不同降雨過程特征下的庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性

闞 露， 胡 鵬

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610000）

不同降雨過程特征下的庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性

闞 露， 胡 鵬

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都610000）

降雨是滑坡的主要誘發(fā)因素之一。根據(jù)降雨強(qiáng)度隨著降雨歷時(shí)的變化特征劃分了五種降雨過程。以瀾滄江某水電站庫區(qū)一典型土質(zhì)滑坡為例，模擬滑坡體在不同工況下的滲流場，分析降雨過程對庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在庫水位不變的情況下，五種降雨過程對滑坡穩(wěn)定性的影響由大到小的順序?yàn)檫f增型、先強(qiáng)后弱型、先弱后強(qiáng)型、穩(wěn)定型、遞減型。在降雨過程不變的情況下，隨著庫水位的上升，滑坡穩(wěn)定性會(huì)先減小再增大。水庫蓄水前期及遞增型降雨過程，滑坡處于最危險(xiǎn)狀態(tài)。該研究為庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性評價(jià)提供了依據(jù)。

滑坡；穩(wěn)定性；降雨過程；蓄水階段；滲流場

0　引 言

滑坡災(zāi)害不僅威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，而且嚴(yán)重影響交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)營，給經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展造成了極大的損失。滑坡破壞特別是殘積土區(qū)域的滑坡破壞主要由降雨引起［1］。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要從降雨歷時(shí)、強(qiáng)度、土層類型、性狀及非飽和土滲透性等方面考慮，研究降雨誘發(fā)滑坡的作用機(jī)制。楊志法等［2］提出了“以天預(yù)報(bào)地”的理論，將降雨劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨四種類型，根據(jù)降雨變化規(guī)律和雨水入滲時(shí)間，并結(jié)合邊坡的易滑度對滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測。謝守益等［3］利用閥值概念分析降雨誘發(fā)滑坡的概率，從降雨歷時(shí)方面考慮將降雨劃分為久雨和暴雨兩種工況，通過計(jì)算得到典型滑坡發(fā)生滑動(dòng)破壞的臨界雨量和強(qiáng)度。劉新喜等［4］從降雨歷時(shí)、強(qiáng)度及土的滲透性方面考慮入滲對填土邊坡穩(wěn)定性的影響。劉俊新等［5-6］利用飽和與非飽和滲流有限元模擬模型的瞬態(tài)滲流場，并且考慮了基質(zhì)吸力對非飽和土力學(xué)參數(shù)的影響。

學(xué)術(shù)界已對降雨歷時(shí)、強(qiáng)度及入滲情況進(jìn)行了較為深入的研究，但往往假定一次降雨過程中降雨強(qiáng)度是恒定的，從而忽視了對降雨過程特征的分析。然而，實(shí)際生活中，隨著降雨歷時(shí)的增加，降雨強(qiáng)度并不總是保持不變的，不同降雨過程對雨水的入滲、浸潤線變化的影響也是不同的。水電建設(shè)過程中，水庫蓄水期，特別是雨季，為滑坡多發(fā)階段，這是降雨和庫水位變動(dòng)共同作用的結(jié)果，所以，研究不同降雨過程對滑坡體穩(wěn)定性的影響在庫區(qū)滑坡災(zāi)害的預(yù)測和治理方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

筆者在文獻(xiàn)［7］有關(guān)暴雨模式研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)一次降雨過程中降雨強(qiáng)度隨著歷時(shí)變化的規(guī)律，將降雨劃分為五種類型，研究降雨過程特征和水庫不同蓄水位兩個(gè)因素對滑坡的影響，為庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性評價(jià)提供了依據(jù)。

1　降雨過程的劃分

根據(jù)降雨強(qiáng)度（I）隨著時(shí)間變化規(guī)律的不同，在總降雨量和降雨歷時(shí)（t）不變的前提下，將降雨過程劃分為先強(qiáng)后弱型、先弱后強(qiáng)型、遞增型、遞減型和穩(wěn)定型五種類型，如圖1所示。

