性，研究了残坡积土斜坡由产生裂隙到降雨作用下发生滑坡的过程，得出了以下的结论：

（1）降雨诱发型残坡积土滑坡的共同点是均为土－岩结构斜坡，均具有较好的临空面，均在暴雨之后发生滑动。

（2）降雨在残坡积土斜坡中入渗，使坡脚土体中形成饱和区，土体抗剪强度降低，局部土体发生位移，形成由坡脚向上坡方向扩展的软弱带。

（3）斜坡坡脚出现临空面是坡面形成裂隙的原因，为降雨入渗提供了条件。

（4）降雨时会在裂隙中产生积水，使雨水在斜坡中发生有压渗透，增加入渗量，使斜坡土体饱和区不断扩展，饱和区土体抗剪强度降低。同时，斜坡土体中的饱和渗流产生动水压力，增加斜坡下滑力。斜坡的下滑力大于抗滑力时发生滑动。

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作者:杜光波 倪万魁 单位:长安大学地测学院