賴書(shū)名,胡勇生

(1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九〇九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，綿陽(yáng) 621000;2.四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司,成都 610015)

20世紀(jì)至今，滑坡災(zāi)害一直是人類關(guān)注的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，降雨、地震、工程開(kāi)挖、堆載等均是誘發(fā)滑坡的影響因素，其中降雨是最主要、最普遍的影響因素之一，降雨型滑坡已累計(jì)給百姓生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，破壞公路、鐵路、輸電線路等公共設(shè)施，多年來(lái)關(guān)于降雨型滑坡的研究課題一直是滑坡災(zāi)害研究方向中的重點(diǎn)[1-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合實(shí)際滑坡案例，從滲流場(chǎng)變化特征[4-5]、非飽和-飽和巖土體強(qiáng)度特征[6]、降雨閾值[7-9]等多個(gè)角度闡明降雨型滑坡形成機(jī)理，分析滑坡穩(wěn)定性變化趨勢(shì)以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程力學(xué)特征[10-12]。隨著分析理論的完善及計(jì)算能力的提高，人們又開(kāi)始建立關(guān)于降雨型滑坡的預(yù)報(bào)模型，如：曹洪洋等[13]基于粗糙集理論，建立區(qū)域降雨型滑坡預(yù)報(bào)模型。

每年雨季期，各地降雨誘發(fā)的滑坡仍頻繁發(fā)生，所造成的損失呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，由此可見(jiàn)當(dāng)前對(duì)降雨型滑坡的研究尚有不足之處。2010年7月23日，廣元市利州區(qū)遭遇特大暴雨，三堆鎮(zhèn)境內(nèi)3 h總降雨量達(dá)195 mm，強(qiáng)降雨直接引發(fā)三堆鎮(zhèn)寶珠村3組一處山體發(fā)生滑坡。滑坡長(zhǎng)約50 m，寬約80 m，堆積體高約6 m，近2×104m3滑坡體掩埋多戶村民房屋，沖毀道路，堵塞高度約4～6 m，并造成臨近房屋開(kāi)裂、損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失約20萬(wàn)，對(duì)前緣18戶65人構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時(shí)存在發(fā)生二次滑坡的可能性。在災(zāi)害排查中，對(duì)該滑坡已進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查、測(cè)繪工作，通過(guò)探槽、室內(nèi)試驗(yàn)等手段查明滑坡組成結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合瞬態(tài)非飽和滲流數(shù)值模擬，對(duì)滑坡降雨形成機(jī)制展開(kāi)了研究，研究成果可為當(dāng)?shù)氐貫?zāi)排查、滑坡災(zāi)害防治提供指導(dǎo)及理論依據(jù)。

1 滑坡工程地質(zhì)特征

1.1 滑坡概況

寶珠村滑坡位于廣元市利州區(qū)三堆鎮(zhèn)寶珠村3組，地理坐標(biāo)E105°37′10.2″，N32°30′43.5″，距離廣元市區(qū)約35 km，距離三堆鎮(zhèn)中心約1.4 km(圖1)，屬于第四系堆積層降雨型滑坡。

圖1 滑坡地理位置

滑坡地處四川盆地北端，屬于構(gòu)造侵蝕中山地貌，滑坡近南-北向展布，海拔高程492～545 m，高差約50 m，地勢(shì)陡峻，地形坡度約37°～45°，斜坡形態(tài)呈近似直線坡形，坡面發(fā)育3條沖溝，縱坡降大、溝道窄?；聟^(qū)上覆第四系堆積層為殘坡積角礫土(圖2)，灰黃色，稍密-中密，天然密度1.65～1.86 g/cm3，含水率約7.4%～9.2%，角礫含量50%～60%，夾少量碎石，棱角狀，主要為頁(yè)巖風(fēng)化碎塊；角礫土層呈不連續(xù)分布，后緣斜坡探槽揭露厚度為2.2 m，中部探槽揭露厚度為3.2 m，前緣鉆孔揭露厚度為1.5 m，總體呈后緣、兩側(cè)山梁及沖溝處薄而中前部厚的特征。下伏基巖為志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1ln)薄層狀黑褐色灰質(zhì)頁(yè)巖，產(chǎn)狀160°∠80°，抗風(fēng)化能力弱，發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，即：①20°∠18°，②71°∠55°。滑坡距離白龍江較遠(yuǎn)，后期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，非降雨天氣滑坡區(qū)無(wú)地表流水，地下水貧瘠，埋藏深，地下水位多位于深部基巖層內(nèi)，以大氣降雨補(bǔ)給為主，殘坡積角礫土層內(nèi)含水率低，土體干燥。

