帥紅巖， 趙晉乾

(1.湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430050; 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)

庫岸滑坡既有一般山地滑坡的共性,又有受水庫影響的特殊性[1],其水文地質(zhì)分布特征相應(yīng)具有一般性與特殊性,在觸發(fā)滑坡的諸多因素中扮演著最為重要角色[2],對分析滑坡成因、啟動機(jī)制、變形特征起到關(guān)鍵的作用。在水庫蓄水與降水雙重變量的影響下,地下水分布特征發(fā)生顯著的改變,打破了數(shù)萬年來大自然塑造的地質(zhì)環(huán)境平衡[3],易導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。許多學(xué)者通過軟件模擬計(jì)算降雨作用對滑坡穩(wěn)定性的影響,如張俊才等[4]、李軍等[5]、張龍飛等[6]利用Geostudio軟件建立了有限元滲流計(jì)算模型,采用SEEP/W和SLOPE/W模塊分析了降雨條件下的滲流特征和穩(wěn)定性,其中張龍飛等[6]進(jìn)一步定義并獲取了滑坡各處的降雨響應(yīng)因子與聯(lián)合響應(yīng)因子；靳遠(yuǎn)[7]采用GPS針對某大型滑坡體進(jìn)行長期監(jiān)測,利用Geo-slope結(jié)合降雨條件下實(shí)際滲流場,分析降雨作用下滑坡體的穩(wěn)定性變化規(guī)律；楊宗佶等[8]采用Brooks-Corey(BC)和Van Genuchten(VG)模型分別建立了降雨入滲吸濕過程的土—水特征曲線,并通過一維非飽和無限邊坡穩(wěn)定性分析模型對滑坡開展應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性分析。但以往對降雨條件下庫岸滑坡體內(nèi)地下水的時空分布特征與變形關(guān)系研究較少。因此,系統(tǒng)分析庫岸滑坡在降雨條件下地下水時空分布特征,對判定庫岸滑坡的穩(wěn)定性、啟動機(jī)制以及變形機(jī)制具有十分重要的意義。本文選取具有代表性的、浙江省體積最大的巖質(zhì)庫岸滑坡——鄰近金溫貨線鐵路特大型滑坡作為研究對象,以長達(dá)三年的地下水水位與降雨量的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)為支撐,統(tǒng)計(jì)分析其在降雨與庫水位共同影響下,滑坡體內(nèi)不同部位地下水空間和時間變化特征與降雨量的耦合關(guān)系,總結(jié)降雨性庫岸滑坡發(fā)育規(guī)律[9],為該類型滑坡穩(wěn)定性預(yù)測與治理提供技術(shù)支撐,具有較高參考價值。

1 工程概況

鄰近金溫貨線鐵路特大型山體滑坡地處浙江省麗水市,位于甌江干流大溪河右岸,左岸為G330國道,距離大溪河上游14 km、下游4.5 km分別建有一個中型水電站,滑坡體坡腳上方15 m處修建有一條地方Ⅰ級鐵路?；碌陌l(fā)育特征典型,總體地形呈“凸—平—陡”三級平臺狀(見圖1),平面形態(tài)呈扇形,兩側(cè)邊界發(fā)育同源沖溝,后緣呈封閉圈椅狀形態(tài),前緣已沒入大溪河水庫中,滑坡主滑方向約299°?；驴v長約510 m,庫水位以上約470 m,總面積約2×104m2；滑體厚度20～105 m,滑坡體總體積方量約1 100×104m3。

圖1 滑坡全貌與工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Landslide panorama and engineering geological plane map

1.1 地層巖性

自上而下將滑坡體劃分為2組巖土層,詳見圖2,具體描述如下：

圖2 滑坡主滑方向工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of landslide main sliding direction

(1) 崩坡積層分布于溝谷地段,巖性主要為粉質(zhì)黏土和碎(塊)石土,呈黃褐、褐黃色,角礫碎石含約15%,呈可塑狀,最大厚度5 m；溝谷可見大塊孤石,直徑最大可達(dá)5 m。

(2) 碎裂巖體。巖性為下白堊系(K1x)流紋巖、晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r,巖體結(jié)構(gòu)呈塊狀—碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu),張裂隙發(fā)育，巖體較為破碎,強(qiáng)—中風(fēng)化狀態(tài),厚20～100 m。

勘探平硐內(nèi)的滑帶土由全風(fēng)化層泥化經(jīng)擠壓錯動形成,其受凝灰?guī)r原巖成分影響,礦物成分多為片狀絹云母和粘土礦物,有較強(qiáng)的水解性和軟化,埋深30～105 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

