外部降雨條件和內(nèi)部瞬態(tài)承壓水作用對(duì)堆積層滑坡的影響分析和數(shù)值模擬

汪 磊, 尚岳全

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310058)

山地邊坡在中國(guó)南方存在廣泛,坡體安全性始終是一個(gè)重要的研究對(duì)象[1]。堆積層滑坡是滑坡演化的一個(gè)發(fā)展階段,可以持續(xù)幾個(gè)月就失穩(wěn),也可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年不進(jìn)入劇滑破壞階段[2-3]。堆積體滑坡是所有滑坡中分布最為廣泛、規(guī)模大、發(fā)生頻率高、突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)危害較大的一類滑坡種類,該類滑坡通常發(fā)生在第四系及近代松散堆積體中。堆積體邊坡往往地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其滑體物質(zhì)一般由次生堆積體,如崩積物、崩坡積物及沖積與崩坡積混合物堆積而成,成因各不相同,滑動(dòng)面一般為堆積體與下覆基巖的接觸面[4-9]。地下水作為最主要的影響因素一直是穩(wěn)定性研究中的重點(diǎn)內(nèi)容[10]。其中承壓水因其水力學(xué)作用和誘發(fā)機(jī)理的特殊性,在礦山邊坡和涉水邊坡的研究中得到較多的關(guān)注[11-12]。本文所提的瞬態(tài)承壓水指的只在降雨條件下形成的承壓水作用,承壓水的形成是瞬時(shí)的,降雨停止后承壓水作用消失。研究瞬態(tài)承壓水,對(duì)于實(shí)施滑坡防治工程有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值[13-14]。

目前，對(duì)于堆積層滑坡中降雨對(duì)地下水的影響研究，主要通過(guò)數(shù)值模擬、理論分析和實(shí)地監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行[15-18]，鮮有研究將由于降雨入滲進(jìn)而產(chǎn)生的瞬態(tài)承壓水作為研究重點(diǎn)。關(guān)于承壓水誘發(fā)滑坡的案例，在分析時(shí)多從傳統(tǒng)滑坡的概念進(jìn)行分析，沒有深入的分析這些坡體在地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)，沒有從瞬態(tài)承壓水的產(chǎn)生和作用機(jī)理角度對(duì)災(zāi)害做出深入的解釋。本文以范山頭滑坡為案例，通過(guò)對(duì)坡體的地質(zhì)背景和水文條件進(jìn)行分析，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)邊坡的滲流場(chǎng)進(jìn)行研究，得到此類滑坡的誘發(fā)機(jī)理和瞬態(tài)承壓水在坡體內(nèi)部的產(chǎn)生和后期的發(fā)育特征。

1 滑坡概況

范山頭滑坡位于浙江省麗水市松陽(yáng)縣玉巖鎮(zhèn)沙丘村范山頭村處，滑坡隱患區(qū)總方量約2.85×106m3，前緣處于蠕滑變形狀態(tài)的次級(jí)滑坡方量約1.50×105m3。場(chǎng)地地形呈現(xiàn)出北高南低、東高西低的整體特點(diǎn)，山間有溝谷發(fā)育。范山頭整個(gè)邊坡坡向220°，地勢(shì)起伏較大，坡腳高程440 m，后緣高程535 m，最大相對(duì)高度超過(guò)90 m。

該地區(qū)雨季時(shí)降雨充沛，對(duì)坡體的破壞力強(qiáng)，對(duì)坡體的穩(wěn)定性影響較大，極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。加上坡體后緣水田較多，地下水資源較為豐富。強(qiáng)降雨導(dǎo)致坡面出現(xiàn)裂縫，坡體出現(xiàn)滑移，產(chǎn)生了間歇性的蠕動(dòng)滑坡區(qū)。

