降雨作用下泥巖老滑坡滲流特征及穩(wěn)定性分析
——以互助張家村滑坡為例

張俊才，馬 濤，周 保，王仲復(fù)，張 睿，張永艷

（青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，青海西寧 810008）

青海東部地區(qū)廣泛分布著以黃土、泥巖、砂巖等構(gòu)成主體的黃土—紅層丘陵，地形復(fù)雜，年降水量較少但主要分布于汛期，水土流失嚴(yán)重，崩塌滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育，是全省乃至全國范圍內(nèi)崩塌滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害的高易發(fā)區(qū)。降雨是區(qū)內(nèi)滑坡產(chǎn)生的主要誘發(fā)因素之一，特別是近年來青海東部地區(qū)汛期極端降水天氣較多，例如2018年6月初青海東部地區(qū)普遍出現(xiàn)持續(xù)降雨，其中3—4日兩天內(nèi)樂都中壩鄉(xiāng)連續(xù)降雨量高達(dá)250.3 mm，引發(fā)了諸多滑坡隱患和災(zāi)害。降雨入滲過程是斜坡土體飽和—非飽共同作用的過程，降雨條件下滑坡的滲流情況、成因機(jī)理、穩(wěn)定性等方面的研究成果較多。例如，顏斌等［1］認(rèn)為黃土邊坡在強(qiáng)降水條件下水分入滲的深度有限，對邊坡整體穩(wěn)定影響不大；喻興等［2］分析了降雨入滲條件下滑坡堆積層中孔隙水壓力的變化以及滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化；馮衛(wèi)等［3］采用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊耦合，分析了降雨入滲情況下坡體非飽和滲流場的變化，探討了不同降雨強(qiáng)度條件下滑坡體的穩(wěn)定性變化情況；朱文彬等［4］對降雨條件下堆積層滑坡的滑動機(jī)制進(jìn)行了分析；鐘燦書［5］采用模型試驗深入分析了堆積層滑坡位移變化特征及其與降雨之間的響應(yīng)關(guān)系；喬朋騰等［6］以非飽和土滲流理論為依托，分析了不同降雨持續(xù)時間下坡體內(nèi)部孔隙水壓力的變化規(guī)律，揭示了黃土滑坡的降雨入滲機(jī)理；張祥祥［7］研究了坡頂垂直裂隙對黃土邊坡降雨入滲和穩(wěn)定性的影響；Ran等［8］開展了不同降雨條件下淺表層滑坡的研究，認(rèn)為飽和水文傳導(dǎo)率的顯著垂直變化導(dǎo)致滲透水的積聚，進(jìn)而導(dǎo)致非飽和土層的孔隙壓力增大和滑坡發(fā)生；Tran等［9］采用基于瞬時降雨入滲和網(wǎng)格的邊坡穩(wěn)定模型模擬分析了暴雨引起的邊坡內(nèi)的動態(tài)水文條件，在此基礎(chǔ)上采用Scoops3D評價了其三維穩(wěn)定性。但是，國內(nèi)對降雨入滲條件下泥巖老滑坡堆積體內(nèi)地下水的滲流特征及其作用下滑坡體穩(wěn)定性方面的研究成果較少。為此，本文以互助張家村滑坡為例，在開展資料收集、現(xiàn)場調(diào)查、滲透試驗等確定其基本特征的基礎(chǔ)上，利用Geostudio軟件建立了老滑坡滲流計算模型，采用SEEP/W、SLOPE/W模塊分析了降雨條件下老滑坡的滲流特征和穩(wěn)定性，對青海東部地區(qū)泥巖老滑坡災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)具有較好的理論和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 滑坡基本特征