圖2 探槽揭露殘坡積角礫土層

1.2 變形破壞特征

根據(jù)滑坡勘察以及詳細(xì)調(diào)查可知，滑坡邊界特征明顯，右側(cè)以基巖裸露山梁為界，左側(cè)以1#沖溝為界，后緣至基巖陡坎，前緣剪出口為坡腳開(kāi)挖陡坎面，高差約60 m，坡度35°～40°?；缕矫嫘螒B(tài)呈舌形，滑動(dòng)方向279°，滑動(dòng)面為基覆界面和部分強(qiáng)風(fēng)化基巖裂隙面，近似折線形，前緩、后陡(圖3、圖4)；在滑動(dòng)變形過(guò)程中，由于下伏基巖強(qiáng)風(fēng)化層較厚，呈碎石狀，滑坡推動(dòng)力促使約1.0～2.0 m的風(fēng)化層隨滑坡變形而向下滑動(dòng)，故產(chǎn)生滑動(dòng)變形平均厚度為5.0 m，總方量約1.9×104m3，屬于小型土質(zhì)滑坡。后期鉆孔、探槽所揭露基覆界面土體較濕，可塑，碎塊石含量為5%～10%左右，呈次棱角狀，易吸水，透水性差，土體飽水后較軟。

圖3 滑坡工程地質(zhì)平面圖

圖4 滑坡1-1’工程地質(zhì)剖面圖

斜坡變形失穩(wěn)后，在后緣形成高約10 m的陡坎，陡坎處局部可見(jiàn)基巖出露，且發(fā)育一處牽引拉張變形裂縫；滑坡體下滑運(yùn)動(dòng)過(guò)程中土體結(jié)構(gòu)破碎，呈散體狀，夾雜強(qiáng)風(fēng)化層頁(yè)巖風(fēng)化碎塊，至坡腳阻斷道路、掩埋1戶房屋，堆積前緣受墻體阻滑影響形成鼓丘，同時(shí)造成部分靠近堆積體房屋墻體產(chǎn)生擠壓裂縫，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 滑坡變形破壞特征

圖6 墻體開(kāi)裂

此外，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)滑坡鄰近范圍內(nèi)存在變形跡象，主要表現(xiàn)為橫向拉張裂縫，規(guī)模相對(duì)較小，裂縫寬8～15 cm，深10～20 cm，延伸長(zhǎng)約1～3 m；相鄰斜坡未出現(xiàn)明顯滑動(dòng)跡象。災(zāi)情發(fā)生后，當(dāng)?shù)卣?lián)合村民立即對(duì)滑坡堆積體實(shí)時(shí)清方，清除屋后至公路段3 000 m3堆積體，打通道路；目前仍有將近6 000 m3的土體堆積于公路內(nèi)側(cè)及原斜坡坡腳。

1.3 滑坡影響因素分析

大量降雨型滑坡研究[14-15]表明：滑坡的形成受多種因素控制，可分為地質(zhì)因素、環(huán)境因素兩類。針對(duì)寶珠村滑坡，地質(zhì)因素為陡峻的地形條件、特殊的地層結(jié)構(gòu)，無(wú)構(gòu)造影響，環(huán)境因素為極端降雨氣候、工程開(kāi)挖。由于滑坡區(qū)遠(yuǎn)隔白龍江，區(qū)內(nèi)無(wú)地表流水，地下水位埋藏深，故可不考慮地下水位變化對(duì)滑坡的影響。

