彭陽縣陳溝滑坡發(fā)育特征及形成機制研究

劉春虎+仲佳鑫

摘 要：通過對寧夏彭陽縣陳溝滑坡的區(qū)域環(huán)境和地質(zhì)條件調(diào)查，結(jié)合滑坡工程地質(zhì)特征及發(fā)育特征，分析了典型滑坡的地質(zhì)成因機制。采用Geo-Studio軟件進行了滲流作用下的滑坡機理研究，并對暴雨誘發(fā)滑坡的過程進行了分析。研究結(jié)果表明：降雨自裂縫深入坡體，使土-巖接觸面抗剪強度降低，導(dǎo)致潛在滑面累進性破壞，在斜坡中形成貫通的滑動面時，斜坡發(fā)生整體滑動。

關(guān)鍵詞：發(fā)育特征；成因機制；形成機理

中圖分類號： P694 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-80-3

1 概述

彭陽縣地處寧南黃土丘陵區(qū)東部，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、頻發(fā)。近年來，隨著極端氣候增加，在強降雨條件下引發(fā)了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，尤以陳溝滑坡最為典型。本文以彭陽縣陳溝滑坡為例，探討彭陽縣暴雨條件下滲流作用對非飽和黃土斜坡穩(wěn)定性的影響。

現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)地質(zhì)資料表明，陳溝滑坡屬暴雨型黃土-基巖接觸面滑坡。分析研究其發(fā)育特征及形成機制對后期地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要的指導(dǎo)作用，同時，暴雨型黃土-基巖接觸面滑坡在寧南山區(qū)較為普遍，研究成果可用于類似的理論分析參考。

2 工程地質(zhì)背景

陳溝滑坡位于彭陽縣城陽鄉(xiāng)陳溝村黃土梁之上，屬茹河一級支溝的凸岸。滑坡平面形態(tài)呈“幾”字形，長約300m，寬500m，厚約40m，平面形態(tài)表現(xiàn)為半圓形，平面面積約150000m2，滑坡體體積約6000000m3，主滑方向為32°，滑體較為破碎。工程地質(zhì)揭露，該滑坡為降雨誘發(fā)的老滑坡，發(fā)生時帶動北邊斜坡產(chǎn)生一條近1km的大裂縫?；潞缶壛荷犀F(xiàn)有2戶居民，裂縫下方有3戶居民，溝底建有小型水庫，滑坡所處斜坡大多開發(fā)成為經(jīng)濟林地。

滑坡區(qū)出露新近系甘河溝組（Ngn）紅色泥巖、中更新統(tǒng)黃土（Qp2）和晚更新統(tǒng)黃土（Qp3）。泥巖具隔水作用，遇水易軟化，滑坡后壁可見厚度約10m。中更新統(tǒng)黃土主要為風(fēng)成粉塵堆積的棕黃色粉質(zhì)粘土，出露厚度約25m，較致密，質(zhì)地堅硬，次生垂直節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性差。晚更新統(tǒng)黃土為風(fēng)成粉塵堆積的黃色粉土，出露厚度約20m，垂直節(jié)理發(fā)育，強度較弱，滲透性大?；鹿こ痰刭|(zhì)平、剖面見圖1。

3 滑坡形成機理分析

斜坡體坡面呈凹形，坡體呈簸箕狀，有利于地表水的匯集；斜坡體上的土質(zhì)疏松，多孔，垂直節(jié)理發(fā)育。人類工程活動，如削坡、加載等作用，將原有的平衡狀態(tài)打破，使斜坡產(chǎn)生卸荷、拉張和風(fēng)化裂隙。在黃土節(jié)理、卸荷與風(fēng)化裂隙、落水洞、陷穴等發(fā)育部位，降雨沿空隙下滲甚至灌入，在相對隔水部位形成上層滯水或飽水帶，增大巖土體重力，甚至形成孔隙水壓力，降低巖土體強度，從而觸發(fā)黃土滑坡的發(fā)生；下伏泥巖具隔水性，使地下水向下運移受阻，匯集于其上土體中，引起上部潛水位抬高，土體處于飽水狀態(tài)，其泥巖遇水易軟化，形成滑床及滑動面；在降雨條件下，雨水沿裂縫下滲，一方面增大了土體的重力下滑力，另一方面雨水沿隔水層上部徑流，使上部土體飽水軟化，于下伏泥巖的接觸面形成滑床，最終導(dǎo)致滑坡體下滑。

