周英博 柴少波 周秋鵬 段志強(qiáng) 王 進(jìn)

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖北武漢 430077；2.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西西安 710064；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢 430071）

0 引言

降雨作為滑坡的直接誘發(fā)因素，其自身特征的差異會對滑坡的失穩(wěn)破壞過程造成影響。目前，眾多學(xué)者主要從降雨強(qiáng)度、累積降雨量和降雨持續(xù)時間三個方面分別研究降雨特征的影響。Alonso等[1]通過穩(wěn)定性計算研究了降雨強(qiáng)度與累積降雨量對滑坡的影響。劉建華等[2]、Chen等[3]基于有限元法模擬了降雨入滲邊坡的過程，認(rèn)為降雨強(qiáng)度和降雨持時對邊坡穩(wěn)定性影響最為顯著。吳宏偉等[4]對香港典型土坡進(jìn)行了二維有限元入滲模擬，計算了降雨過程中安全系數(shù)的變化，研究了降雨強(qiáng)度和降雨持時的影響，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力隨降雨強(qiáng)度的增大下降越為明顯；相同降雨時長條件下，邊坡安全性隨降雨強(qiáng)度增大而降低。降雨特征參數(shù)僅是對一次降雨事件的簡化，一些學(xué)者通過對降雨歷史資料的分析，提出了簡化的降雨模型，并對不同降雨模型對滑坡的影響進(jìn)行了研究。Ng等[5]、Tsai等[6]提出了降雨模型并應(yīng)用于非飽和邊坡降雨響應(yīng)分析。邱戰(zhàn)洪等[7]、張社榮等[8]采用數(shù)值模擬的方法研究了上述降雨模型作用下邊坡的失穩(wěn)過程，發(fā)現(xiàn)降雨雨型會對邊坡孔壓的時空演化、變形響應(yīng)、安全系數(shù)等造成影響。范秋雁等[9]提出了連續(xù)降雨和濕-干循環(huán)兩類降雨模式并進(jìn)行了模型試驗，研究了不同模式下邊坡的變形情況。崔 云等[10]對重慶黔江流水灣滑坡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了數(shù)月的干旱少雨條件后，突發(fā)強(qiáng)降雨更易于激發(fā)滑坡，結(jié)果表明前期降雨對滑坡有一定的影響。巨昆侖等[11]通過模型試驗手段，研究了長期干旱背景下降雨型松散堆積體滑坡機(jī)理。

目前，針對降雨特征對滑坡失穩(wěn)影響的研究主要從降雨的單一參數(shù)入手，眾所周知，降雨誘發(fā)滑坡不僅受到當(dāng)日降雨的作用，還受到前期降雨的影響，是十分復(fù)雜的過程，僅靠對單一參數(shù)的影響研究不能很好地反映一次降雨的實際過程。本文在西南某地實際降雨資料分析的基礎(chǔ)上，針對區(qū)域降水特點，建立了能夠表達(dá)宏觀降雨過程的降雨模型，并進(jìn)行基于該模型的數(shù)值模擬分析，對干濕分明情況下降雨誘發(fā)滑坡的演化過程進(jìn)行了對比研究。

1 滑坡地區(qū)降雨的特征及其相關(guān)性

調(diào)查發(fā)現(xiàn)降雨引發(fā)型滑坡是鄂西地區(qū)滑坡的主要類型。選取巴東、秭歸兩個地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過對兩地在2010?2014年的逐日降雨量分析發(fā)現(xiàn)：這兩個地區(qū)降雨較為集中，雨季（5?9月）降雨量占全年總降雨量比重分別為80%以上和75%以上（見圖1）。上述結(jié)果說明該地區(qū)降雨主要集中在雨季，兩地形成了干濕分明的降水分布規(guī)律。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)滑坡崩塌在 5?8月間發(fā)生最多，占總數(shù)的52.33%。且災(zāi)害發(fā)生時間相比降雨時間具有一定的滯后性，絕大多數(shù)滑坡在前9日內(nèi)都出現(xiàn)了4天以上的降雨。因此，可以判定滑坡的發(fā)生是前期降雨和當(dāng)日降雨共同作用的結(jié)果，對鄂西地區(qū)干濕分明情況下滑坡演化過程的研究十分必要。

