趙永洪

（浙江中材工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310022）

1 引言

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，特別對(duì)于礦區(qū)而言，由于礦產(chǎn)開采，使得巖土體的約束邊界條件得以改變，往往是下部因開采、切坡失去足夠支撐，導(dǎo)致上部土體失穩(wěn)，在降雨、爆破等誘因作用下形成滑坡。本文通過里塢水泥礦區(qū)的滑坡勘察實(shí)例，討論了滑坡巖土參數(shù)的合理確定方法。在穩(wěn)定性分析方面，傳統(tǒng)上通過設(shè)置合理水位，利用極限平衡法分析其坡體穩(wěn)定，但由于礦區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，水力邊界條件難以查清，且傳統(tǒng)方法不能分析滑坡的發(fā)生過程，近年來隨著非飽和土力學(xué)理論的完善和數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)步，采用有限元和非飽和土力學(xué)理論進(jìn)行分析成為可能。如Ng等[1]利用有限元模擬在不同的降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、各向同性與各向異性的滲透系數(shù)和不同的初始水位下香港某滑坡的穩(wěn)定性。本文根據(jù)滑坡勘察情況，嘗試運(yùn)用非飽和土理論，應(yīng)用有限元方法建立滑坡體滲流場(chǎng)，采用調(diào)整試算并與實(shí)測(cè)水位相比較的方法得到滑坡體降雨期合理水頭分布及滑坡形成情況，對(duì)類似勘察工程具有借鑒意義。

2 滑坡特征

本文主要討論HP2滑坡，其滑坡區(qū)面積4 270m2(圖1)。2010年因在HP2滑坡東南側(cè)前緣開挖邊坡，導(dǎo)致雨后HP2滑坡體東側(cè)部位發(fā)生滑坡。當(dāng)時(shí)在滑坡東側(cè)及北東側(cè)后緣發(fā)生大量坍塌，外圍形成了高度約1～2m的陡坎。在滑坡體前緣向前滑動(dòng)并形成大量的裂縫，這些裂縫多數(shù)為臌脹拉張裂縫，呈鋸齒狀，延伸長(zhǎng)度均較大。

2013年6月，在連續(xù)強(qiáng)降雨的作用下，在HP2西南側(cè)靠近西側(cè)部位，在滑坡內(nèi)小沖溝西側(cè)再次發(fā)生了規(guī)模較大的滑坡。形成后緣寬約66m，前緣寬約58m，相對(duì)高差約為40m?；轮骰较騍E140°，主軸長(zhǎng)度約100m的滑坡。勘查揭示的滑動(dòng)面(1-1'剖面)如圖2所示。

通過勘察年豐水期(梅汛期和臺(tái)汛期)的觀測(cè)，圖2中可見本滑坡1-1'剖面暴雨后的觀測(cè)水位線，此時(shí)滑體處于蠕動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)為下部臌脹裂隙繼續(xù)發(fā)育，但整體變形在可控范圍，坡體處于蠕滑狀態(tài)(可認(rèn)為此時(shí)穩(wěn)定系數(shù)在1.00～1.05)。

圖1 滑坡勘查平面圖

圖2 1-1'剖面圖

根據(jù)勘察揭示和成因調(diào)查該滑坡主要有以下一些特點(diǎn)。

(1) 滑坡由降雨誘發(fā)，坡體后緣匯水區(qū)面積大(其HP2匯水區(qū)面積約2.1×104m2，滑坡面積4 270m2)，降雨后先在前緣形成小范圍滑坡，在后續(xù)降雨情況下引起大范圍滑動(dòng)。