滑坡位于華南褶皺系浙東南褶皺帶麗水—寧波隆起區(qū)之麗水?dāng)嘞菖璧氐臇|南側(cè),地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。陡峻的地形與復(fù)雜的構(gòu)造以及外部條件,決定了工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征的復(fù)雜性,對滑坡變形起到了控制性作用?；聟^(qū)的斷層和節(jié)理裂隙是滑坡形成的重要內(nèi)在條件,滑坡區(qū)存在4條斷層與1條大型節(jié)理密集帶以及多條小規(guī)模節(jié)理密集帶?；聟^(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布示意圖見圖3。

圖3 滑坡區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of geological structuredistribution of landslide area

2 水文地質(zhì)特征

巖質(zhì)滑坡變形破壞不僅取決于軟弱層面的產(chǎn)狀與力學(xué)性質(zhì),而且受滑坡中地下水的滑動控制[10]。研究滑坡區(qū)的水文地質(zhì)特征對研究滑坡的變形破壞尤為重要。

滑坡區(qū)位于次級分水嶺南側(cè)陡坡地段,匯水面積約為0.37 km2,地表水系由大溪河及沖溝組成。大溪河位于滑坡體坡腳,水庫蓄水后形成開闊的庫區(qū),為本區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面,正常蓄水位36.5 m,發(fā)電死水位36.0 m,汛期最高水位38 m?；聝蓚?cè)邊界沖溝,切割較深,為常流性溝谷,水量大小與降雨密切相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場長達(dá)3年觀測,流量為200～500 m3,西南側(cè)沖溝較東北側(cè)流量大?；w中部的沖溝屬季節(jié)性水流,一般下雨后7天基本斷流。

歷史上滑坡受多次噴出旋回的影響,滑體內(nèi)部各層巖土體的裂隙發(fā)育特征和滲透性差異很大,導(dǎo)致坡體內(nèi)的水文地質(zhì)特征在降雨與庫水位等外部環(huán)境變化下變得尤為復(fù)雜?；滤牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)主要為潛水[3],基巖裂隙水含水巖組為主要含水層?；w巖土層滲透系數(shù)在3.8×10-3～5×10-3m/s,為中透水層；滑帶與滑床為弱—不透水層。強(qiáng)降雨條件下地下水與地表水相互關(guān)系,詳見圖4,降雨沿滑坡體垂直入滲到滑面附近,地下水沿滑床頂面進(jìn)行運(yùn)移,在重力作用下排泄,致使地下水沿地下水水位線形成穩(wěn)定滲流,進(jìn)一步導(dǎo)致滑坡變形加劇。

圖4 滑坡區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)給示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydrogeological replenishment of landslide area

3 滑坡區(qū)降雨特征

滑坡位于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,年平均降雨量1 568.4 mm。一年中有80%的降雨出現(xiàn)在3—8月(見圖5)；第二季度最多,降雨量達(dá)到669.7 mm；第四季度最少,僅165.5 mm。對2005—2017年降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),最大年降雨量為1 959.4 mm(2016年),最大日降雨量為110.8 mm。

圖5 滑坡區(qū)2005—2017年降雨量特征圖Fig.5 Rainfall characteristics map of landslide area from 2005 to 2017

4 降雨與滑坡地下水空間分布關(guān)系研究

降雨是滑坡誘發(fā)因素中最普遍的一個,諸多國內(nèi)外學(xué)者在既定的自然環(huán)境條件下開展了降雨與滑坡之間相關(guān)關(guān)系的研究工作[11-12],并在滑坡預(yù)測方面獲得明顯成果[11,13]。降雨誘發(fā)滑坡的作用機(jī)理[14]可以歸納為四點(diǎn)：①降低基質(zhì)吸力;②提升地下水位;③浸潤軟化坡體;④沖蝕坡體坡面。

對于這種結(jié)構(gòu)松散、孔隙比大、透水性強(qiáng)的滑坡體,降雨由滑體的表面裂縫進(jìn)入滑體內(nèi)部,到達(dá)相對不透水的基巖面后會形成滯水,使滑帶力學(xué)性質(zhì)下降,并產(chǎn)生動態(tài)的上浮力和順坡向的動態(tài)擴(kuò)張力,促使坡體變形加劇,進(jìn)而發(fā)生滑坡?？傊?降雨型滑坡的觸發(fā)機(jī)制即通過增加滑動面剪應(yīng)力,降低滑帶抗剪強(qiáng)度來誘發(fā)滑坡[15],掌握潛滑體所處水文地質(zhì)環(huán)境條件對這類滑坡的預(yù)測預(yù)防具有非常重要的意義。