4 非飽和土滲流計算理論與模型

非飽和土中的滲流符合達(dá)西定律。以總水頭h作為因變量，假定總應(yīng)力保持不變，孔隙氣壓保持為恒定的大氣壓，忽略土骨架的變形。當(dāng)滲透主應(yīng)力方向與坐標(biāo)軸一致時，二維滲流控制方程為：

式中，h為總水頭；kx、ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量，γw為水的容重；mw=？墜θ/？墜uw，θ為體積含水率，uw為孔隙水壓力，mw即為土水特征曲線的斜率。因此，已知土體的土水特征曲線和滲透性函數(shù)，并給定邊界條件和初始條件，就可以得到非飽和土的暫態(tài)滲流場。本文中采用有限元方法計算非飽和土斜坡中的暫態(tài)滲流場。

非飽和土強度理論采用Fredlund提出的非飽和土抗剪強度公式：

？子ff=c′+（σf-ua）f tan？準(zhǔn)′+（ua-uw）f tan？準(zhǔn)b （2）

式中，τff為土的抗剪強度； c′，？準(zhǔn)′分別為飽和土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角；（σf-ua）f為破壞面上的凈法向應(yīng)力；（ua-uw）f為破壞面上的基質(zhì)吸力；？準(zhǔn)b表示抗剪強度隨基質(zhì)吸力而增加的速率，本文中假定？準(zhǔn)b為常量。當(dāng)土體接近飽和時，孔隙水壓力接近孔隙氣壓力，基質(zhì)吸力趨于零，上式中的基質(zhì)吸力項消失，從而變?yōu)轱柡屯痢?/p>

采用SEEP/W有限元軟件對陳溝滑坡進行非穩(wěn)態(tài)滲流分析，先模擬未發(fā)生滑動的殘坡積土斜坡，坡面無裂隙。有限元計算模型如圖2所示。

實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)斜坡中無穩(wěn)定的地下水位，模型使用的邊界條件如下：①斜坡坡面為流量邊界，流量大小為降雨強度，降雨強度采用固原地區(qū)百年一遇降雨強度105mm/d。②模型兩側(cè)黃土部分為零流量邊界。③模型兩側(cè)和底面泥巖部分為不透水邊界。

4.1 計算參數(shù)

計算參數(shù)包括土體的滲透性函數(shù)和土水特征曲線，以及巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。土體的土水特征曲線和滲透性函數(shù)如圖3、圖4所示。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)來自長安大學(xué)巖土工程重點實驗室（見表1），非飽和土的吸力抗剪強度部分由土水特征曲線在軟件中導(dǎo)入。

4.2 完整斜坡中雨水的滲流

根據(jù)上文給定的邊界條件，分12個時步對降雨作用下的殘坡積土斜坡暫態(tài)滲流場進行模擬，每2h為一步長。24h降雨條件下斜坡中孔隙水壓力分布，如圖5所示。各時步土體中孔隙水壓力隨深度的變化曲線如圖6所示。

由圖6中可以看出，雨水由斜坡坡面向下入滲，入滲深度有限，最大入滲深度約為8m。斜坡在初始狀態(tài)下，孔隙水壓力隨深度的增加而增大；當(dāng)降雨發(fā)生時，隨著雨水的入滲，土體中孔隙水壓力逐漸增大，同時土體中基質(zhì)吸力降低。到降雨12h時，土體中孔隙水壓力基本不再增加，認(rèn)為此時雨水不再繼續(xù)入滲。

