王建洪， 田 明， 鄒云麗， 王 進， 付曉東

(1.云南大永高速公路有限公司， 云南 大理 671000；2.云南省交通投資建設集團有限公司， 云南 昆明 650200； 3.成都興城建設管理有限公司， 四川 成都 610011；4.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

云南是我國滑坡地質災害最嚴重的省份之一。云南之所以地質災害活動頻繁，是因為在漫長的地質演化過程中，地殼大幅度抬升，形成了群山起伏、江河深嵌、斜坡高陡的地貌特點，使得該地區(qū)成為地質災害孕育的理想場所[1]。大量文獻曾報道，降雨作用下該地區(qū)的欠穩(wěn)定坡體極易演化為地質災害[2-4]。

國內外學者通過原位監(jiān)測、模型試驗和數(shù)值模擬等手段分析了降雨過程中邊坡的力學響應規(guī)律，研究了邊坡失穩(wěn)力學機理[5-7]。詹良通等[8]對非飽和膨脹土邊坡進行了原位人工降雨試驗和綜合監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)降雨使淺層土體含水率大幅度增大，基質吸力降低，從而造成土體強度降低，水平應力和豎向應力的比值接近極限值。Okura等[9]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)降雨導致邊坡孔隙水壓力的上升是誘發(fā)滑坡的主要原因。田海等[10]采用新型介質霧化噴嘴離心場降雨模擬設備開展了松散堆積體邊坡試驗，指出隨降雨量的增大，邊坡頂部沉降及坡面水平位移逐漸發(fā)展，坡面逐層產(chǎn)生破壞，最終形成泥石流形態(tài)。戚國慶等[11]和榮冠等[12]運用有限元方法開發(fā)了邊坡非飽和滲流計算程序，并研究了降雨作用下滑坡基質吸力和暫態(tài)飽和區(qū)的響應規(guī)律。劉禮領等[13]和吳火珍等[14]都運用GeoStudio軟件對降雨作用下的滑坡響應過程進行了研究，獲得了有益的結論，但目前對降雨作用下的滑坡響應規(guī)律研究缺乏系統(tǒng)性。

由于云南地區(qū)降雨條件的復雜性和獨特性，使得邊坡失穩(wěn)力學機理具有其自身的特殊性。針對云南地區(qū)具有代表性的堆積體邊坡，在分析云南地區(qū)降雨特征的基礎上，采用GeoStudio軟件的SEEP/W、Sigma/W模塊開展飽和非飽和滲流-應力非耦合分析，模擬了均勻與波動性降雨下邊坡的響應過程，揭示了降雨誘發(fā)堆積體邊坡失穩(wěn)的力學機理。

1 典型滑坡與降雨的相關性

通過對21世紀以來云南地區(qū)29起典型滑坡地質災害的調查，基于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集對災害發(fā)生當天及前9天內每天的降雨量進行了統(tǒng)計分析。根據(jù)中國氣象局根據(jù)不同的日降雨量發(fā)布了的降雨類型標準(見表1)，對9天內的降雨類型進行分類，研究滑坡與降雨之間的關系。

表1 不同雨型的日降雨量

圖1統(tǒng)計了滑坡發(fā)生前9天內每天的降雨類型，小雨和無雨在滑坡發(fā)生前的4 d～9 d內出現(xiàn)的比例相對較高，合計比例約占所有滑坡數(shù)量的80%。中雨及其以上降雨在滑坡發(fā)生前1 d～3 d內出現(xiàn)的比例相對于后幾天來說，有所提高，約為30%。由此說明，滑坡發(fā)生前的降雨以無雨和小雨為主，中雨及其以上降雨發(fā)生的概率在滑坡發(fā)生前1 d～3 d內有所提高，在滑坡發(fā)生當天最高，上升為52%。

圖1 滑坡發(fā)生前每天的降雨統(tǒng)計

分析滑坡當天及前9天內的降雨情況，從滑坡發(fā)生的時間看，有86%的滑坡發(fā)生在雨季；從滑坡發(fā)生當天的降雨情況看，僅有10%的滑坡發(fā)生當天未下雨，有超過50%的滑坡當天下了中雨及以上級別的雨；從滑坡發(fā)生前的降雨天數(shù)看，所有滑坡在前9 d內都出現(xiàn)了4 d以上的降雨，有55%的滑坡出現(xiàn)了4天連續(xù)降雨的情況；從前9天的雨型看，滑坡發(fā)生前4 d～9 d內，以無雨或小于為主，前1 d～3 d內，中雨及以上級別降雨的概率上升為30%，當天降雨上升為52%。上述分析表明，降雨是引發(fā)云南地區(qū)滑坡的主要因素之一，滑坡的發(fā)生是前期降雨和當天降雨共同作用的結果。