水頭邊界（一類邊界）和流量邊界（二類邊界）是地下水滲流場最常見的兩類邊界條件。如果降雨強(qiáng)度大于表層土體滲透率，一部分降雨會(huì)入滲，另一部分會(huì)在坡表面形成徑流及一薄層水膜。邊界條件采用定水頭邊界，表層壓力取零。如果降雨強(qiáng)度小于表層土體滲透率，降雨會(huì)全部入滲，此時(shí)邊界條件應(yīng)為流量邊界，土體滲透率等于降雨強(qiáng)度［8］。

圖1　五種降雨類型Fig.1 Five representative rainfall patterns

五種降雨類型的水力邊界條件如下：

（1）先強(qiáng)后弱型。隨著降雨歷時(shí)的增加，降雨強(qiáng)度先遞增再遞減。整個(gè)過程中，邊界條件為流量邊界→水頭邊界→流量邊界。

（2）先弱后強(qiáng)型。降雨過程中，降雨強(qiáng)度先減小再增大。邊界條件為水頭邊界→流量邊界→水頭邊界。

（3）遞增型。降雨強(qiáng)度持續(xù)增加。邊界條件為流量邊界→水頭邊界。

（4）遞減型。降雨強(qiáng)度持續(xù)減小。邊界條件為水頭邊界→流量邊界。

（5）穩(wěn)定型。降雨強(qiáng)度保持不變。邊界條件為水頭邊界或流量邊界。

2　計(jì)算理論

2.1飽和-非飽和土滲流原理

描述非飽和土的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)應(yīng)將基質(zhì)吸力考慮在內(nèi)?；|(zhì)吸力會(huì)隨著土體滲透性的改變而改變。若飽和度不同，則非飽和土的滲透性會(huì)出現(xiàn)很大差別。在滲流過程中，隨著非飽和土區(qū)域不斷變成飽和土區(qū)域，基質(zhì)吸力會(huì)降為零。為使非飽和區(qū)滲流與飽和區(qū)滲流耦合起來，設(shè)定壓力水頭在飽和區(qū)域?yàn)檎担诜秋柡蛥^(qū)域?yàn)樨?fù)值，零壓力面就是自由水面，即飽和區(qū)與非飽和區(qū)的分界面。

非飽和土中滲透系數(shù)不是常數(shù)而是與體積含水率有關(guān)的函數(shù)。當(dāng)體積含水率減小時(shí)，空氣填充土中孔隙，使得過水面積變小，滲流流徑彎曲度增大，造成滲透系數(shù)減小。因此，基于質(zhì)量守恒原理與達(dá)西定律，在等熱條件下可以推導(dǎo)出非飽和土水分運(yùn)動(dòng)的基本方程［9］：

式中，H為全水頭，H=h+h1；h為壓力水頭，在飽和區(qū)為正，非飽和區(qū)為負(fù)；h1為位置水頭；kx、kz分別為土體沿x、z方向的滲透系數(shù)，在飽和區(qū)等于飽和土的滲透系數(shù)，與水頭h無關(guān)，在非飽和區(qū)與水頭h有關(guān)；C為容水度，表示單位基質(zhì)勢的變化引起的含水量的變化，由土水特征曲線斜率的倒數(shù)求得。

飽和-非飽和滲流的初始條件為

水頭邊界（一類邊界）與流量邊界（二類邊界）條件分別為：

計(jì)算中，程序會(huì)根據(jù)降雨強(qiáng)度與土體滲透性、流量邊界結(jié)點(diǎn)孔隙水壓力的大小自動(dòng)選擇邊界條件。

2.2極限平衡理論

通過SEEP/W模塊，運(yùn)用有限元方法對坡體內(nèi)部滲流進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，求解不同蓄水階段和不同降雨過程下滑坡體中滲流場以及壓力水頭，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用極限平衡方法中的摩根斯坦-普賴斯法對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，滑坡穩(wěn)定系數(shù)F計(jì)算方程如下：

