云南地區(qū)降雨誘發(fā)堆積體邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理研究

王建洪， 田 明， 鄒云麗， 王 進(jìn)， 付曉東

(1.云南大永高速公路有限公司， 云南 大理 671000；2.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650200； 3.成都興城建設(shè)管理有限公司， 四川 成都 610011；4.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

云南是我國(guó)滑坡地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一。云南之所以地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)頻繁，是因?yàn)樵诼L(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程中，地殼大幅度抬升，形成了群山起伏、江河深嵌、斜坡高陡的地貌特點(diǎn)，使得該地區(qū)成為地質(zhì)災(zāi)害孕育的理想場(chǎng)所[1]。大量文獻(xiàn)曾報(bào)道，降雨作用下該地區(qū)的欠穩(wěn)定坡體極易演化為地質(zhì)災(zāi)害[2-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)原位監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段分析了降雨過(guò)程中邊坡的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，研究了邊坡失穩(wěn)力學(xué)機(jī)理[5-7]。詹良通等[8]對(duì)非飽和膨脹土邊坡進(jìn)行了原位人工降雨試驗(yàn)和綜合監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)降雨使淺層土體含水率大幅度增大，基質(zhì)吸力降低，從而造成土體強(qiáng)度降低，水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力的比值接近極限值。Okura等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)降雨導(dǎo)致邊坡孔隙水壓力的上升是誘發(fā)滑坡的主要原因。田海等[10]采用新型介質(zhì)霧化噴嘴離心場(chǎng)降雨模擬設(shè)備開(kāi)展了松散堆積體邊坡試驗(yàn)，指出隨降雨量的增大，邊坡頂部沉降及坡面水平位移逐漸發(fā)展，坡面逐層產(chǎn)生破壞，最終形成泥石流形態(tài)。戚國(guó)慶等[11]和榮冠等[12]運(yùn)用有限元方法開(kāi)發(fā)了邊坡非飽和滲流計(jì)算程序，并研究了降雨作用下滑坡基質(zhì)吸力和暫態(tài)飽和區(qū)的響應(yīng)規(guī)律。劉禮領(lǐng)等[13]和吳火珍等[14]都運(yùn)用GeoStudio軟件對(duì)降雨作用下的滑坡響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了研究，獲得了有益的結(jié)論，但目前對(duì)降雨作用下的滑坡響應(yīng)規(guī)律研究缺乏系統(tǒng)性。

由于云南地區(qū)降雨條件的復(fù)雜性和獨(dú)特性，使得邊坡失穩(wěn)力學(xué)機(jī)理具有其自身的特殊性。針對(duì)云南地區(qū)具有代表性的堆積體邊坡，在分析云南地區(qū)降雨特征的基礎(chǔ)上，采用GeoStudio軟件的SEEP/W、Sigma/W模塊開(kāi)展飽和非飽和滲流-應(yīng)力非耦合分析，模擬了均勻與波動(dòng)性降雨下邊坡的響應(yīng)過(guò)程，揭示了降雨誘發(fā)堆積體邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理。

1 典型滑坡與降雨的相關(guān)性

通過(guò)對(duì)21世紀(jì)以來(lái)云南地區(qū)29起典型滑坡地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查，基于中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集對(duì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天及前9天內(nèi)每天的降雨量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)中國(guó)氣象局根據(jù)不同的日降雨量發(fā)布了的降雨類型標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)，對(duì)9天內(nèi)的降雨類型進(jìn)行分類，研究滑坡與降雨之間的關(guān)系。

表1 不同雨型的日降雨量

圖1統(tǒng)計(jì)了滑坡發(fā)生前9天內(nèi)每天的降雨類型，小雨和無(wú)雨在滑坡發(fā)生前的4 d～9 d內(nèi)出現(xiàn)的比例相對(duì)較高，合計(jì)比例約占所有滑坡數(shù)量的80%。中雨及其以上降雨在滑坡發(fā)生前1 d～3 d內(nèi)出現(xiàn)的比例相對(duì)于后幾天來(lái)說(shuō)，有所提高，約為30%。由此說(shuō)明，滑坡發(fā)生前的降雨以無(wú)雨和小雨為主，中雨及其以上降雨發(fā)生的概率在滑坡發(fā)生前1 d～3 d內(nèi)有所提高，在滑坡發(fā)生當(dāng)天最高，上升為52%。

圖1 滑坡發(fā)生前每天的降雨統(tǒng)計(jì)

分析滑坡當(dāng)天及前9天內(nèi)的降雨情況，從滑坡發(fā)生的時(shí)間看，有86%的滑坡發(fā)生在雨季；從滑坡發(fā)生當(dāng)天的降雨情況看，僅有10%的滑坡發(fā)生當(dāng)天未下雨，有超過(guò)50%的滑坡當(dāng)天下了中雨及以上級(jí)別的雨；從滑坡發(fā)生前的降雨天數(shù)看，所有滑坡在前9 d內(nèi)都出現(xiàn)了4 d以上的降雨，有55%的滑坡出現(xiàn)了4天連續(xù)降雨的情況；從前9天的雨型看，滑坡發(fā)生前4 d～9 d內(nèi)，以無(wú)雨或小于為主，前1 d～3 d內(nèi)，中雨及以上級(jí)別降雨的概率上升為30%，當(dāng)天降雨上升為52%。上述分析表明，降雨是引發(fā)云南地區(qū)滑坡的主要因素之一，滑坡的發(fā)生是前期降雨和當(dāng)天降雨共同作用的結(jié)果。