1.3.1 地形地貌

滑坡區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中山地貌，海拔較低(492～545 m)，但相對(duì)高差大，斜坡坡度大，具備較好的臨空條件以及極大的重力勢(shì)能，局部陡坎地形有利于降雨充分入滲、滲流，一旦斜坡失穩(wěn)，在重力下滑分力作用下將快速剪切、下滑、運(yùn)動(dòng)。此外，在該地形條件下，發(fā)育良好的植被使斜坡變形跡象具有極強(qiáng)的隱蔽性，可發(fā)現(xiàn)概率低。

1.3.2 地層結(jié)構(gòu)

滑坡區(qū)地層由第四系殘坡積角礫土層和志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1ln)灰質(zhì)頁(yè)巖組成，角礫土呈稍密-中密，含有大量孔隙，表現(xiàn)出較強(qiáng)的滲透性，且土中角礫主要為頁(yè)巖風(fēng)化碎塊，細(xì)粒組分為粉質(zhì)黏土，雨水軟化及下滲力作用下角礫土結(jié)構(gòu)損傷、解體，力學(xué)強(qiáng)度急劇下降，從而導(dǎo)致堆積層穩(wěn)定性下降，在臨空環(huán)境下極易產(chǎn)生變形破壞。下伏頁(yè)巖層產(chǎn)狀與坡向相反，斜坡屬于橫向傾內(nèi)型，頁(yè)巖層發(fā)育一定厚度的強(qiáng)風(fēng)化層，強(qiáng)風(fēng)化層頁(yè)巖呈碎塊狀，滲透性極強(qiáng)，雨水穿過(guò)角礫土層下滲至強(qiáng)風(fēng)化層，受下滲水流潤(rùn)滑、軟化影響，強(qiáng)風(fēng)化層原本較弱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將再次弱化，故而導(dǎo)致坡體下滑運(yùn)動(dòng)過(guò)程中局部強(qiáng)風(fēng)化層出現(xiàn)剪切滑動(dòng)破壞。

1.3.3 工程開(kāi)挖

斜坡坡腳處為新修村道，修建過(guò)程中對(duì)內(nèi)側(cè)山坡進(jìn)行了開(kāi)挖以拓寬路面寬度，由此形成高約1～3 m的開(kāi)挖斷面，道路建成后采用人工砌石固坡。陡傾斜坡具有較大的勢(shì)能，天然狀態(tài)下人工措施可維持斜坡穩(wěn)定性，極端降雨環(huán)境下，斜坡巖土體自身抗剪強(qiáng)度降低，且容重增大，在地形提供的勢(shì)能下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，工程開(kāi)挖邊坡則為滑坡的進(jìn)一步形成提供剪出口。

1.3.4 極端強(qiáng)降雨

根據(jù)“7.23”暴雨洪災(zāi)氣象資料知，降雨期間三堆鎮(zhèn)境內(nèi)3 h降雨量高達(dá)195 mm，強(qiáng)降雨致區(qū)境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活造成較大威脅。連續(xù)的降雨入滲導(dǎo)致巖土體容重增大，內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角下降，阻滑力降低，致使斜坡的整體穩(wěn)定性變差，易沿基覆界面產(chǎn)生滑動(dòng)。

2 滑坡變形破壞過(guò)程分析

為進(jìn)一步闡明滑坡在強(qiáng)降雨環(huán)境下變形破壞過(guò)程，本文選取滑坡典型剖面1-1′剖面作為計(jì)算剖面，結(jié)合實(shí)際降雨氣象環(huán)境，對(duì)原地形斜坡進(jìn)行降雨滲流分析。

2.1 模型概化

恢復(fù)1-1′剖面原地形線，建立有限元滲流計(jì)算模型(圖7)，滑坡物質(zhì)為殘坡積角礫土，坡腳殘坡積層下伏早期崩坡積碎石土，基巖為頁(yè)巖。模型兩側(cè)及底部均為不透水邊界，坡面為單位流量邊界，單位時(shí)間滲流量為7月23日降雨強(qiáng)度，降雨持時(shí)為8 h；在角礫土層表部、底部共設(shè)置7處監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖7 滑坡有限元計(jì)算模型

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)滑坡勘察室內(nèi)試驗(yàn)，得到巖土體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)(表1)。采用V-G模型預(yù)測(cè)得出斜坡結(jié)構(gòu)中各介質(zhì)非飽和土-水特征曲線，角礫土土-水特征曲線見(jiàn)圖8。