(2) 地質(zhì)條件復(fù)雜，多種巖土體并存。滑坡位于礦區(qū)的東北邊界區(qū)，F(xiàn)4～F5斷層之間，勘查揭示的主要巖土層有：①-1第四系殘坡積粉質(zhì)黏土混碎石，褐黃色，可塑—硬塑，稍濕，呈松散狀；①-2全風(fēng)化石英砂巖，褐黃色、土黃色、褐紅色，可塑，濕，風(fēng)化完全，原巖結(jié)構(gòu)較為清晰；②強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，為多數(shù)部位滑床的主要物質(zhì)；③泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，手摸砂感明顯，刻痕較明顯，斷口無光澤，暴曬或浸水后一段時(shí)間會(huì)發(fā)生崩解，裂縫極為發(fā)育。由于其地質(zhì)結(jié)構(gòu)破碎、裂隙發(fā)育導(dǎo)致了地下水滲流通道的多樣性，既有淺部覆蓋層的順坡滲流也有沿構(gòu)造裂隙帶的深部下切滲流。

(3) 巖土體受人工活動(dòng)影響大。因采礦修路，2010年在坡體前緣進(jìn)行了局部切坡，可能破壞巖土內(nèi)部既有的地下水滲流通道，改變了水力邊界條件，使地下水不易及時(shí)排出，導(dǎo)致水位上升從而誘發(fā)滑坡。

(4) 其滑體、滑床、滑帶由不同巖土體形成，傳統(tǒng)極限平衡法往往只能設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的滑帶土體參數(shù)，導(dǎo)致其分析的準(zhǔn)確性較差。

(5) 滑坡由降雨引起，需考慮水位在坡體內(nèi)的積累過程，極限平衡法和單一水位有限元分析法均不能模擬滑坡形成過程。

3 滑坡的分析評(píng)價(jià)

3.1 現(xiàn)狀穩(wěn)定性

根據(jù)勘察鉆孔及探槽、探井取樣土工試驗(yàn)可以得到滑體、滑帶、滑床的巖土物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，其中對(duì)穩(wěn)定性分析起決定性作用的是滑帶的粘聚力c，內(nèi)摩擦角ψ值，但是由于滑帶土質(zhì)的多樣性，所以其土工試驗(yàn)參數(shù)往往離散性較大，不能直接用于穩(wěn)定性計(jì)算[2](表1)。

表1 滑動(dòng)帶土樣室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)表明：滑帶土飽和快剪c=23kPa，ψ=35.1°，殘余剪cr=22kPa，ψr=14.4°，塑限Wp狀態(tài)下c=26kPa，ψ=15.4°，中塑((Wp+Wl)/2)狀態(tài)下c=7.0kPa，ψ=6.2°，由此可看出，滑動(dòng)帶土含水量增加對(duì)其抗剪強(qiáng)度降低很大。

根據(jù)圖2中臨界狀況下的水位進(jìn)行極限平衡法反分析，取此時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為1.05時(shí)，反求得到滑帶土參數(shù)為c =15kPa，ψ=18.5°。

為了驗(yàn)證參數(shù)的合理性，采用有限元強(qiáng)度折減法，以鉆探成果為基礎(chǔ)劃分各類土層分界線，輸入滑帶土層反分析代表參數(shù)和其他土層取樣所得的巖土試驗(yàn)參數(shù)(表2)，計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性和滑面位置，得到與極限平衡法相對(duì)比的結(jié)果。該法一方面回避了全滑帶土參數(shù)取值的同一性假設(shè)可能不合理問題，另一方面可自動(dòng)求解出滑面位置，并取得相應(yīng)的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)[3](圖3)。

表2 1-1'剖面有限元分析巖土參數(shù)

圖3 降雨?duì)顟B(tài)下強(qiáng)度法折減分析的最大剪應(yīng)變?cè)茍D(FS =1.04)

可見有限元法安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與極限平衡法相當(dāng)，最大剪應(yīng)變計(jì)算結(jié)果與勘查揭示的第二滑面基本一致。這一方面說明滑帶巖土參數(shù)取值較為合理，但對(duì)初期的滑動(dòng)(第一滑面)計(jì)算結(jié)果沒有體現(xiàn)?？梢娫诮涤暾T發(fā)滑坡過程分析方面，設(shè)置統(tǒng)一水位方式不能體現(xiàn)降雨對(duì)滑坡形成的動(dòng)態(tài)影響。為了分析降雨時(shí)滑坡的形成過程特別是初始滑動(dòng)的產(chǎn)生還需要更精確的方法。