其中，c′為有效黏聚力強(qiáng)度，β為條塊底面長度，R為圓弧形滑面半徑，N為條塊底部法向合力，φ′為有效內(nèi)摩擦角，φb為吸力強(qiáng)度增量引起的抗剪強(qiáng)度增量角，ua為孔隙氣壓力，uw為孔隙水壓力，W為條塊重量，x為條塊中心至滑面圓心的水平距離，f為法向力距離滑面圓心的豎直距離，kW為作用在條塊質(zhì)心的水平地震荷載，e為條塊質(zhì)心至滑面圓心的豎直距離，P為外部集中荷載，d為外部集中荷載作用點(diǎn)至滑面圓心的垂直距離，F(xiàn)A為外部水壓力合力，a為外部水壓力合力作用點(diǎn)至滑面圓心的垂直距離。

3　工程實(shí)例

3.1地質(zhì)概況

該滑坡位于瀾滄江左岸，滑坡沿河長度為150 m，滑坡所臨瀾滄江走向?yàn)镹E30°，岸坡為陽坡?；滦螒B(tài)明顯，前緣高程650 m，后緣高程930 m，主滑方向?yàn)镹W60°，滑向河床略偏上游方向，主滑方向長度為500 m?；逻吔缜逦?，兩次活動(dòng)跡象明顯，一級(jí)平臺(tái)僅局部保留，第二次坍滑物質(zhì)已滑入江中，滑坡物質(zhì)保留較少，滑體中小沖溝發(fā)育（圖2）?？傮w坡度較緩，為20°～25°，但前緣較陡，大于30°?；鶐r巖性為T2m粉砂質(zhì)泥巖，夾鈣質(zhì)泥巖、砂巖。滑坡體物質(zhì)主要為碎石土堆積物，其母巖為T2m砂巖。土體易于飽和、滲透性強(qiáng)。

圖2　滑坡形態(tài)Fig.2 Landslide con figuration

3.2計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)地勘察資料，將滑坡分為基巖、滑帶和滑坡體三層，建立二維模型，如圖3所示，其中，HA為海拔高程，xA為水平距離。根據(jù)庫區(qū)地質(zhì)和氣候條件，水庫計(jì)劃經(jīng)過三個(gè)蓄水階段達(dá)到正常蓄水位，水位分別為670、750和810 m。庫區(qū)所處的瀾滄江下游滇西南地區(qū)屬于亞熱帶、熱帶氣候，水汽充沛，降雨量較大，多年平均降水量為900～1 700 mm，日最大降水量為221.2 mm［10］。文中假定五種降雨過程的總降雨量為200 mm，降雨歷時(shí)24 h。在降雨總量和降雨歷時(shí)相同的條件下，將三種蓄水位和五種降雨過程兩兩結(jié)合，確定了15種工況，分別進(jìn)行計(jì)算。

圖3　計(jì)算模型Fig.3 Calculation model

3.3結(jié)果分析

3.3.1不同降雨過程對坡內(nèi)浸潤線的影響

以810 m水位為例，選取五種不同降雨過程下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著降雨歷時(shí)的增加，坡內(nèi)浸潤線不斷提高，然而五種不同的降雨過程引起的浸潤線上升幅度不同，導(dǎo)致24 h后非飽和土區(qū)域大小不同，面積由小到大排列順序?yàn)檫f增型、先強(qiáng)后弱型、先弱后強(qiáng)型、穩(wěn)定型、遞減型，也即浸潤線上升速度由大到小的排列順序。

圖4　降雨24 h后不同降雨過程的非飽和區(qū)域Fig.4 Non-saturation zone after 24 h’s different rainfall patterns