互助縣張家村滑坡位于湟水一級支流紅崖子溝右岸，滑坡南、北側(cè)分別以山梁、沖溝為界，前緣為張家村（圖 1），地理坐標(biāo)東經(jīng) 102°05′41″，北緯36°39′02″，滑坡上分布有鄉(xiāng)村公路及電信設(shè)施?；麦w原巖主要由近水平的新近系泥巖組成，其形態(tài)在平面上呈半圓形，整體傾向北東，東西縱長1 500 m，南北寬 950 m，平均厚 65 m，體積約9.3×107m3，為一大型泥巖老滑坡?；麦w表面經(jīng)雨水匯集后沖刷與改造作用，沖溝及落水洞發(fā)育?；w在剖面上呈階梯狀，上陡下緩，上部坡度35°，下部坡度25°，滑坡后壁呈圈椅狀，高45 m，滑壁傾向北東，傾角73°，滑壁下分布有崩積物，滑坡共發(fā)育三級較大平臺［10］。

一級平臺分布于滑坡后壁底部，平面形態(tài)不規(guī)則，長150 m，寬70～80 m，平臺前緣陡坎高72 m，滑面深度為91.0 m。二級平臺長180 m，寬60～80 m，平臺前緣陡坎高65 m，平臺后緣發(fā)育有拉裂槽（圖2），坡面多處發(fā)育拉張裂縫，最大長度10 m，深度20～60 cm，寬度5～300 cm，同時，坡體邊緣也發(fā)育有剪切裂縫，深度50～200 cm，寬度5～50 cm，平均長度20～50 cm，最大長度3 m。鉆孔揭露此處滑面深度71.0 m。三級平臺長100 m，寬50～70 m，前緣陡坎高5.0 m，揭露滑面深度50.0 m?；履蟼?cè)曾于2002年農(nóng)歷正月十四日發(fā)生滑動，形成的新滑體縱長1 500 m，寬250 m，平均厚30.0 m；滑體中下部受擠壓形成約20 m高的反翹隆起，坡體破碎，坡度30°，在滑坡后緣形成南北向長380 m，寬8 m，深5～8 m的大裂縫，將原鄉(xiāng)村公路摧毀。新滑體西側(cè)可見滑坡下滑時形成的擦痕，新滑體表部發(fā)育眾多長30～250 m，寬0.1～3.5 m，深0.4～3.5 m拉張裂縫，裂縫面均內(nèi)傾，傾角約60°。2002年6月26日，新滑坡前緣再次發(fā)生滑動，方量約1×103m3。該次滑動后至今，滑坡未產(chǎn)生明顯的滑動變形。

滑坡體巖性組成較復(fù)雜，除母巖泥巖、泥砂巖混雜堆積外，還有滑坡后壁高處的黃土及底礫石介入，但總體以淺土黃色泥巖為主，因此定性為泥巖滑坡?；潞缶壷燎熬壌蠖鄶?shù)堆積體混雜堆積，滑坡中后部局部地段塊體完整性較好，無方向、無層次與其他堆積體混雜堆積。根據(jù)鉆孔揭露的信息，滑帶土依不同部位厚度亦有不同，滑坡中前緣滑帶位于泥巖中，厚0.3～0.6 m，呈軟塑狀，稍濕，擦痕不明顯；滑坡后部滑帶厚0.6～1.0 m，結(jié)構(gòu)破碎，呈碎裂狀，見明顯擦痕。其典型縱剖面如圖3所示［10］。

2 降雨條件下滑坡滲流特征

張家村滑坡形成之后產(chǎn)生了局部解體，形成了三級較大平臺，一定程度上釋放了滑體的勢能，增加了滑坡體穩(wěn)定性。但是，由于滑坡堆積物結(jié)構(gòu)松散，物理力學(xué)性質(zhì)差，在滑坡自身重力作用、降雨入滲、坡面沖刷等因素作用下，特別是長時間持續(xù)降雨條件下，老滑坡體巖土體受雨水和地下水作用產(chǎn)生增重、軟化、潤滑以及靜水壓力、滲透力等作用，存在整體復(fù)活或再次局部解體的可能性。因此，本文在借助滲流計算軟件Geostudio中的SEEP/W模塊，對張家村滑坡在降雨條件下的垂直入摻和側(cè)向滲流特征進(jìn)行分析研究，以確定降雨及其入滲對老滑坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定