采用極限平衡法（Janbu法）分析降雨條件下黃土斜坡的穩(wěn)定性，斜坡中滲流場由前文降雨過程中的暫態(tài)滲流場導(dǎo)入，斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時間的變化曲線如圖7所示。計算結(jié)果顯示，在降雨8h之后，斜坡穩(wěn)定系數(shù)基本不再變化。說明在降雨8h之后，雨水的入滲量基本不再增加。

4.3 坡面有裂隙的斜坡中雨水的滲流

對于坡體表面存在裂隙的斜坡而言，雨水主要由坡體裂縫集中入滲。陳溝村滑坡在其后緣存在裂隙，模擬計算結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖可以看出，雨水由滑坡后緣裂縫入滲后，在滑帶處聚集，在滑帶處形成一定范圍的飽和帶。滑帶土體中孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力降低，致使滑帶土體的抗剪強度降低。

用極限平衡法（Janbu法）分析了降雨條件下黃土滑坡的穩(wěn)定性，斜坡中滲流場由前文降雨過程中的暫態(tài)滲流場導(dǎo)入，斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時間的變化曲線如圖10所示。由計算結(jié)果可以看出，在降雨8h之后，斜坡穩(wěn)定系數(shù)基本不再變化。說明在降雨8h之后，雨水的入滲量基本不再增加。

由前文的分析，可以得出以下結(jié)論：

①雨水在斜坡土體中的入滲深度是有限的。

②有裂隙的斜坡中雨水主要由斜坡裂隙集中入滲，使土-巖接觸面的土體抗剪強度降低。降雨會造成斜坡穩(wěn)定性降低，一些處于臨界狀態(tài)的斜坡會在強降雨作用下發(fā)生滑坡。

③降雨達(dá)到一定時長，斜坡表層土體接近飽和，雨水不再入滲，轉(zhuǎn)為地表徑流；根據(jù)前分析，在百年一遇降雨強度（105mm/d）下，12h之內(nèi)雨水在斜坡中的入滲達(dá)到極限值。因此，以24h降雨量作為地質(zhì)災(zāi)害臨界降雨量判據(jù)是可行的。

5 暴雨誘發(fā)黃土滑坡的過程分析

需要說明的是，數(shù)值計算中未能模擬降雨過后累進性破壞造成的土體抗剪強度降低，而實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，滑坡發(fā)生的時間常常在強降雨的數(shù)天之后，說明這種作用對于斜坡的變形破壞有著顯著的影響。

對于完整斜坡而言，由于雨水入滲只發(fā)生在一定深度內(nèi)，因此降雨對其穩(wěn)定性的影響有限。對于存在裂隙的斜坡，雨水入滲會造成裂隙附近土-巖接觸面的土體抗剪強度降低，使裂隙附近土體發(fā)生局部破壞，形成初始的破裂面。最初的破壞所導(dǎo)致的應(yīng)力集中會沿著斜坡中的軟弱帶逐漸向下坡方向發(fā)展，使局部破壞向下坡方向擴展，這種累進性破壞在斜坡中形成貫通的滑動面時，斜坡發(fā)生整體滑動。

6 結(jié)論

①陳溝滑坡的形成是由于不合理的人類工程活動加劇了卸荷、拉張和風(fēng)化裂隙的形成，在降雨轉(zhuǎn)化為地下水的過程中與土-巖共同作用的結(jié)果。

②采用有限元軟件進行非穩(wěn)態(tài)滲流分析，結(jié)果顯示：斜坡時前期隨著雨水的入滲，土體中孔隙水壓力逐漸增大，基質(zhì)吸力降低，到一定程度，雨水不再繼續(xù)入滲。

③雨水入滲會造成裂隙附近土-巖接觸面的土體抗剪強度降低，形成初始的破裂面，進而使斜坡中的軟弱帶逐漸向下坡方向發(fā)展，當(dāng)累進性破壞形成貫通的滑動面時，斜坡發(fā)生破壞。

參 考 文 獻(xiàn)

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