滑坡體在自動化監(jiān)測期間共發(fā)生4次加速變形,4次加速變形對應(yīng)4次強(qiáng)降雨與持續(xù)降雨(見表1)。

表1 滑坡加速變形階段的降雨量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of rainfall in accelerated deformation stage of landslide

滑坡體地下水水位受大氣降雨與大溪河水庫水位雙重影響,大溪河水庫水位變化較小,最大幅度約2 m,控制滑坡前緣地下水的基準(zhǔn)線?；轮泻缶壍牡叵滤恢饕芙涤暧绊?連續(xù)降雨與強(qiáng)降雨導(dǎo)致地下水水位上升明顯,水位變化幅度在5～15 m。本文選取典型水文斷面2-2′(見圖1)對降雨量與地下水水位實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),考慮地下水滲透滯后性,分析降雨與滑坡不同部位的地下水分布特征的相關(guān)時空關(guān)系,進(jìn)一步確立不同的降雨條件下滑坡地下水水位特征,為滑坡變形機(jī)理研究與穩(wěn)定性分析提供可靠水文地質(zhì)模型。

4.1 前緣

SW2-2水文孔(利用鉆孔ZK2-2)位于滑坡前緣坡腳。滑坡體前緣部分潛在滑動面處于甌江水位以下,前緣巖體為強(qiáng)風(fēng)化,地表水與地下水聯(lián)通,較高的河流水位影響了滑坡體地下水的排泄方式,受大溪河水位標(biāo)高控制,前緣地下水標(biāo)高基本與大溪河水位一致。從圖6可以看出，滑坡前緣地下水水位(曲線)在任何時段始終高于滑面標(biāo)高,但是在強(qiáng)降雨與持續(xù)降雨階段(紫色柱體),鉆孔地下水位均隨著降雨時長與強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)先升后降的不同形態(tài)的曲線變化,水位的峰值較降雨量峰值延遲,地下水水位變化幅度較小,最大水位超過正常水位(36.5 m)約1.5 m。

圖6 SW2-2水文孔地下水水位與降雨量關(guān)系曲線圖Fig.6 Curve of relationship between groundwater leveland rainfall volume of hydrological hole SW2-2

水文孔SW2-3(利用鉆孔ZK2-2)位于滑坡前緣山坡上,從圖7可知,該孔水位變化受大氣降雨補(bǔ)給影響較大。滑坡前緣地下水水位(曲線)在非汛期(每年9月—次年3月)始終低于滑面約1 m；但是在強(qiáng)降雨與持續(xù)降雨階段(紫色柱體),地下水水位均高于滑帶,整個滑帶土浸潤于地下水中,水位均呈現(xiàn)先升后降的曲線變化。

圖7 SW2-3水文孔地下水水位與降雨強(qiáng)度、時長關(guān)系曲線圖Fig.7 Curve of relationship between groundwater level，rainfall intensity andduration of hydrological hole SW2-3

水位上升段斜率與雨量強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系,雨量強(qiáng)度大,曲線表現(xiàn)為陡傾狀態(tài),此時代表曲線上升速度的斜率就越大；雨量強(qiáng)度小的時候,曲線表現(xiàn)為緩傾狀態(tài),此時代表曲線上升速度的斜率就越小。上升段時長與降雨時長存在正相關(guān)關(guān)系,降雨持續(xù)時間長,上升段的持續(xù)時間相應(yīng)變長；降雨持續(xù)時間短的時候,上升段表現(xiàn)為持續(xù)時間相應(yīng)變短。

水位下降段斜率與上升段對應(yīng)的降雨峰值強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系,與兩次降雨間隔時間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,峰值強(qiáng)度越大,間隔時間越短,曲線表現(xiàn)為陡傾狀態(tài),此時代表曲線下降速度的斜率就越大；峰值強(qiáng)度越小,間隔時間越長,曲線表現(xiàn)為緩傾狀態(tài),此時代表曲線下降速度的斜率就越小。

綜合分析,降雨強(qiáng)度越大,水位峰值越大,曲線振幅也就越大；降雨持續(xù)時間越長,地下水水位越過滑帶的時間越長,曲線的變化幅度也就越大。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,降雨強(qiáng)度≤30 mm/d,地下水水位不會越過滑帶。強(qiáng)降雨停止一段時間后,地下水恢復(fù)到非汛期時常規(guī)水位,地下水水位位于整個滑帶土之下。