圖8 角礫土土-水特征曲線

2.3 模擬結(jié)果分析

滑坡勘察結(jié)果表明，滑坡區(qū)地下水位埋藏深，地下水對(duì)滑坡不構(gòu)成影響，故seep/w滲流模擬直接采用瞬態(tài)分析，降雨時(shí)長(zhǎng)為8 h，本文選取3 h、5 h、8 h時(shí)間節(jié)點(diǎn)坡體孔隙水壓力分布特征展開(kāi)分析，見(jiàn)圖9。

圖9 不同降雨持時(shí)下孔隙水壓力分布圖

斜坡表面土體滲透性較好，透水性強(qiáng)，降雨初期(0～3 h)以垂直下滲為主，少量雨水沿坡面形成徑流。由于斜坡堆積層厚度分布不均，且斜坡坡度陡，后緣土層較薄處首先達(dá)到飽和狀態(tài)，并進(jìn)入一定厚度強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層內(nèi)，同時(shí)順坡向下滲流，在斜坡中部及坡腳局部形成飽和區(qū)，分布范圍較小。降雨至5 h左右，斜坡淺表層在累計(jì)降雨入滲影響持續(xù)達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)地表徑流量增大，并在坡腳平緩處形成積水，導(dǎo)致坡腳處飽和區(qū)范圍進(jìn)一步增大，積水的浸泡、軟化降低土體抗剪強(qiáng)度，斜坡穩(wěn)定性下降；坡體內(nèi)部孔隙水垂直下滲幅度減緩，在勢(shì)能作用下以順斜坡下滲為主，斜坡中下部堆積厚層區(qū)內(nèi)下滲孔隙水未達(dá)到基覆界面。8 h時(shí)降雨結(jié)束，坡腳飽水區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大、加深，孔隙水壓力不斷增大，斜坡中后部孔隙水在滲流過(guò)程中分布形態(tài)呈持續(xù)變化特征。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨降雨時(shí)間增長(zhǎng)孔隙水壓力變化特征如圖10所示。從圖中可以看出，各點(diǎn)隨時(shí)間變化，孔隙水壓力變化特征具有明顯差異，近表層4點(diǎn)(A、E、F、G)孔隙水壓力變化幅度強(qiáng)于深部監(jiān)測(cè)點(diǎn)(B、C、D)。表層4點(diǎn)在降雨過(guò)程中孔隙水壓力先持續(xù)增大，直至飽和狀態(tài)，而后孔隙水壓力開(kāi)始出現(xiàn)起伏波動(dòng)，這是由于斜坡地勢(shì)陡，降雨入滲到一定程度后順斜坡發(fā)生滲流運(yùn)動(dòng)，并持續(xù)改變孔隙水分布形式，這與圖10分析結(jié)果一致。深部3點(diǎn)在降雨7 h之前，孔隙水壓力無(wú)明顯變化，降雨結(jié)束后B、C點(diǎn)仍變化不明顯，而D點(diǎn)處于斜坡坡腳，降雨結(jié)束后坡腳飽和區(qū)范圍、深度的增大使D點(diǎn)的孔隙水壓力突然陡增，直至達(dá)到飽和。由此可見(jiàn)，在該地形條件下，坡腳降雨積水引起的局部飽和將使土體力學(xué)強(qiáng)度急劇下降，并將直接影響斜坡整體穩(wěn)定性。

在seep/w滲流分析的基礎(chǔ)上，對(duì)斜坡進(jìn)行全降雨時(shí)長(zhǎng)穩(wěn)定性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：降雨至7 h時(shí)斜坡穩(wěn)定性已降至1.02，處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)極有可能出現(xiàn)局部的變形，如拉張裂縫等，但由于降雨時(shí)間長(zhǎng)，且植被遮掩，致使變形跡象難以被發(fā)覺(jué)。至8 h時(shí)，斜坡穩(wěn)定性已降至0.946，且斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將發(fā)生失穩(wěn)破壞，潛在變形體如圖11所示，其形態(tài)與滑坡實(shí)際變形特征極為相似，由此可見(jiàn)降雨對(duì)滑坡的啟動(dòng)起到了關(guān)鍵作用。