圖1 雨季雨量占全年降雨量的比例

2 分析模型與降雨工況

鄂西地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計表明，災(zāi)害易發(fā)于堆積物較厚的區(qū)域，結(jié)構(gòu)松散，以碎石土為主要成分。根據(jù)該特點，建立了x方向的范圍為0～35 m，y方向的范圍為0 ～20 m，坡度為45°，上部為碎石土，下部為基巖的數(shù)值模型（見圖2）。

圖2 堆積體邊坡的概化模型

在土的強(qiáng)度特性中，碎石土和基巖的本構(gòu)關(guān)系均采用理想彈塑性模型來描述，屈服準(zhǔn)則均采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。碎石土是粉質(zhì)黏土夾碎石，除了滲透性以外，其物理力學(xué)參數(shù)按照粉質(zhì)黏土處理，這是因為碎石的存在增加了堆積黏土的滲透能力，使得碎石土的滲透性由低滲透性變?yōu)橹械葷B透性。經(jīng)過對碎石土進(jìn)行的直剪試驗，獲得了碎石土的天然重度為19.8 kN/m3，天然狀態(tài)下此類巖土體的黏聚力為30～38 kPa，內(nèi)摩擦角為21°～25°，取各參數(shù)的中間值作為碎石土的強(qiáng)度參數(shù)。彈性模量和泊松比可通過粉質(zhì)黏土的經(jīng)驗參數(shù)獲得。因為本次計算主要關(guān)心降雨對上覆碎石土的影響，故下覆基巖的力學(xué)參數(shù)取自巖體的經(jīng)驗參數(shù)，且在滲流計算中，將滲透系數(shù)設(shè)定為低滲透性，按飽和土考慮，在變形計算中，按照線彈性材料考慮。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)表

模擬采用Geo-Studio軟件，碎石土的土水特征曲線和滲透性函數(shù)曲線采用Fredlund and Xing模型進(jìn)行擬合；上覆堆積體基質(zhì)吸力初始值為50 kPa。進(jìn)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。此外，流量大小受降雨強(qiáng)度函數(shù)控制，降雨函數(shù)分為兩階段，共計36 h，降雨12 h，雨停24 h，其中，前12 h的降雨強(qiáng)度為0.005 m/h，累積降雨量為0.06 m，與鄂西地區(qū)實測最大降雨強(qiáng)度58.1 mm/d保持一致（見圖3）。

圖3 降雨時程曲線

分別對連續(xù)15日未受降雨作用土樣和連續(xù)降雨4天后的土樣進(jìn)行基質(zhì)吸力測定，得到基質(zhì)吸力的范圍分別為78～117 kPa和13～26 kPa。因此在模擬分析時將初始基質(zhì)吸力設(shè)置為較高吸力值（100 kPa）來模擬邊坡經(jīng)過長期干旱作用后的狀態(tài)，設(shè)置較低吸力值（20 kPa）來模擬邊坡經(jīng)過未經(jīng)歷長期干旱作用后的狀態(tài)。

3 滲流結(jié)果分析

經(jīng)歷長期干旱作用的滑坡在不同降雨持續(xù)條件下的滲流矢量變化見圖4。由圖可見，當(dāng)降雨發(fā)生1.2 h時，已經(jīng)產(chǎn)生了指向坡內(nèi)的滲流矢量。當(dāng)降雨發(fā)生12 h時，滲流區(qū)域隨時間的發(fā)展不斷擴(kuò)大。當(dāng)降雨發(fā)生36 h時，滲流場有繼續(xù)向坡體內(nèi)部擴(kuò)展的趨勢。通過對同一時刻（24 h）不同初始條件下濕潤鋒處滲流矢量長度的對比見圖5，經(jīng)歷干旱作用的坡體其矢量長度明顯大于未經(jīng)歷干旱的情況。由此說明，長期干旱作用可以使得降雨向坡體更深處入滲。