4.2 中部

滑坡中后緣的地下水水位變化特征通過位于中后緣水文孔SW2-5(利用鉆孔ZK2-5)的水位實(shí)測數(shù)據(jù)反映,圖8揭示非強(qiáng)降雨或非連續(xù)降雨階段,在滑坡體深度范圍內(nèi)存在常水位,水位低于滑面1～2 m(與滑床劈理發(fā)育影響帶厚度一致)；但是在強(qiáng)降雨或連續(xù)降雨階段(紫色柱體),地下水水位會高于滑面,滑帶土浸潤于地下水中,水位均呈現(xiàn)正態(tài)曲線變化,先升高后降低；強(qiáng)降雨停止一段時間后,地下水恢復(fù)到非汛期時常規(guī)水位,地下水水位位于整個滑帶土之下。

圖8 SW2-5水文孔地下水水位與降雨量關(guān)系曲線圖Fig.8 Curve of relationship between groundwater level andrainfall volume of hydrological hole SW2-5

滑坡中部與滑坡中前緣地下水對比分析：①在非汛期階段,地下水水位均位于滑面之下,前緣地下水水位較中部更靠近滑面；②在強(qiáng)降雨與持續(xù)性降雨階段,地下水水位均位于滑面之上,但是水位高于滑面持續(xù)時間,滑坡中部較后緣更短一些；③根據(jù)2017年9月9日地下水水位與降雨量關(guān)系分析,該滑坡特殊地貌“陡—平—凸”特征導(dǎo)致滑坡陡峭的下緣與中部平臺地表徑流條件明顯不同,下緣的徑流系數(shù)遠(yuǎn)大于中部的,反之中部的入滲系數(shù)明顯高于下緣的,因此短時間強(qiáng)降雨對滑坡中部地下水影響要明顯強(qiáng)于前緣。

4.3 后緣

滑坡后緣的地下水水位變化特征通過位于滑坡后緣邊界處水文孔SW2-7(利用鉆孔ZK2-7,該孔位于后緣裂縫的外側(cè))的水位實(shí)測數(shù)據(jù)反映。該孔下部15 m揭示基巖呈微風(fēng)化狀態(tài),裂隙不發(fā)育；上部為強(qiáng)風(fēng)化—全風(fēng)化地層,屬于滑坡后緣拉張影響帶,基巖裂隙發(fā)育,地下水水位主要賦存于基巖裂隙中,地下水水位主要受降雨入滲補(bǔ)給。圖9揭示非強(qiáng)降雨與非連續(xù)降雨階段,滑坡后緣地下水水位線呈近乎水平直線,波動小。在強(qiáng)降雨與連續(xù)降雨階段(紫色柱體),地下水水位變化受降雨影響敏感性強(qiáng),曲線呈陡傾上升與降低,當(dāng)降雨量達(dá)到30 mm/d,水位急劇上升,升高幅度3～13 m,隨著降雨強(qiáng)度變大,上升幅度越大；當(dāng)降雨開始停止時,地下水水位在1天左右迅速恢復(fù)至常水位。

圖9 SW2-7水文孔地下水水位與降雨量關(guān)系曲線圖Fig.9 Curve of relationship between groundwater leveland rainfall volume of hydrological hole SW2-7

4.4 小結(jié)

綜合分析SW2-2、SW2-3、SW2-5、SW2-7四個水文孔的地下水水位隨降雨量曲線變化關(guān)系,對比總結(jié)四孔地下水之間與降雨量關(guān)系(圖10),應(yīng)具備以下變化特征：

圖10 2-2′斷面不同水文鉆孔中地下水水位與降雨量關(guān)系圖Fig.10 Relationship between underground water level and rainfall volumein different hydrological boreholes of 2-2′ section

在非強(qiáng)降雨與非持續(xù)性降雨階段：①位于滑坡前緣中部SW2-3孔地下水位,受降雨與前緣庫水位(水位基本穩(wěn)定在36.5 m)的雙重限制條件影響,水位變化敏感,變化幅度較大,峰值達(dá)到4 m；②位于滑坡前緣SW2-2孔地下水水位與水庫水位聯(lián)系緊密,與大溪河水位基本保持一致,變化幅度最小,變化幅度主要受庫水水位微弱的升降影響；③位于滑坡中部SW2-5孔地下水水位基本穩(wěn)定,為整個水位弧線的平衡點(diǎn),變化幅度小,基本維持在0.5 m,局部水位變化受降雨特征影響,基本不受庫水位變化影響。

