程鵬翔，李宗發(fā)

(1貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025；2貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 111地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550081；3貴州地質(zhì)工程勘察設計研究院，貴州 貴陽 550081；4貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550081)

0 引言

西南地區(qū)多為山地丘陵地貌，山高谷深，相對高差較大且地質(zhì)環(huán)境復雜，為地質(zhì)災害的發(fā)生提供了條件，所以成為地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)，其中尤以滑坡地質(zhì)災害發(fā)生最多，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失。滑坡地質(zhì)災害絕大多數(shù)為土質(zhì)滑坡，巖質(zhì)滑坡相對較少。筆者統(tǒng)計了貴州省銅仁地區(qū)的163例滑坡和不穩(wěn)定斜坡，其中巖質(zhì)滑坡9例，占比5.5%，土質(zhì)滑坡154例，占比94.5%，且所有土質(zhì)滑坡均為堆積體滑坡。由此可見，滑坡地質(zhì)災害中絕大多數(shù)為堆積體滑坡。

筆者在統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，堆積體滑坡的主要誘發(fā)因素是持續(xù)性降雨或暴雨。這是貴州地區(qū)濕潤多雨的氣候條件及堆積體滑坡自身力學性質(zhì)決定的。利用Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊與SIGMA/W模塊對坡體內(nèi)二維滲流場及應力場進行數(shù)值模擬耦合分析，進而從理論上分析其變形破壞機制。

1 滑坡特征

院子巖滑坡位于貴州省沿河縣，滑體總體積為63×104m3，滑體厚度為3.5～17.1 m，為大型堆積體滑坡。

滑體；主要是古滑坡形成的大型堆積體，主要成分是粉質(zhì)粘土、亞粘土夾砂巖、泥灰?guī)r及泥頁巖風化碎塊石，表面分布少量的人工填土以及泥巖、砂質(zhì)泥巖的風化物碎塊石、粉質(zhì)粘土等?；w整體結構松散，力學強度低，組分粒徑差異性較大，透水性強[1]。

滑帶：位于巖土接觸帶，主要成分是粉質(zhì)粘土?；瑤Ш穸容^小，為5～20 cm，由于上部滑體重力作用下，相對較密實，透水性較弱。

滑床：主要為泥巖、粉砂巖、砂巖，弱透水性。

2 誘發(fā)滑坡的影響因素

2.1 不利的巖土體結構

由于該滑坡為古滑坡復活體，存在古滑坡面，古滑面為巖土接觸面，且存在穩(wěn)定的地下水位，導致滑帶始終保持飽和狀態(tài)，力學強度較低，容易沿古滑面發(fā)生滑動。

2.2 持續(xù)性強降雨

該滑坡受到持續(xù)性強降雨后導致坡體持續(xù)變形，滑坡體后緣和中部形成寬大裂縫，同時持續(xù)性強降雨加劇了坡體的沖刷，增大坡體自重，對坡體巖土體有軟化作用，降低其力學性質(zhì)，降雨條件下容易誘發(fā)滑坡。

2.3 人類工程活動

區(qū)內(nèi)早期人類工程活動強烈，主要表現(xiàn)為修建公路、居民建房和耕種等，均對該斜坡體進行了不同程度的切坡和斜坡改造，大量的人類工程活動改變了斜坡巖體應力狀況和地形地貌，使得滑坡前緣為高陡臨空面，為滑坡的形成提供了滑動條件。

3 滑坡體變形特征

該地質(zhì)災害從2003年中下旬開始變形，滑坡后緣及中部產(chǎn)生多條拉張裂縫，特別是滑坡中部村民主要居住區(qū)地形相對平緩的地帶，蠕滑變形最為嚴重，多數(shù)木房產(chǎn)生傾斜變形，多數(shù)磚結構房屋墻體轉(zhuǎn)角處、窗臺兩側(cè)、屋頂面等部位嚴重變形，墻體與基礎已接斷錯裂，有水泥地坪的地段地面可見多條地裂縫。

4 數(shù)值模擬建模

4.1 模型建立

以貴州省沿河縣院子巖滑坡為例，采用Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊及SIGMA/W模塊對該滑坡進行二維滲流場及應力場耦合模擬分析。