該滑坡所處屬浙西南以火山碎屑巖、變質(zhì)巖為主的斷塊中山地貌區(qū)，滑坡區(qū)表面形態(tài)呈現(xiàn)上陡、中緩、下陡的趨勢(shì),滑坡體的物質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)差異明顯的上、中、下共3層，主要由粉質(zhì)黏土、含黏土碎石及下覆較完整基巖組成。含角礫粉質(zhì)黏土主要分布在坡體前緣的淺層，滲透系數(shù)較低，角礫含量在5%～20%之間，粒徑0.2～2.0 cm，飽和，可塑，切面粗糙，其余為粘性土，干強(qiáng)度中等—高，層厚1.4～9.4 m；中間層為含黏土碎石，要分布在前緣下層和整個(gè)后緣的基巖之上，滲透系數(shù)較大，顆粒級(jí)配分選性差，碎石含量在50%～80%之間，粒徑2～15 cm不等，個(gè)別達(dá)到18 cm。滑坡體中零星分布碎石土。下層為下伏基巖，主要由不同風(fēng)化程度的玻屑凝灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖組成，厚度較大，物理力學(xué)性質(zhì)較好。

該滑坡地下水補(bǔ)給來(lái)源豐富，活動(dòng)頻繁。滑坡后緣滲透系數(shù)相對(duì)較大，滲透系數(shù)為2.85×10-6m/s，富水性較好，水力梯度較大，滑坡前緣滲透性相對(duì)較低，滲透系數(shù)為5.61×10-8m/s，水力梯度較小，且滑坡表層的含角礫粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)小，為弱含水層，因此表層降雨很難入滲，后緣進(jìn)入坡體內(nèi)部的地下水在徑流過(guò)程中對(duì)滑坡區(qū)前緣表層有“頂托”作用。地下水徑流產(chǎn)生較大滲透力，加大了坡體下滑力，減少了抗滑力，大大降低坡體穩(wěn)定性系數(shù)。

滑坡區(qū)地下水位較淺，一般在2～5 m左右，該滑坡出現(xiàn)險(xiǎn)情之前兩個(gè)月80%時(shí)間均在降雨，再加上滑坡后緣灌溉用水下滲、滑坡體上方生活用水無(wú)序排放等，使坡體吸收較多的水分，巖土體基本處于完全飽和狀態(tài)。造成該坡體下滑力增加，并且潤(rùn)滑了滑動(dòng)帶，導(dǎo)致c，φ值急劇降低。綜上所述，地下水的上升在本次滑坡的形成和發(fā)展過(guò)程中起著控制性作用。

2 滑坡變形破壞與降雨關(guān)系

2.1 滑坡變形破壞特征

滑坡的變形最早發(fā)現(xiàn)于2010年7月4日，現(xiàn)狀滑坡區(qū)的前緣部分多處房體出現(xiàn)寬度高至10 cm的裂縫，范山頭村最北側(cè)區(qū)域出現(xiàn)一條最大的裂縫L1，L1裂縫最寬處高達(dá)15 cm，為基本連通的弧形裂縫。到同年8月，L1弧形裂縫繼續(xù)加大和擴(kuò)展，最大寬度達(dá)到25 cm。

雖然采取了很多應(yīng)急措施，比如水泥砂漿填充裂縫，但是收效甚微。在2012年6月經(jīng)歷強(qiáng)降雨之后，裂縫再次發(fā)展擴(kuò)大。在此之后，每次經(jīng)歷強(qiáng)降雨天氣之后，裂縫均擴(kuò)展和加深，在2013年的9月，對(duì)整個(gè)坡體進(jìn)行了地質(zhì)勘察和測(cè)繪，發(fā)現(xiàn)整個(gè)裂縫的數(shù)量較最初有較大程度的增加，在裂縫L1后緣出現(xiàn)新裂縫L6，變形破壞區(qū)范圍持續(xù)擴(kuò)大，2015年6月對(duì)滑坡進(jìn)行復(fù)查，滑坡體上分房屋傾斜明顯，于2016年6月完成了全村搬遷。