降雨24 h后浸潤線與滲流速度矢量如圖5所示。從圖中可以看出，滲流場中主要有三個(gè)方向的滲流發(fā)生：一是雨水從坡體表面垂直向下入滲；二是雨水入滲后沿著基巖頂面隔水板滲向坡外，此種滲流方向上滲流速度矢量最大；三是由于基質(zhì)吸力的存在，水由飽和土區(qū)域滲向非飽和土區(qū)域，導(dǎo)致降雨過程中非飽和土區(qū)域不斷減小，飽和土區(qū)域不斷增大。

圖5　降雨24 h后浸潤線與滲流速度矢量Fig.5 Saturation line and velocity vector of seepage after 24 h’s rainfall

3.3.2不同降雨過程對滑坡穩(wěn)定性的影響

以670 m水位為例，選取五種降雨過程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著降雨歷時(shí)的增加，滑坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律不同。每種降雨過程下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)都在不斷降低，但降低的速度不一。先強(qiáng)后弱型和遞減型降雨過程的穩(wěn)定系數(shù)降低速度先快后慢；先弱后強(qiáng)型和遞增型降雨過程的穩(wěn)定系數(shù)降低速度先慢后快；穩(wěn)定型降雨過程曲線的斜率基本不變。

圖6　穩(wěn)定系數(shù)與降雨歷時(shí)的關(guān)系Fig.6 Relation between stability coefficient and duration of rainfall

遞減型在降雨2 h后穩(wěn)定系數(shù)相比于其他過程低。因?yàn)樵诮涤瓿跗谄浣涤陱?qiáng)度最大，隨著歷時(shí)的增加，降雨強(qiáng)度逐漸減小，所以穩(wěn)定系數(shù)降低速度也減小，在降雨末期其穩(wěn)定系數(shù)反而為五種降雨過程中最大的。遞增型在降雨2 h后的穩(wěn)定系數(shù)是最大的，因?yàn)樵诮涤瓿跗谄浣涤陱?qiáng)度最低，而約16 h后，其穩(wěn)定系數(shù)急劇降低，成為降雨末期中穩(wěn)定系數(shù)最低的降雨過程。在降雨強(qiáng)度增加階段，穩(wěn)定系數(shù)下降的速度與降雨強(qiáng)度增加的速度成正比；在降雨強(qiáng)度減小的階段，穩(wěn)定系數(shù)下降的速度與降雨強(qiáng)度減小的速度成反比。穩(wěn)定系數(shù)下降速度的變化規(guī)律和降雨過程中降雨強(qiáng)度的變化規(guī)律緊密相關(guān)。

降雨前，相同蓄水位下，滑坡穩(wěn)定性不變。而經(jīng)過24 h相同降雨總量的不同降雨過程后，滑坡穩(wěn)定性從小到大的排列順序?yàn)檫f增型、先強(qiáng)后弱型、先弱后強(qiáng)型、穩(wěn)定型、遞減型。由此可見，在相同蓄水位下，強(qiáng)度遞增型降雨對滑坡穩(wěn)定性影響最大，強(qiáng)度遞減性降雨對滑坡穩(wěn)定性影響最小。

3.3.3庫水位對滑坡穩(wěn)定性的影響

水庫蓄水位上升會(huì)提高潛水位高度，從而使滑坡內(nèi)部飽和區(qū)域增大，弱化了滑帶、滑體的巖土力學(xué)參數(shù)，不利于滑坡的穩(wěn)定。但是土體浸水后，其抗滑力減小，下滑力同樣也會(huì)減?。?1］，而且蓄水位的上升也增大了坡外表面的靜水壓力，有利于滑坡的穩(wěn)定，所以這兩方面因素影響大小，應(yīng)取決于滑坡所處蓄水階段。在庫水位上升的基礎(chǔ)上，降雨會(huì)進(jìn)一步提高浸潤線位置，增大坡內(nèi)水向坡外的滲流力，降低滑坡穩(wěn)定性。