該滑坡坡高82 m，坡長263 m，滑體主要由人工填土、粉質(zhì)粘土、碎塊石等組成，滑帶主要為粉質(zhì)粘土，分布厚度5～20 cm，滑床為志留系中統(tǒng)秀山組灰綠色、紫紅色泥巖，粉砂巖、砂巖，由于滑帶土厚度太小，在模型中難以體現(xiàn)，故此次模擬不考慮滑帶土的滲流特性，簡化模型如圖1。

模型中利用三角形網(wǎng)格精度高、可模擬任意幾何形狀等特點，以三角形單元為計算單元建立模型。模型邊界條件設立左側(cè)邊界和底邊界為不排水邊界，坡體表面邊界為自由滲流面。

圖1 滑坡簡化模型Fig.1 Simplified model of landslide

本次模擬滲流場采用SEEP/W模塊中的瞬態(tài)滲流分析。降雨強度采用該地區(qū)最大降雨強度586 mm/d，即6.8×10-6mm/s[2]，分12步進行計算持續(xù)降雨24 h的滲流情況，每步2 h(7200 s)。應力場模擬采用SIGMA/W模塊，主要模擬在上述滲流場中的坡體應力及應變特性，假設巖土層為線彈性體[3]。

根據(jù)坡體巖土物質(zhì)組成將模型分為2個區(qū)域，上部滑體為第四系殘坡積碎石土，下部滑床為志留系中統(tǒng)秀山組灰綠色、紫紅色泥巖，粉砂巖、砂巖。

4.2 導出滲透系數(shù)函數(shù)

滲透系數(shù)又稱為水力傳導系數(shù)，表示流體通過骨架孔隙的難易程度。在飽和土體中滲透系數(shù)為常數(shù)，在非飽和土體中滲透系數(shù)為一變量，它隨含水率的變化而變化。通常根據(jù)土-水特征曲線來估計滲透系數(shù)函數(shù)，基質(zhì)吸力與含水率之間的變化關系稱為土-水特征曲線[4]。

采用SEEP/W擬合出滑體的土-水特征曲線(圖2)和滲透系數(shù)函數(shù)(圖3)。

圖2 滑體土-水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curve of slide body

5 數(shù)值模擬結果分析

5.1 初始應力場

圖3 滑體滲透系數(shù)函數(shù)Fig.3 Permeability coefficient function of a slide body

斜坡的初始應力狀態(tài)在空間分布上有一定的規(guī)律，即滑帶上的剪應力從上到下逐漸增大[5]，到某處達到最大值，后逐漸減小，最大總應力則是在垂向上逐漸增大，滑體后緣到中下部逐漸增大，后逐漸減小。最大剪應力和最大總應力的空間分布上具有相似性，都是在坡體中下部達到最大值。

圖4 滑面最大剪應力分布圖Fig.4 Distribution of maximum shear stress on slide surface

圖5 滑面最大總應力分布圖Fig.5 Distribution of maximum total stress on slide surface

5.2 滲流場分析

本次二維滲流場主要進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，穩(wěn)態(tài)分析降雨前坡體滲流場，瞬態(tài)主要分析持續(xù)性降雨過程中的坡體滲流場。

圖6模擬了天然狀態(tài)下的孔隙水壓力分布，圖7～圖8模擬了降雨4 h內(nèi)不同時段(步時2 h)坡體內(nèi)孔隙水壓力的變化情況。根據(jù)上述模擬情況可得：

1)降雨入滲過程中，在坡體內(nèi)浸潤線以上主要為垂向入滲，在浸潤線以下主要沿巖土接觸面流動，滑帶土受到?jīng)_刷、浸潤、軟化作用，力學強度降低；

圖6 初始孔隙水壓力分布圖Fig.6 Distribution of initial pore water pressure

圖7 降雨2 h(7200 s) 孔隙水壓力分布圖Fig.7 Distribution of pore water pressure after 2 hours (7200 s) of rainfall

圖8 降雨4 h(14400 s)孔隙水壓力分布圖Fig.8 Distribution of pore water pressure after 4 hours(14400 s) of rainfall

2)降雨入滲過程中，地下水位以上不飽和區(qū)地下水位上升，坡體內(nèi)的孔隙水壓力逐漸增大(圖9)，且在空間分布上看，坡體中下部孔隙水壓力較大，這與應力場分布具有相似性；根據(jù)有效應力原理：

σ=σ′+μ

(1)