在強(qiáng)降雨與持續(xù)性降雨階段：①位于滑坡前緣中部SW2-2孔地下水位,主要受庫水位(水位為36.5 m)的影響,波動較?。虎谖挥诨虑熬壷胁縎W2-3孔地下水水位,主要受庫水位(水位基本穩(wěn)定在36.5 m)與降雨的雙重控制,低值主要受庫水位控制,與庫水位連通為一條平緩弧曲線,高值受降雨強(qiáng)度與時間影響,波動幅度較大；③位于滑坡中部SW2-5孔地下水水位基本穩(wěn)定,變化幅度小,基本維持在0.5 m,作為整個斷面的地下水水位線的動態(tài)平衡點(diǎn),受庫水位變化與降雨特征的雙重影響,水位變化幅度最?。虎芪挥诨潞缶壨鈧?cè)SW2-7孔地下水水位受降雨強(qiáng)度影響敏感,地下水水位變化值最大,是斷面地下水水位線的最高點(diǎn),控制水位線傾斜角度,對滑坡的地下水水位變化空間特征起到?jīng)Q定性作用。

5 降雨與滑坡地下水時間關(guān)系研究

綜上所述,總結(jié)了四次加速變形對應(yīng)強(qiáng)降雨與持續(xù)性降雨階段地下水升降的時間關(guān)系曲線,揭示在降雨持續(xù)期間,位于滑坡不同部位的SW2-2、SW2-3、SW2-5、SW2-7的地下水水位上升具有同步性與一致性,時間相差較小(見圖10紅線),但每孔水位上升斜率差別很大,越到后緣,上升速度越快。在強(qiáng)降雨或持續(xù)性降雨停止后,地下水逐漸消散,各個部位地下水水位恢復(fù)常水位時間存在較大的差異性,ZK2-7孔地下水水位的下降曲線呈“上陡下緩”折線,較SW2-5、SW2-3地下水水位先下降,下降綜合斜率也最大,但是其下降時間也是最長的,一般在降雨停止后10天恢復(fù)至常水位；SW2-3孔地下水位的下降曲線最為平緩,恢復(fù)至常水位時間也是最短,具有控制點(diǎn)的特征。

6 結(jié)論

本文通過對典型水文斷面2-2′降雨量與地下水水位實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,對降雨條件下的庫岸滑坡的地下水水位的時空分布特征總結(jié)如下：

(1) 強(qiáng)降雨和持續(xù)性降雨與地下水變化的空間分布特征。

① 滑坡體地下水水位時空分布特征受大氣降雨與大溪河水庫水位雙重影響,前緣主要受庫水位影響,后緣主要受降雨強(qiáng)度與持續(xù)時間影響,中部存在一個受庫水位與降雨兩種條件影響下的動態(tài)平衡點(diǎn),地下水水位曲線呈以平衡點(diǎn)為基點(diǎn)的弧形曲線,降雨強(qiáng)度與庫水位為曲線兩端的控制點(diǎn)。

② 在非汛期,滑坡前緣滑帶土位于地下水水位之下,中后緣滑帶土位于地下水水位之上,越靠近后緣地下水常水位距離滑面越遠(yuǎn)；在強(qiáng)降雨與連續(xù)降雨時段,滑帶土均位于地下水水位之下,滑帶土完全浸潤于地下水中。

③ 在汛期(強(qiáng)降雨與持續(xù)性降雨階段),大溪河水庫水位變化較小,最大幅度約2 m,控制滑坡前緣地下水的浸潤線；降雨對滑坡中部、中后緣中地下水水位變化量影響大于前緣,越到后緣,降雨導(dǎo)致地下水水位上升幅度越大,越到前緣越低。

(2) 強(qiáng)降雨和持續(xù)性降雨與地下水變化的時間分布特征。

① 降雨持續(xù)期間,位于滑坡不同部位的地下水水位上升具有同步性與一致性,時間相差較小,但每孔水位上升斜率差別很大,越到后緣,上升速度越快,時間也越短。

② 在強(qiáng)降雨或持續(xù)性降雨停止后,各個部位地下水水位恢復(fù)常水位時間存在較大的差異性,下降曲線呈“上陡下緩”折線,越到后緣,下降綜合斜率越大,持續(xù)時間也越長,一般在降雨停止后10天恢復(fù)至常水位；滑坡中部平衡點(diǎn)恢復(fù)至常水位時間也是最短,具有控制點(diǎn)的特征。