2.2 降雨條件下地下水的積累過(guò)程

由于坡體前緣與后緣的滲透性不同，坡體地下水的積累過(guò)程就是強(qiáng)降雨在坡體表面的不均勻入滲的過(guò)程。為了得知強(qiáng)降雨對(duì)地下水位的影響，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果如下。

圖1所示為2018年8月的4場(chǎng)降雨對(duì)坡體后緣和前緣的地下水位孔ZK1和ZK6的水位高程的影響，4場(chǎng)降雨分別是3，11，15，21日，鉆孔ZK1和和ZK6分別指代坡體的后緣和前緣部分的地下水變化情況。前緣ZK6孔的水位響應(yīng)時(shí)間為3 d，在降雨開始之后的3 d時(shí)間水位才達(dá)到最高位置，水位上升高程不大，在到達(dá)最高水位之后，高水位持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，水位下降比較緩慢，地下水位與降雨表現(xiàn)出高相關(guān)性；后緣ZK1孔的水位響應(yīng)時(shí)間為1 d，水位上升高程很大，在達(dá)到最高水位之后，高水位下降迅速，持續(xù)時(shí)間較短，地下水位與降雨的相關(guān)性同樣比較明顯(8月21日由于現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)導(dǎo)致水位變化出現(xiàn)了滯后)。對(duì)比后緣與前緣地區(qū)的水位數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)兩處的水位在降雨條件下均進(jìn)行了不同程度的上漲，在到達(dá)最高水位之后，高水位維持時(shí)間較短，但是回落速度不同，后緣高水位回落較快，前緣高水位回落較慢，說(shuō)明降雨對(duì)整個(gè)坡體的地下水位高度影響較大。但是坡體后緣水位的響應(yīng)時(shí)間比前緣要少2 d，水位上升高度更明顯，說(shuō)明降雨對(duì)坡體后緣部分的水位上升影響更大。

注：ZK6為前緣水位孔； ZK1為后緣水位孔。下同。

由于坡體后緣滲透性大，強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)雨量首先通過(guò)后緣高滲透區(qū)滲入坡體內(nèi)部，使得坡體后緣的地下水位被快速抬升，而坡體前緣的地下水位變化較為滯后，強(qiáng)降雨的不均勻入滲對(duì)地下水的積累過(guò)程起著關(guān)鍵的作用。

2.3 滑坡變形破壞與外部降雨關(guān)系

圖2為滑坡區(qū)的年度降雨量，可以看出2002，2010，2012年降雨量較大，滑坡的變形破壞就開始于2010，2012年。從月降雨量分布(見圖3)可以看出，2002年雖然降雨量較大，但降雨分散，全年相對(duì)均衡，沒有出現(xiàn)過(guò)單月降雨量超過(guò)300 mm的月份，而滑坡出現(xiàn)變形破壞的2010年和2012年的單月最大降雨量分別達(dá)到365 mm和466 mm，而且最大降雨量出現(xiàn)的月份均是6月，也就是滑坡災(zāi)害出現(xiàn)的前一個(gè)月，由歷時(shí)降雨數(shù)據(jù)查知，2010，2012年6月份的90%時(shí)間均處于降雨天氣下，坡體逐漸趨于飽和，地下水位不斷上升，導(dǎo)致滑坡發(fā)生變形破壞，產(chǎn)生較大規(guī)模的裂縫。由此可見，滑坡變形破壞與降雨關(guān)系密切。