為開展張家村滑坡降雨入滲及滲流特征分析，采用單環(huán)法現(xiàn)場測定了滑坡體的滲透系數(shù)。根據(jù)單環(huán)法試驗要求，現(xiàn)場試驗時在坡體平緩處挖除表層土體，平整新鮮面；用錘緩慢敲擊鋼環(huán)，使其均勻進(jìn)入土體20 cm（圖4）；在鋼環(huán)內(nèi)平鋪2 cm左右的砂礫層作為濾層，并倒水至10 cm的標(biāo)記線；一旦鋼環(huán)內(nèi)水位出現(xiàn)低于標(biāo)記線，立刻加水以保證滲透水壓的穩(wěn)定，水位長時間沒有明顯變化時停止試驗，并記錄試驗時間和試驗水量。從而，根據(jù)達(dá)西定律計算出滑坡體3個不同位置處的飽和滲透系數(shù)分別為5.62 ×10-5、4.50 ×10-5和3.50 ×10-4m/s。

2.2 降雨條件下滑坡的滲流特征

根據(jù)張家村滑坡典型縱剖面建立了二維滲流分析模型，邊界條件為滑體表面為常流量邊界（降雨邊界），滑帶與滑床界線為零流量邊界。據(jù)1990—2012年的降雨資料，互助縣一日最大降雨量為59.0 mm（2003年7月30日），因此將59.0 mm/d的降雨作為降雨邊界的輸入值，模擬研究該降雨條件下張家村滑坡降雨入摻和側(cè)向滲流特征。滑體與滑帶的滲透系數(shù)取值如下:滑體表層碎石土的滲透系數(shù)差異不大，由于滑坡表層結(jié)構(gòu)較內(nèi)部松散，其值在理論上大于滑體內(nèi)部土體的滲透系數(shù)，因此取試驗值的最小值5.62×10-5m/s（4.86 m/d）作為滑體的計算參數(shù)；滑帶土因擠壓揉皺其滲透能力較滑體低，滲透系數(shù)取4.0 m/d?；矠橄鄬Ω羲⑼杆院懿畹哪鄮r，在滲流分析時認(rèn)為其為不透水層?；谏鲜稣J(rèn)識，采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)估算法分別得到了滑體和滑帶的體積含水量-基質(zhì)吸力曲線和導(dǎo)水率-基質(zhì)吸力曲線（圖5和圖6）。

在此基礎(chǔ)上，開展降雨條件下不同降雨時長時張家村滑坡降雨入滲、側(cè)向滲流特征分析。圖7為59 mm/d的降雨條件下，降雨1～5 d后張家村滑坡的孔隙水壓力云圖和側(cè)向滲流情況?？梢钥闯觯S著降雨時間的持續(xù)增加，滑坡體淺表層飽水區(qū)域的范圍越來越大，而中下部幾乎沒有明顯變化，4 d后入滲深度增加不明顯，最大降雨入滲深度約16 m，只占滑坡厚度的四分之一左右；同時，隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，3 d后滑坡淺表層飽水并開始出現(xiàn)明顯的向坡外和滑坡中前部的側(cè)向滲流，降雨至4～5 d后，向坡外和滑坡中前部的側(cè)向滲流強(qiáng)度越來越大，并在滑坡前緣局部區(qū)域泄出。從而說明，在持續(xù)的降雨作用下，老滑坡垂直入滲深度淺，僅限于滑坡體淺表層，降雨入滲至一定深度后基本不再增加，與此同時降雨入滲后形成的地下水向坡外和滑坡中前部的側(cè)向滲流明顯，滑坡體內(nèi)存在明顯的滲透動水壓力，可能對斜坡淺表層穩(wěn)定性影響較大。