2 云南地區(qū)的降雨特征

西部橫斷山區(qū)是云南省降雨引發(fā)型滑坡的典型發(fā)育區(qū)，選取麗江、香格里拉兩個(gè)氣象站在2010年—2014年的逐日降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，一次極端降雨事件(大雨或暴雨)的持續(xù)時(shí)間為2 d～16 d，累積降雨量為34.4 mm～223.1 mm。

一次降雨事件的雨量分布統(tǒng)計(jì)表明該區(qū)的降雨時(shí)程由一次或多次中雨以上的降雨與若干次小雨組成，中雨以上的降雨在降雨事件中多為峰值，按照峰值的數(shù)量，可將降雨事件分為多值型和單值型，分別見(jiàn)圖2、圖3。多值型的主要特征為降雨時(shí)程曲線多次取得局部峰值；單值型的主要特征為降雨時(shí)程曲線只存在一次峰值，其他時(shí)間降雨量向峰值兩側(cè)逐漸減小。兩地共發(fā)生極端降雨事件24次，其中單值型降雨事件13次，占全部極端降雨事件的57%，所有單值型的降雨事件持續(xù)時(shí)間都在7 d以下；多值型降雨事件11次，其中持續(xù)時(shí)間在7 d以上的共10次，占全部單值型降雨事件的90%。因此，研究區(qū)的極端降雨類型主要為單值型和多值型，單值型降雨事件的持續(xù)時(shí)間一般小于7 d，而多值型降雨事件的持續(xù)時(shí)間一般大于7 d。

圖2 多值型降雨類型的時(shí)程曲線

圖3 單值型降雨類型的時(shí)程曲線

3 降雨誘發(fā)堆積體邊坡失穩(wěn)機(jī)理

3.1 分析模型與降雨工況

云南省降雨型滑坡地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，災(zāi)害易發(fā)于第四系松散堆積物較厚的區(qū)域，結(jié)構(gòu)松散，以粉質(zhì)黏土夾碎石為主要成分，稱之為碎石土。根據(jù)該特點(diǎn)，建立了圖4的數(shù)值分析模型，x方向的范圍為0 m～35 m，y方向的范圍為0 m～20 m，坡度為45°；模型上部為碎石土，下部為基巖。模擬采用GeoStudio軟件，碎石土的土水特征曲線和滲透性函數(shù)曲線采用Fredlund-Xing模型；上覆堆積體基質(zhì)吸力初始值為50 kPa。進(jìn)行滲流分析時(shí)，坡體左右兩邊和底邊為不透水邊界，坡面為流量邊界，流量大小受降雨強(qiáng)度函數(shù)控制，見(jiàn)圖5，降雨工況采用均勻型、單值型與多值型三種降雨模式的，研究波動(dòng)性對(duì)降雨誘發(fā)滑坡的影響。

圖4 堆積體邊坡的概化模型

圖5 降雨時(shí)程曲線

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 滲流

圖6給出了深度0.2 m、2.2 m、4.2 m處滲流速度隨時(shí)間的變化曲線。0.2 m處，在整個(gè)降雨過(guò)程中，均勻型降雨的流速曲線變化較平緩，單值型降雨的流速曲線呈現(xiàn)先增大后減小的單峰值特征，多值型降雨的流速曲線則波動(dòng)出現(xiàn)了三次峰值，與降雨時(shí)程曲線變化規(guī)律一致；滲流均在24 h時(shí)發(fā)生，發(fā)生時(shí)單值型和多值型的流速相同，小于均勻型的情況，滲流在216 h時(shí)基本結(jié)束。最大流速出現(xiàn)在96 h時(shí)，單值型略大于多值型，而均勻型最小。2.2 m處，均勻型降雨滲流發(fā)生在72 h時(shí)，而對(duì)于單值型和多值型降雨，滲流則出現(xiàn)在96 h時(shí)，晚于均勻型降雨；對(duì)于單值型和多值型降雨，峰值流速出現(xiàn)在120 h，單值型略大于多值型，相對(duì)于0.2 m處的峰值要小的多，而均勻型降雨的峰值出現(xiàn)在144 h，峰值較多值型降雨小。4.2 m處三種降雨類型的滲流速度曲線形狀趨于一致，由棱角向圓滑變化的趨勢(shì)。對(duì)于滲流出現(xiàn)的時(shí)間，單值型和多值型出現(xiàn)在144 h，而均勻型則出現(xiàn)在168 h。