3.2 降雨條件下滑坡的形成過程

為了模擬降雨條件下滑坡體的形成過程，采用非飽和土理論建立滑坡體“滲流—穩(wěn)定”數(shù)值模型，建立模型時(shí)主要考慮了以下幾個(gè)方面。

3.2.1 邊界條件

模型尺寸(2D)：建立坡長(zhǎng)257m，左側(cè)坡高149m，右側(cè)坡高90.7m，坡頂距左邊界44.2m，坡腳距右邊界59m，以原始地形為坡面的分析模型區(qū)域，并以勘察揭示土層情況劃分出土體層位，劃分網(wǎng)格，設(shè)置地基支撐條件。

水頭邊界條件：根據(jù)勘察揭示設(shè)置左側(cè)水頭為145m，右側(cè)水頭為70m，來考慮枯水期穩(wěn)態(tài)滲流。

降雨條件：降雨強(qiáng)度按80mm/d暴雨工況考慮，考慮匯水區(qū)影響，下部水量按降雨強(qiáng)度的3倍試算，上部邊界考慮上部滲流影響，按降雨強(qiáng)度的6倍試算，以此綜合考慮地形及匯水區(qū)對(duì)滑坡的影響。

3.2.2 人類活動(dòng)

考慮2010年，因前緣施工礦區(qū)道路，對(duì)坡體前緣進(jìn)行了切坡，施工擾動(dòng)可能導(dǎo)致坡體前緣巖土內(nèi)滲流通道被破壞，對(duì)坡體排水產(chǎn)生不利影響。故在數(shù)值分析中對(duì)坡體前緣的滲透性進(jìn)行降低，以模擬前緣排水不暢。

3.2.3 滲透性

考慮到地表徑流和地下滲流對(duì)土體的淋濾作用，導(dǎo)致土體滲透系數(shù)的各向異性，將上部殘積土、全風(fēng)化石英砂巖土體的滲透系數(shù)設(shè)為各向異性，根據(jù)實(shí)測(cè)水力坡降，取ky=3kx(kx為水平方向滲透系數(shù)，ky為垂直方向滲透系數(shù))調(diào)整試算比較。其他層土體由于滲透性弱，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，滲流對(duì)其穩(wěn)定影響有限，取為滲透各向同性計(jì)算。

非飽和土的滲透性，可用Cardner(1958)提出的雙參數(shù)模型表示如下：

式中：ks為飽和時(shí)土體滲透系數(shù)(m/s)；ψ為基質(zhì)吸力；α為與進(jìn)氣壓力值相關(guān)的參數(shù)(kPa-1)，隨著土體的脫水，它控制著滲透系數(shù)開始下降的起點(diǎn)；參數(shù)n控制著滲透系數(shù)下降的斜率。

3.2.4 土—水特性曲線

該方法的難點(diǎn)是如何求得非飽和土相關(guān)參數(shù)，可直接采用試驗(yàn)方法獲取參數(shù)[4-6]，但目前受限于設(shè)備能力和技術(shù)水平，工程運(yùn)用受到一定限制。隨著土力學(xué)理論和軟件技術(shù)的進(jìn)步，勘察單位可以運(yùn)用巖土軟件，通過設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行試算，然后與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，這樣可以方便求得較為合理的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)降雨條件下對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。本例采用van Genuchten模型進(jìn)行模擬，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：Θ為含水量變量，無量綱，它由飽和含水量和殘余含水量定義成標(biāo)準(zhǔn)化體積含水量的形式：Θ=(θ-θr)/(θs-θr)；θ體積含水量，θs飽和體積含水量，θr殘余體積含水量；Se為標(biāo)準(zhǔn)化飽和度，Se=(s-sr)/(1-sr)；s土體飽和度，sr殘余飽和度。α、m、n為擬合參數(shù)。