在降雨總量和降雨歷時(shí)相同、庫水位不同的條件下，將24 h以后的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插值擬合，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，每一種降雨過程下，隨著庫水位的上升，滑坡穩(wěn)定系數(shù)都會(huì)出現(xiàn)先減小再增大的現(xiàn)象。可見，在降雨條件相同的情況下，滑坡穩(wěn)定性在蓄水前期逐漸變差，而隨著水位的繼續(xù)上升，滑坡會(huì)變得越來越安全。無論在何種庫水位下，遞增型降雨過程的穩(wěn)定系數(shù)均是最低的，遞減型的穩(wěn)定系數(shù)均是最高的。所以，在水庫蓄水前期若遇到了降雨強(qiáng)度隨著歷時(shí)不斷遞增的降雨過程，滑坡的穩(wěn)定性會(huì)受到最嚴(yán)重的威脅。

圖7　穩(wěn)定系數(shù)與蓄水位高度的關(guān)系Fig.7 Relation between stability coefficient and height of water storage level

4　結(jié) 論

（1）在蓄水位相同的條件下，五種降雨過程引起的滑坡內(nèi)部浸潤線提升速度由大到小順序?yàn)檫f增型、先強(qiáng)后弱型、先弱后強(qiáng)型、穩(wěn)定型、遞減型。

（2）在降雨總量和降雨歷時(shí)相同的情況下，降雨過程中穩(wěn)定系數(shù)一直都在降低。一次降雨過程中，在降雨強(qiáng)度增加階段，穩(wěn)定系數(shù)下降的速度與降雨強(qiáng)度增加的速度成正比；在降雨強(qiáng)度減小階段，穩(wěn)定系數(shù)下降的速度與其強(qiáng)度減小的速度成反比。

（3）在降雨過程不變的情況下，隨著庫水位的上升，滑坡穩(wěn)定性會(huì)先減小再增大。在庫水位不變的情況下，五種降雨過程對滑坡穩(wěn)定性的影響由大到小的順序?yàn)檫f增型、先強(qiáng)后弱型、先弱后強(qiáng)型、穩(wěn)定型、遞減型。在水庫蓄水前期要特別注意降雨強(qiáng)度隨著歷時(shí)遞增的降雨過程，在這兩個(gè)條件的綜合影響下，滑坡會(huì)處于最危險(xiǎn)的狀態(tài)。

［1］ 黃潤秋.20世紀(jì)以來中國的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（3）：433-454.

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（編輯荀海鑫）

Study on stability of landslide in reservoir area under different rainfall processes

KAN Lu， HU Peng
（Southwest Geotechnical&Design Institute of China Nuclear Industry，Chengdu 610000，China）

This paper follows from the acceptance that rainfall occurs as a one of themain contributors tomost landslides and introduces the division of the rainfall process into five different types based on the different change laws underlying rainfall intensity through the rainfall duration.The paper goes further by analyzing a typical soil landslide occurring in a hydropower station’s reservoir on Lancang River，simulating the seepage field of the slope subjected to different conditions and investigating the effect of the rainfall process on the stability of the reservoir landslide.The investigation reveals that the constant reservoir water level suggests the occurrence of the five rainfall processes which tend to influence the stability of landslide in the order of the effects varying from big to small，such as，the increasing type，the first strong and then weak type，the first weak and then strong type，the constant type，and the decreasing type.In the case of the constant rain process，landslide would have such stability as first decreases and then increases，depending on the rise of the reservoir water level.The earlier stage of reservoir storage and the increasing type rainfall patternmean the greatest landslide danger.The study would provide a basis for a better evaluation of the stability of the reservoir landslide.

landslide；stability；rainfall process；water storage stage；seepage field

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.020

P642.22

2095-7262（2014）05-0529-05

A

2014-07-10

闞 露（1988-），男，安徽省明光人，助理工程師，碩士，研究方向：巖體結(jié)構(gòu)與工程穩(wěn)定，E-mail：442789662@qq.com。