圖6 不同深度滲流速度隨時(shí)間的變化

綜上，從流速曲線形狀的變化及峰值的大小可以發(fā)現(xiàn)，流速曲線與降雨過(guò)程曲線吻合度隨深度的增加而降低，流速的峰值隨著深度的增加也在被削弱，因此，說(shuō)明降雨模式對(duì)于邊坡滲流場(chǎng)流速的影響隨深度的增加而降低。從滲流發(fā)生時(shí)間的差異來(lái)看，隨著深度的增加，滲流場(chǎng)由同時(shí)發(fā)生變?yōu)榫鶆蛐拖劝l(fā)生，反轉(zhuǎn)為單值型和多值型先發(fā)生，因此，說(shuō)明雨型對(duì)滲流場(chǎng)的發(fā)展速度有一定的影響，均勻型對(duì)滲流場(chǎng)的淺層擴(kuò)散速度有明顯的促進(jìn)作用，單值型和多值型對(duì)于滲流場(chǎng)的深層擴(kuò)散有明顯的擴(kuò)散作用。

3.2.2 基質(zhì)吸力

通過(guò)研究不同降雨模式下基質(zhì)吸力隨深度和時(shí)間的變化曲線發(fā)現(xiàn)，均勻型降雨作用下，受影響土體基質(zhì)吸力變?yōu)?.3 kPa并且在整個(gè)降雨過(guò)程中維持不變，隨著降雨的結(jié)束，8 d時(shí)，2.2 m范圍內(nèi)的土體由于雨水的停止供給和自由水的流失，基質(zhì)吸力開(kāi)始逐步恢復(fù)。單值型降雨作用下，表層土體含水率不斷升高，基質(zhì)吸力降低，到第4天結(jié)束時(shí)，1 m范圍內(nèi)的土體基質(zhì)吸力將至最低值4.6 kPa，此時(shí)，降雨峰值已結(jié)束。隨著降雨的繼續(xù)，濕潤(rùn)鋒繼續(xù)下移，深部土體的基質(zhì)吸力繼續(xù)降低，降低幅度沒(méi)有之前大，雖然此時(shí)降雨仍在繼續(xù)，但淺層的土體的基質(zhì)吸力在逐步恢復(fù)，第7天降雨結(jié)束時(shí)，0.2 m處土體的基質(zhì)吸力已恢復(fù)致7.9 kPa，4.7 m處土體的基質(zhì)吸力也為7.1 kPa。多值型降雨作用下，一定范圍土體的基質(zhì)吸力隨降雨的波動(dòng)發(fā)生明顯的波動(dòng)，降雨強(qiáng)度增加時(shí)，基質(zhì)吸力降低，降雨強(qiáng)度降低時(shí)，基質(zhì)吸力增加，但影響深度有限。

3.2.3 位移

圖7繪制了不同時(shí)刻邊坡不同深度的位移曲線?？梢?jiàn)第2天結(jié)束時(shí)，均勻型的位移值較大，而在第7天和第10天結(jié)束時(shí)，單值型和多值型的位移已遠(yuǎn)超均勻型，且多值型的變形量最大。

圖7 不同降雨模式下的邊坡位移曲線

塑性區(qū)是判斷邊坡失穩(wěn)最直觀的依據(jù)，通過(guò)觀測(cè)邊坡在降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律，圖8—圖10分別繪制了均勻型、單值型與多值型三種降雨模式下邊坡的塑性區(qū)發(fā)展。單值型降雨僅在坡腳位置發(fā)生微量塑性區(qū)，單值型降雨在77.5 h時(shí)，坡腳已完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，91.5 h時(shí)，塑性區(qū)基本沿滑面貫通。多值型降雨在68.5 h時(shí)，坡腳已完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，早于單值型降雨，同樣在80 h時(shí)塑性區(qū)基本沿滑面貫通，同樣早于單值型降雨。

圖8 均勻性降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展

圖9 單值型降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展

圖10 多值型降雨作用下的塑性區(qū)發(fā)展

4 結(jié) 論

(1) 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，云南地區(qū)降雨具有多值型和單值型特征。

(2) 通過(guò)均勻型、單值型與多值型降雨條件下堆積體邊坡的力學(xué)響應(yīng)分析，揭示了波動(dòng)性對(duì)降雨誘發(fā)滑坡的影響機(jī)制：波動(dòng)性降雨的影響范圍大，坡腳的應(yīng)力集中程度高，更容易導(dǎo)致滑坡的發(fā)生；多值型降雨比單值型降雨影響范圍更廣，形成的滑面更深，邊坡塑性發(fā)展階段產(chǎn)生的位移更大，降雨誘發(fā)滑坡所需的時(shí)間更短。

(3) 降雨致滑機(jī)理可以歸納為：雨水入滲使得碎石土飽和，基質(zhì)吸力降低；坡內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整，坡腳出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象；剪應(yīng)力的增加造成土體屈服，使得坡腳土體進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生較大的塑性變形；隨著坡腳土體的破壞，滑坡前緣阻滑能力喪失，造成塑性區(qū)不斷向上發(fā)展；當(dāng)塑性區(qū)貫通后，滑動(dòng)面形成，發(fā)生失穩(wěn)破壞。