典型圖層水文地質(zhì)參數(shù)如表3所示[7]。

表3 砂土、粉土與黏土的典型水文參數(shù)

3.2.5 工況條件

根據(jù)降雨情況，將工況分為枯水期，豐水期和暴雨后三種情況?？菟诘牡叵滤换緸榛鶐r裂隙水，水力連通性差，水位多位于滑帶之下，此時(shí)為穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)；豐水期水體基本沿殘坡積層底部排泄，通過設(shè)置一段時(shí)間的降雨工況來實(shí)現(xiàn)；暴雨后是指豐水期遇到強(qiáng)降雨的情況下，此時(shí)水位位于滑體中部，達(dá)到最高水位。通過降雨瞬態(tài)模擬從低水位逐漸達(dá)到高水位的過程來研究滑坡的形成過程。

3.2.6 數(shù)值分析成果

參考表3所提供的參數(shù)，設(shè)置了表4所示參數(shù)進(jìn)行試算，對(duì)比降雨后高水位情況和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)評(píng)估情況，進(jìn)行試算調(diào)整，通過設(shè)置—試算—比較—調(diào)整—再試算的反復(fù)，較為準(zhǔn)確的模擬出各種降雨情況下的水位分布和穩(wěn)定性狀況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析。

表4 1-1剖面非飽和土體計(jì)算參數(shù)

(1) 各時(shí)期地下水滲流情況。

枯水期根據(jù)初始水頭邊界條件可以模擬出枯水期穩(wěn)態(tài)滲流情況和相應(yīng)水頭等勢(shì)線空間分布情況。豐水期根據(jù)初始水頭、降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)可模擬出降雨期瞬態(tài)滲流情況分布情況。同時(shí)也能得出相應(yīng)的飽和度空間分布。

圖4為枯水期穩(wěn)態(tài)滲流流徑及水頭分布情況，圖5為豐水期暴雨后臨界狀態(tài)下的滲流情況及水頭等勢(shì)線分布情況，圖6為枯水期飽和度云圖，圖7為雨后臨界狀態(tài)下飽和度云圖。

由圖4、圖6可見在枯水期，地下水位較低，坡體含水量低，滲透性較均勻，水滲流受重力和路徑共同影響，表現(xiàn)為流線較為平緩和均勻；由圖5、圖7可見在豐水期和暴雨臨界工況下，地下水位上升明顯，地表水體下滲后主要沿地下水位線流動(dòng)，由于此時(shí)飽和區(qū)滲透性遠(yuǎn)大于非飽和區(qū)，其滲透性差異對(duì)其滲流影響明顯，坡面水體下滲在坡腳形成泉眼。

圖4 穩(wěn)態(tài)流徑及水頭等勢(shì)線(枯水期)

圖5 瞬態(tài)流徑及水頭等勢(shì)線(雨后臨界)

圖6 枯水期飽和度云圖

圖7 臨界狀態(tài)下飽和度云圖

通過與各時(shí)段的水位實(shí)測(cè)情況與飽和度相比較和對(duì)應(yīng)泉眼出露情況與滲流流徑圖相比較，可見模擬與實(shí)際吻合，這樣可認(rèn)為本模型較為符合實(shí)際，可以進(jìn)一步以此模型為基礎(chǔ)得出坡體在降雨工況下的穩(wěn)定性情況，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析。

(2) 各時(shí)期穩(wěn)定性情況。

根據(jù)上面求得的空間飽和度分布情況和土水特曲線可得到對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力分布，在運(yùn)用考慮基質(zhì)吸力的非飽和土強(qiáng)度理論即可求得枯水期和豐水期降雨后的穩(wěn)定性情況。

圖8給出了枯水期的最大剪應(yīng)變?cè)茍D分布，圖9則給出了雨后臨界狀態(tài)下最大剪應(yīng)變分布情況和相應(yīng)的坡體穩(wěn)定系數(shù)。

圖8 枯水期強(qiáng)度法折減分析的等效剪應(yīng)變?cè)茍D(FS =1.250)