圖10 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力-降雨時(shí)間關(guān)系曲線

圖11 8 h時(shí)斜坡潛在變形范圍

3 滑坡成因機(jī)制分析

綜合滑坡勘察以及數(shù)值分析結(jié)果，得出降雨作用下滑坡變形破壞機(jī)制及形成演化過(guò)程，具體分述如下：

(1) 滑坡區(qū)下伏基巖為灰質(zhì)頁(yè)巖，巖體強(qiáng)度相對(duì)較差，抗風(fēng)化能力較弱，早期外動(dòng)力環(huán)境促使出露基巖風(fēng)化、破碎，形成順坡堆積分布的角礫土層，并造就了陡傾的地形條件，為滑坡啟動(dòng)發(fā)展孕育了足夠的勢(shì)能。堆積層形成周期短，自重固結(jié)效果差，土體密實(shí)度偏低，力學(xué)強(qiáng)度較低，而滲透性較好。

(2) 坡腳工程開(kāi)挖削減了斜坡抗滑阻力，降低斜坡整體穩(wěn)定性，同時(shí)形成良好臨空條件，開(kāi)挖直立斷面為斜坡的滑動(dòng)變形提供剪出口。

(3) 強(qiáng)降雨初期，降雨入滲量大，堆積層表部迅速飽和，斜坡后緣先于中前緣達(dá)到飽和，并向強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層下滲，與此同時(shí)向坡腳形成近于平行坡面的滲流場(chǎng)。斜坡中上部坡內(nèi)入滲孔隙水分布形態(tài)隨滲流作用影響而持續(xù)發(fā)生變化，坡腳在接受降雨入滲的同時(shí)，整個(gè)斜坡孔隙水也不斷向坡腳匯集，從而造成坡腳土體含水率激增，飽和范圍逐漸增大。

(4) 強(qiáng)降雨的持續(xù)作用，斜坡入滲量進(jìn)一步增加，地表徑流量加大，在坡腳形成積水，斜坡土體力學(xué)強(qiáng)度原本較弱，在孔隙水的長(zhǎng)時(shí)間浸泡、軟化影響下再次弱化，抗剪強(qiáng)度的急劇下降也嚴(yán)重影響斜坡穩(wěn)定性。當(dāng)土體強(qiáng)度持續(xù)降低，在重力勢(shì)能控制下，斜坡開(kāi)始出現(xiàn)蠕變跡象，當(dāng)斜坡內(nèi)部不連續(xù)滑動(dòng)面貫通后則沿坡腳開(kāi)挖臨空面剪出，由此形成滑坡。

4 結(jié)論

(1) 寶珠村滑坡為第四系堆積層滑坡，屬于牽引式滑坡。滑坡區(qū)邊界形態(tài)明顯，滑面為基覆界面及部分強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層，滑坡土體結(jié)構(gòu)破碎，總方量近2×104m3，掩埋前緣靠近坡腳處房屋及道路，形成堆積鼓丘，同時(shí)導(dǎo)致堆積前緣建筑墻體產(chǎn)生擠壓開(kāi)裂變形。

(2) 通過(guò)seep/w瞬態(tài)滲流分析，在“7.23”降雨強(qiáng)度下斜坡表部迅速飽和，并形成平行斜坡的滲流場(chǎng)，導(dǎo)致坡腳積水現(xiàn)象突出，飽和區(qū)范圍不斷增大、加深。強(qiáng)降雨作用下，坡腳飽和區(qū)面積的增大、斜坡土體長(zhǎng)時(shí)間受雨水的浸泡而強(qiáng)度弱化是降雨影響的主要表現(xiàn)形式，斜坡土體強(qiáng)度的降低、坡腳抗滑阻力的下降導(dǎo)致斜坡發(fā)生失穩(wěn)。

(3) 滑坡形成由多種因素共同所致，原始斜坡地形環(huán)境是滑坡發(fā)生內(nèi)在地質(zhì)條件，工程開(kāi)挖削弱坡腳抗滑阻力，并形成良好臨空面，“7.23”強(qiáng)降雨是誘發(fā)滑坡的關(guān)鍵控制因素。