2 云南地區(qū)的降雨特征

西部橫斷山區(qū)是云南省降雨引發(fā)型滑坡的典型發(fā)育區(qū)，選取麗江、香格里拉兩個氣象站在2010年—2014年的逐日降雨量進行統(tǒng)計分析，一次極端降雨事件(大雨或暴雨)的持續(xù)時間為2 d～16 d，累積降雨量為34.4 mm～223.1 mm。

一次降雨事件的雨量分布統(tǒng)計表明該區(qū)的降雨時程由一次或多次中雨以上的降雨與若干次小雨組成，中雨以上的降雨在降雨事件中多為峰值，按照峰值的數(shù)量，可將降雨事件分為多值型和單值型，分別見圖2、圖3。多值型的主要特征為降雨時程曲線多次取得局部峰值；單值型的主要特征為降雨時程曲線只存在一次峰值，其他時間降雨量向峰值兩側逐漸減小。兩地共發(fā)生極端降雨事件24次，其中單值型降雨事件13次，占全部極端降雨事件的57%，所有單值型的降雨事件持續(xù)時間都在7 d以下；多值型降雨事件11次，其中持續(xù)時間在7 d以上的共10次，占全部單值型降雨事件的90%。因此，研究區(qū)的極端降雨類型主要為單值型和多值型，單值型降雨事件的持續(xù)時間一般小于7 d，而多值型降雨事件的持續(xù)時間一般大于7 d。

圖2 多值型降雨類型的時程曲線

圖3 單值型降雨類型的時程曲線

3 降雨誘發(fā)堆積體邊坡失穩(wěn)機理

3.1 分析模型與降雨工況

云南省降雨型滑坡地質災害的調查統(tǒng)計表明，災害易發(fā)于第四系松散堆積物較厚的區(qū)域，結構松散，以粉質黏土夾碎石為主要成分，稱之為碎石土。根據(jù)該特點，建立了圖4的數(shù)值分析模型，x方向的范圍為0 m～35 m，y方向的范圍為0 m～20 m，坡度為45°；模型上部為碎石土，下部為基巖。模擬采用GeoStudio軟件，碎石土的土水特征曲線和滲透性函數(shù)曲線采用Fredlund-Xing模型；上覆堆積體基質吸力初始值為50 kPa。進行滲流分析時，坡體左右兩邊和底邊為不透水邊界，坡面為流量邊界，流量大小受降雨強度函數(shù)控制，見圖5，降雨工況采用均勻型、單值型與多值型三種降雨模式的，研究波動性對降雨誘發(fā)滑坡的影響。

圖4 堆積體邊坡的概化模型

圖5 降雨時程曲線

3.2 計算結果分析

3.2.1 滲流

圖6給出了深度0.2 m、2.2 m、4.2 m處滲流速度隨時間的變化曲線。0.2 m處，在整個降雨過程中，均勻型降雨的流速曲線變化較平緩，單值型降雨的流速曲線呈現(xiàn)先增大后減小的單峰值特征，多值型降雨的流速曲線則波動出現(xiàn)了三次峰值，與降雨時程曲線變化規(guī)律一致；滲流均在24 h時發(fā)生，發(fā)生時單值型和多值型的流速相同，小于均勻型的情況，滲流在216 h時基本結束。最大流速出現(xiàn)在96 h時，單值型略大于多值型，而均勻型最小。2.2 m處，均勻型降雨滲流發(fā)生在72 h時，而對于單值型和多值型降雨，滲流則出現(xiàn)在96 h時，晚于均勻型降雨；對于單值型和多值型降雨，峰值流速出現(xiàn)在120 h，單值型略大于多值型，相對于0.2 m處的峰值要小的多，而均勻型降雨的峰值出現(xiàn)在144 h，峰值較多值型降雨小。4.2 m處三種降雨類型的滲流速度曲線形狀趨于一致，由棱角向圓滑變化的趨勢。對于滲流出現(xiàn)的時間，單值型和多值型出現(xiàn)在144 h，而均勻型則出現(xiàn)在168 h。