圖9 臨界狀態(tài)強(qiáng)度法折減分析的最大剪應(yīng)變?cè)茍D(FS =1.00)

從圖8、圖9可以看出隨著坡體含水量的增加，最大剪切應(yīng)變發(fā)生區(qū)域向前緣移動(dòng)，這樣就解釋了降雨時(shí)前緣首先滑動(dòng)的變形特征(第一滑裂帶)。進(jìn)一步分析降雨歷時(shí)與穩(wěn)定性的關(guān)系，當(dāng)豐水期(枯水期降雨1～2天后，設(shè)為初始時(shí)刻)，遇暴雨工況時(shí)，降雨兩天后邊坡即達(dá)臨界狀態(tài)(圖9，此時(shí)坡體滑動(dòng)安全系數(shù)約為1.00)。這與滑坡發(fā)生時(shí)的過程降雨相當(dāng)(2013年6月6～12日滑坡區(qū)普降大到暴雨，過程雨量為96～135mm； 6月18～30日連續(xù)降雨，其中24～30日為大到暴雨，過程雨量為218.1mm；其中26～27日連續(xù)出現(xiàn)暴雨，2天總雨量達(dá)161.0mm，雨后發(fā)現(xiàn)發(fā)生滑坡)。

從破壞的情況看，在降雨作用下，兩天后首先在坡體前緣發(fā)生滑動(dòng)，模擬的臨界狀態(tài)最大剪應(yīng)變區(qū)域也與這一破壞面(第一滑動(dòng)面)基本吻合(圖9)，這就模擬了滑坡形成的過程。從地下水出露的情況看位于坡腳的泉眼(圖2)也與豐水期滲流流線圖的分布一致(圖5)。至此，通過非飽和土力學(xué)理論建立的有限元數(shù)值方法，較為準(zhǔn)確地模擬了坡體內(nèi)地下水的滲流情況和滑坡體初始滑動(dòng)的形成過程，達(dá)到了研究預(yù)期目的。

3.3 滑坡治理方法建議

通過在滑坡體后部設(shè)置截水溝，阻擋匯水區(qū)地表水進(jìn)入滑坡體，在坡面加強(qiáng)植被作為毛細(xì)隔離帶阻止雨水下滲或在坡體內(nèi)部設(shè)置順坡排水管道來有效降低降雨時(shí)地下水位，均可提高坡體在降雨工況下的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

(1) 礦區(qū)滑坡由于滑帶土質(zhì)成分差異較大，土工試驗(yàn)結(jié)果離散性大，一般難以直接運(yùn)用于滑體穩(wěn)定性分析。實(shí)際分析時(shí)，一般采用極限平衡法反分析求得滑帶土近似力學(xué)參數(shù)，為了使得分析結(jié)果更符合巖土力學(xué)破壞理論，建議用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

(2) 由于礦區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，斷層裂隙發(fā)育，地下水滲流路徑和水頭分布不易查清，若進(jìn)行長(zhǎng)期的水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)，耗時(shí)費(fèi)力。采用非飽和土滲流理論建立數(shù)值分析模型，合理設(shè)置巖土參數(shù)和模型邊界條件，進(jìn)行滲流數(shù)值模擬分析，并將模擬結(jié)果與短期監(jiān)測(cè)水頭數(shù)據(jù)相比較(主要比較滲透水力坡降與水位)，以趨于實(shí)測(cè)值為目標(biāo)進(jìn)行修正調(diào)整參數(shù)試算，是求取滑坡體滲流場(chǎng)分布的有效方法。

(3) 對(duì)降雨誘發(fā)的滑坡，利用非飽和土力學(xué)理論，采用有限元方法，是分析模擬滑坡形成過程的有效方法。在工程運(yùn)用時(shí)要充分運(yùn)用勘察成果和調(diào)查情況，特別注意邊界條件(人工影響、水頭條件和排水條件)的設(shè)置和分析成果與實(shí)際情況的對(duì)比驗(yàn)證，以期獲得較為滿意的成果。