圖4 經(jīng)歷干旱作用辺坡在不同降雨條件下的滑坡滲流矢量圖

圖5 不同初始條件下降雨發(fā)生24 h滑坡滲流矢量圖

4 滑坡地區(qū)降雨的特征及其相關(guān)性

4.1 基質(zhì)吸力

經(jīng)歷長期干旱作用的滑坡在降雨過程及結(jié)束后基質(zhì)吸力隨時間的分布云圖變化如圖6（a、b、c）所示。由圖可見，隨著時間進(jìn)行，基質(zhì)吸力影響區(qū)不斷由表層向坡體內(nèi)部擴(kuò)展。同一時刻（36 h）不同初始條件下濕潤鋒處滲流矢量長度的對比見圖6（c、d），可見濕潤鋒處的等值線密度存在較大差異。與未經(jīng)歷長期干旱的邊坡相比，經(jīng)歷長期干旱的邊坡，等值線較密集，說明初始吸力越大，濕潤鋒處的基質(zhì)勢梯度越大。且基質(zhì)吸力變化影響區(qū)域的范圍明顯更大，濕潤鋒依然完整，局部形成了一定范圍的暫態(tài)飽和區(qū)，存在繼續(xù)擴(kuò)展運(yùn)移的可能。

圖6 不同條件下的部分基質(zhì)吸力云圖

在坡體的不同深度處設(shè)置一排監(jiān)測點，監(jiān)測不同初始條件下坡體基質(zhì)吸力的數(shù)值變化，可獲得不同深度基質(zhì)吸力隨時間的變化曲線（見圖7）?？傮w來說，濕潤鋒會隨時間而不斷向坡內(nèi)深入。未經(jīng)歷干旱條件下，濕潤鋒在7.2 h時運(yùn)移至1 m處，在24 h時運(yùn)移至1.8 m處，在36 h時運(yùn)移至2.2 m處；經(jīng)歷干旱條件下，濕潤鋒在7.2 h時運(yùn)移至1 m處，在24 h時運(yùn)移至2.2 m處，在36 h時運(yùn)移至3.8 m處。對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷長期干旱的邊坡，受降雨影響的基質(zhì)吸力變化范圍比未經(jīng)歷長期干旱的邊坡的變化范圍更大。

圖7 不同深度基質(zhì)吸力隨時間的變化曲線

4.2 剪應(yīng)力

經(jīng)歷長期干旱作用的滑坡在降雨已開始時（1.2 h）、降雨停止時（12 h）和降雨結(jié)束后（36 h）的剪應(yīng)力分布如圖8（a、b、c）所示。由圖可見，隨著時間進(jìn)行，坡面表層處的剪應(yīng)力不斷變大，剪應(yīng)力區(qū)域面積也達(dá)到一定范圍。當(dāng)降雨結(jié)束后（36 h），受降雨停止，雨水不再補(bǔ)給的影響，表層剪應(yīng)力絕對值的最大值有小幅下降。由于內(nèi)部雨水運(yùn)移，坡體內(nèi)中下部的剪應(yīng)力仍有一定的提升，坡腳處的應(yīng)力集中區(qū)域隨著時間的發(fā)展不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度較大。同時，通過對同一時刻（36 h）不同初始條件下剪應(yīng)力云圖的對比如圖8（c、d）所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷長期干旱作用的邊坡，在一定深度內(nèi)形成了剪應(yīng)力雜亂分布的圓弧區(qū)域，這是邊坡在降雨作用下應(yīng)力重新調(diào)整，計算不收斂的結(jié)果，出現(xiàn)該現(xiàn)象時，可認(rèn)為邊坡已經(jīng)出現(xiàn)了失穩(wěn)破壞。而未經(jīng)歷長期干旱的邊坡未出現(xiàn)該情況。