圖6 不同深度滲流速度隨時間的變化

綜上，從流速曲線形狀的變化及峰值的大小可以發(fā)現(xiàn)，流速曲線與降雨過程曲線吻合度隨深度的增加而降低，流速的峰值隨著深度的增加也在被削弱，因此，說明降雨模式對于邊坡滲流場流速的影響隨深度的增加而降低。從滲流發(fā)生時間的差異來看，隨著深度的增加，滲流場由同時發(fā)生變?yōu)榫鶆蛐拖劝l(fā)生，反轉為單值型和多值型先發(fā)生，因此，說明雨型對滲流場的發(fā)展速度有一定的影響，均勻型對滲流場的淺層擴散速度有明顯的促進作用，單值型和多值型對于滲流場的深層擴散有明顯的擴散作用。

3.2.2 基質吸力

通過研究不同降雨模式下基質吸力隨深度和時間的變化曲線發(fā)現(xiàn)，均勻型降雨作用下，受影響土體基質吸力變?yōu)?.3 kPa并且在整個降雨過程中維持不變，隨著降雨的結束，8 d時，2.2 m范圍內的土體由于雨水的停止供給和自由水的流失，基質吸力開始逐步恢復。單值型降雨作用下，表層土體含水率不斷升高，基質吸力降低，到第4天結束時，1 m范圍內的土體基質吸力將至最低值4.6 kPa，此時，降雨峰值已結束。隨著降雨的繼續(xù)，濕潤鋒繼續(xù)下移，深部土體的基質吸力繼續(xù)降低，降低幅度沒有之前大，雖然此時降雨仍在繼續(xù)，但淺層的土體的基質吸力在逐步恢復，第7天降雨結束時，0.2 m處土體的基質吸力已恢復致7.9 kPa，4.7 m處土體的基質吸力也為7.1 kPa。多值型降雨作用下，一定范圍土體的基質吸力隨降雨的波動發(fā)生明顯的波動，降雨強度增加時，基質吸力降低，降雨強度降低時，基質吸力增加，但影響深度有限。

3.2.3 位移

圖7繪制了不同時刻邊坡不同深度的位移曲線。可見第2天結束時，均勻型的位移值較大，而在第7天和第10天結束時，單值型和多值型的位移已遠超均勻型，且多值型的變形量最大。

圖7 不同降雨模式下的邊坡位移曲線

塑性區(qū)是判斷邊坡失穩(wěn)最直觀的依據(jù)，通過觀測邊坡在降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律，圖8—圖10分別繪制了均勻型、單值型與多值型三種降雨模式下邊坡的塑性區(qū)發(fā)展。單值型降雨僅在坡腳位置發(fā)生微量塑性區(qū)，單值型降雨在77.5 h時，坡腳已完全進入塑性狀態(tài)，91.5 h時，塑性區(qū)基本沿滑面貫通。多值型降雨在68.5 h時，坡腳已完全進入塑性狀態(tài)，早于單值型降雨，同樣在80 h時塑性區(qū)基本沿滑面貫通，同樣早于單值型降雨。

圖8 均勻性降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展

圖9 單值型降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展

圖10 多值型降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展

4 結 論

(1) 滑坡的發(fā)生是前期降雨和當日降雨共同作用的結果，云南地區(qū)降雨具有多值型和單值型特征。

(2) 通過均勻型、單值型與多值型降雨條件下堆積體邊坡的力學響應分析，揭示了波動性對降雨誘發(fā)滑坡的影響機制：波動性降雨的影響范圍大，坡腳的應力集中程度高，更容易導致滑坡的發(fā)生；多值型降雨比單值型降雨影響范圍更廣，形成的滑面更深，邊坡塑性發(fā)展階段產(chǎn)生的位移更大，降雨誘發(fā)滑坡所需的時間更短。

(3) 降雨致滑機理可以歸納為：雨水入滲使得碎石土飽和，基質吸力降低；坡內應力狀態(tài)調整，坡腳出現(xiàn)剪應力集中現(xiàn)象；剪應力的增加造成土體屈服，使得坡腳土體進入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生較大的塑性變形；隨著坡腳土體的破壞，滑坡前緣阻滑能力喪失，造成塑性區(qū)不斷向上發(fā)展；當塑性區(qū)貫通后，滑動面形成，發(fā)生失穩(wěn)破壞。