3 降雨條件下滑坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)前述的滲流模擬分析，確定了張家村滑坡在降雨條件下降雨垂直入滲和側(cè)向滲流特征，在此基礎(chǔ)上采用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊耦合，以常用的簡布法（Janbu法）計算了老滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。在滑坡穩(wěn)定性計算過程中，依據(jù)張家村滑坡勘查測試資料［10］及經(jīng)驗參數(shù)，飽和狀態(tài)下滑體參數(shù)取值為容重24.0 kN/m3，粘聚力25.0 kPa，內(nèi)摩擦角27.0°；滑帶土參數(shù)取值為容重23.8 kN/m3，粘聚力17 kPa，內(nèi)摩擦角20.25°，用于飽和區(qū)域滑體和滑帶的參數(shù)賦值；天然狀態(tài)下滑體參數(shù)取值為容重19.8 kN/m3，粘聚力29.5 kPa，內(nèi)摩擦角33.45°；滑帶土參數(shù)取值為容重19.9 kN/m3，粘聚力20 kPa，內(nèi)摩擦角29.36°，用于非飽和區(qū)域滑體和滑帶的參數(shù)賦值；滑床為新近系泥巖，相對于松散破碎的滑坡堆積物而言，其力學(xué)性質(zhì)顯然好得多，因此將滑床視為穩(wěn)定體。

計算結(jié)果表明，在59 mm/d的降雨條件下，降雨1、2、3、4 d后老滑坡體的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.564、1.167、0.914、0.911，潛在破壞區(qū)域為滑坡后部、前部淺表層局部區(qū)域?？梢姡虝r降雨對老滑坡穩(wěn)定性影響不大，隨著降雨時間的不斷持續(xù)，老滑坡的穩(wěn)定性逐漸降低，長時間降雨會導(dǎo)致滑坡淺表層產(chǎn)生進(jìn)一步解體變形，但是滑坡整體的穩(wěn)定性較好。這與老滑坡在降雨條件下的滲流特征反映的情況一致，老滑坡淺表層堆積物更加松散，降雨入滲深度相對于滑體厚度而言非常有限，長時間持續(xù)降雨條件下老滑坡體淺表層受降雨及其入滲形成的地下水作用，導(dǎo)致巖土體自重增加的同時，地下水對巖土體形成軟化、潤滑以及靜水壓力、滲透力等作用，因此老滑坡淺表層在長時間降雨作用下產(chǎn)生局部解體變形。

4 討論與結(jié)論

青海東部地區(qū)因廣泛發(fā)育黃土—紅層丘陵，泥巖老滑坡較多，近年來隨著汛期極端降水天氣增多，引發(fā)了諸多滑坡隱患和災(zāi)害，降雨作用下泥巖老滑坡的穩(wěn)定性評價成為地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)需重點關(guān)注的問題之一。對降雨條件下滑坡的滲流情況、穩(wěn)定性等方面已有相關(guān)研究［2-6］，但降雨入滲條件下泥巖老滑坡堆積體內(nèi)地下水的滲流特征及其作用下滑坡穩(wěn)定性方面的研究成果較少。本文以互助縣張家村滑坡為例，利用Geostudio軟件的SEEP/W、SLOPE/W模塊分析了降雨條件下老滑坡的滲流特征和穩(wěn)定性，在59 mm/d的降雨條件下，短時降雨時滑坡體的入滲深度極淺，降雨對老滑坡穩(wěn)定性影響不大，其整體或局部穩(wěn)定性均較好；長時間降雨時老滑坡體的垂直入滲深度淺，降雨入滲至一定深度后基本不再增加，但向坡外和滑坡中前部的側(cè)向滲流明顯，對老滑坡淺表層穩(wěn)定性影響較大，老滑坡淺表層可能會產(chǎn)生局部解體變形，但對老滑坡整體穩(wěn)定性的影響小，該認(rèn)識對青海東部地區(qū)諸多泥巖老滑坡防災(zāi)減災(zāi)具有較好的理論和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

需指出的是，模擬分析時采用了1990—2012年互助縣一日的最大降雨量（59 mm，2003年7月30日），從傳統(tǒng)降雨入滲研究角度考慮，該極端降雨強(qiáng)度下地表可能會形成泥膜進(jìn)而限制降雨入滲；但是，張家村滑坡表層破碎，拉張裂縫帶、反坡地形等大量分布，實際上有利于降雨入滲?？紤]真實裂縫存在條件下的降雨入滲特征研究將非常困難，已有的成果也僅僅是采用簡單的斜坡模型開展相關(guān)研究［11-12］，很難在復(fù)雜滑坡研究中運(yùn)用，因此老滑坡表面裂縫存在對降雨入滲及坡體穩(wěn)定性的影響還需進(jìn)一步深入分析。