圖8 不同條件下的部分剪應(yīng)力分布圖

5 位移結(jié)果分析

5.1 矢量位移云圖及位移矢量

未經(jīng)歷長期干旱作用的滑坡在不同持時降雨作用下的位移場變化如圖9（a、b、c）所示。由圖可見，未經(jīng)歷長期干旱的邊坡，在靠近坡頂?shù)牟课蛔冃瘟坎淮?，這是由于基質(zhì)吸力的降低造成了邊坡有效應(yīng)力的降低，形成了垂直于地表的回彈變形。與此同時，坡腳處的位移矢量方向往水平方向偏轉(zhuǎn)，有滑動失穩(wěn)的趨勢。通過對同一時刻（36 h）不同初始條件下位移云圖的對比，如圖9（c、d）所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷長期干旱的邊坡，位移場發(fā)生了更劇烈的變化，潛在滑體的位移矢量發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，斜面上部由2點鐘方向轉(zhuǎn)向5點鐘方向，坡腳部位的位移矢量由3點鐘方向轉(zhuǎn)向4點鐘方向。印證了3.2節(jié)剪應(yīng)力分析中邊坡發(fā)生失穩(wěn)的結(jié)論。

圖9 不同條件下的部分矢量位移云圖及位移矢量圖

5.2 位移監(jiān)測值

通過在坡體前緣布設(shè)若干監(jiān)測點，獲得了不同初始條件在降雨作用下位移值，如圖10所示。對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷長期干旱的邊坡，同一時刻各個深度的位移比未經(jīng)歷長期干旱的邊坡大，如12 h時，0.6 m處的位移值分別為0.001 m和0.005 m；36 h時，2 m處的位移值分別為0.002 m和0.107 m。特別是經(jīng)歷長期干旱的邊坡，在24 h和36 h時，邊坡3.2 m深度范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生了明顯的位移，邊坡已發(fā)生了失穩(wěn)破壞。由此說明，初始基質(zhì)吸力的增加加劇了降雨作用下的坡體變形。

圖10 不同初始條件下降雨作用下邊坡的位移曲線

5.3 塑性區(qū)

通過同一時刻（36 h）不同初始條件下塑性區(qū)的對比（見圖11），發(fā)現(xiàn)未經(jīng)歷干旱條件下的塑性區(qū)僅僅在坡腳的部位有少量分布，而經(jīng)歷干旱條件時，可以明顯看到沿著坡腳向上貫通且面積較大的塑性區(qū)分布。這說明未經(jīng)歷干旱條件下，邊坡處于穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)，但并未失穩(wěn)：經(jīng)歷干旱條件時，邊坡最終發(fā)生了失穩(wěn)破壞。

圖11 不同初始條件下塑性區(qū)的分布圖（36 h）

6 結(jié)論

（1）降雨作用下，滲流場范圍由坡面逐步向坡內(nèi)擴(kuò)展；滲流場的速度峰值具有滯后性，可能出現(xiàn)在雨停之后，且速度峰值隨深度的增加而降低。

（2）降雨后坡內(nèi)土體基質(zhì)吸力的降低速率遠(yuǎn)大于雨停后基質(zhì)吸力的恢復(fù)速率；降雨造成了坡內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的改變，隨降雨持續(xù)，坡面和坡腳處的剪應(yīng)力不斷增加。

（3）前后緣的位移量在邊坡失穩(wěn)后突然增大，前緣早于后緣，滑動面深度：前緣淺，后緣深，具有牽引式破壞特征。

（4）降雨作用下，邊坡塑性區(qū)從坡腳開始出現(xiàn)，降雨結(jié)束時，整個坡腳部位基本屈服，降雨結(jié)束后，塑性區(qū)仍然不斷發(fā)展，最終貫通，形成滑坡。