式中：σ′—土體有效應力；μ—土體中孔隙水壓力；σ—土體總應力。

即土體中任意一點的總應力為有效應力與孔隙水壓力之和，孔隙水壓力升高，有效應力減小，按莫爾-庫倫定理，土體中一點抗剪強度為：

τ=σ′tanφ′+c′

(2)

式中：τ—土體某點抗剪強度，kPa；σ′—土體有效應力，kPa；φ′—土體有效內(nèi)摩擦角，(°)；c′—土體有效粘聚力，kPa。

圖9 滑帶各點孔隙水壓力-時間關系Fig.9 Pore water pressure-time relation diagram of each point in the sliding zone

當?shù)叵滤簧仙龝r，滑面土體有效應力減小，同時土體有效內(nèi)摩擦角和有效粘聚力也減小，土體抗剪強度降低，土體容易破壞失穩(wěn)。

5.3 耦合分析

利用軟件中的SEEP/W模塊與SIGMA/W模塊耦合分析持續(xù)降雨2 h后的坡體應力與位移狀況，得到以下結論：

1)在持續(xù)性強降雨過程中，坡體應力場不斷調(diào)整，初始應力最大值位于坡體中下部，持續(xù)降雨2 h后在坡體中下部和后緣均出現(xiàn)應力峰值(見圖10)；

2)持續(xù)降雨2 h后，滑坡體中下部位移最大(見圖12坡面轉(zhuǎn)折部分)，最大值達到9 cm，位移最大區(qū)域與應力最大區(qū)域重合。

通過分析以上結論可以發(fā)現(xiàn)，初始應力在經(jīng)過調(diào)整后滑坡中下部和后緣存在應力集中，應力較大，且坡體位移最大處同樣位于應力集中部位，土體在該部位受到較大應力從而形成裂縫，這與現(xiàn)場調(diào)查坡體變形情況相吻合。同時坡腳處最大有效應力達到最小，因此坡腳處最容易發(fā)生破壞。

圖10 降雨2 h后坡體最大應力分布Fig.10 Distribution of maximum stress on slope after 2 hours of rainfall

圖11 降雨2 h后坡體最大有效應力分布Fig.11 Distribution of maximum effective stress on slope after 2 hours of rainfall

圖12 降雨2 h后坡體位移分布圖Fig.12 Distribution of slope displacement after 2 hours of rainfall

6 持續(xù)性降雨條件下變形破壞機制

1)由于坡體規(guī)模較大，物質(zhì)成分及應力狀態(tài)在分布上有較大差異，且在降雨過程中應力不斷調(diào)整[6]，在局部產(chǎn)生應力集中，導致坡體不同部位產(chǎn)生不同規(guī)模的拉張裂縫[7]，在降雨條件下，水進入裂縫中產(chǎn)生靜水壓力，垂直于裂縫的靜水壓力促進蠕變發(fā)展，同時由于水的沖刷作用導致裂縫逐漸向下擴展。

2)在降雨入滲過程中，滑帶孔隙水壓力逐漸增大，抗剪強度降低；降雨入滲過程中形成沿基巖面的徑流[8]，對滑帶土進行沖刷、軟化，降低其抗剪強度。

3)在坡腳處的有效應力在降雨過程中處于最小值，因此坡腳處土體強度較低，導致坡腳處可能會率先破壞，破壞面逐漸向后發(fā)展，與坡體內(nèi)的拉張裂縫貫通后，該部分滑塊失穩(wěn)滑動；當前部滑塊滑動后，后面滑塊失去阻擋導致后面滑塊相繼滑動，形成后退式滑坡也叫做牽引式滑坡[9]。

7 結語

1)堆積體滑坡是結構松散的第四系殘坡積物堆積于斜坡地形，坡體透水性好，降雨時雨水能快速入滲，增加坡體自重，降低土體力學強度指標，該類滑坡對降雨較敏感，降雨是誘發(fā)滑坡的主導因素。

2)在持續(xù)性降雨過程中，雨水沿巖土接觸面流動，浸潤、軟化了滑帶土，同時隨時間的持續(xù)，坡體內(nèi)的孔隙水壓力和剪應力分布明顯不均[10]，造成滑坡的失穩(wěn)破壞。

3)數(shù)值模擬過程中，只探究不同的持續(xù)時間坡體內(nèi)孔隙水壓力的變化引起的坡體應力重分布，忽略了一些其他因素，因此建立的模型為簡化模型，真實的情況往往較為復雜，本文旨在為研究降雨條件下的堆積體滑坡變形破壞機制提供參考。