圖2 2000-2014年研究區(qū)年度降雨量

圖3 2002，2010及2012年研究區(qū)的月降雨量分布

3 瞬態(tài)承壓水對(duì)坡體的影響以及數(shù)值模擬

3.1 瞬態(tài)承壓水的提出以及對(duì)坡體的影響

從地層剖面分布可以發(fā)現(xiàn)，表層粉質(zhì)黏土只分布在坡體的中緣和前緣，后緣的表層是滲透性較好的碎石土層，滲透系數(shù)較低的含角礫粉質(zhì)黏土在滑坡后部缺失，這為降雨入滲提供了很好的條件。因此當(dāng)雨季發(fā)生連續(xù)降雨時(shí)，大量的地下水外來(lái)補(bǔ)給可以通過(guò)后緣的碎石土層進(jìn)入坡體，并沿著坡體內(nèi)部的碎石土層進(jìn)行較為穩(wěn)定的地下水滲流。由于坡體前緣是滲透性較低的粉質(zhì)黏土層，坡體前緣的入滲率低，大部分外來(lái)降雨均沿著坡體表流走，滲入坡體內(nèi)部的外來(lái)降雨較少，坡體前緣的地下水位來(lái)源主要為坡體后緣入滲進(jìn)而隨著滲流通道而來(lái)的地下水。隨著后緣地下水位砸坡體內(nèi)部的不斷滲流，前緣地下水也不斷上升，由于地下水上升過(guò)程中會(huì)遇到滲透性低的粉質(zhì)黏土層的下底面，此時(shí)就出現(xiàn)了上升的阻礙，就出現(xiàn)了瞬態(tài)承壓水的作用，對(duì)坡體產(chǎn)生了很大的影響作用。

通過(guò)范山頭滑坡變形破壞發(fā)展過(guò)程分析，揭示了降雨入滲是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的主要外在因素。降雨入滲是瞬態(tài)承壓水出現(xiàn)的必要條件，對(duì)于堆積層滑坡，只有產(chǎn)生了降雨，才會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)承壓水的出現(xiàn)。降雨是外因，瞬態(tài)承壓水是內(nèi)部因素。研究降雨入滲產(chǎn)生瞬態(tài)承壓水的形成過(guò)程，將可以更深入地理解范山頭滑坡的成因機(jī)理。為此首先選擇具有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的2018年，開展坡體滲流場(chǎng)數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性，進(jìn)而研究降雨入滲形成瞬態(tài)承壓水的條件。

3.2 計(jì)算模型及其驗(yàn)證分析

選取ZK1和ZK6所在的剖面，采用GEO-STUDIO軟件，構(gòu)建邊坡滲流場(chǎng)分析計(jì)算模型，模型長(zhǎng)度為470 m，高度為140 m，分析坡體滲流場(chǎng)特征。

在模擬過(guò)程中，由于基巖為泥質(zhì)粉砂巖，滲透性很低，模擬時(shí)滲透系數(shù)設(shè)為0，基巖被視為不透水層，在含黏土碎石層和基巖之間的接觸面處施加零流量參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)。該模擬方案的基本思路是分別在整個(gè)滑坡區(qū)域的前緣和后緣設(shè)置固定水頭高，水頭高為坡體實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而確定坡體內(nèi)部的初始地下水位位置。在坡面處設(shè)置不同的降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間段，探究不同條件下坡體內(nèi)部滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。此外，該模擬方法根據(jù)地表巖土的滲透性，模擬了入滲邊坡的水量和地表滲流，忽略了地表滲流對(duì)邊坡的影響，模擬了不同降雨強(qiáng)度和不同初始水位下坡體內(nèi)地下水位的變化。

首先選擇具有完整監(jiān)測(cè)資料的2018年8月1日至15日的實(shí)測(cè)降雨量和實(shí)測(cè)地下水位，進(jìn)行模型合理性驗(yàn)證，以鉆孔的實(shí)測(cè)地下水位和模型計(jì)算地下水位作為驗(yàn)證依據(jù)。

圖4為滑坡前后緣鉆孔實(shí)測(cè)地下水位與數(shù)值計(jì)算地下水位對(duì)比圖。以2018年7月31日實(shí)測(cè)水位作為模擬初始水位，同時(shí)作為模型的邊界固定水頭。將降雨條件設(shè)置為水量單位流量和時(shí)間的函數(shù)，并輸入日實(shí)際降雨量數(shù)據(jù)，對(duì)ZK1，ZK6鉆孔水位進(jìn)行了為期半個(gè)月的模擬，并與2018年8月實(shí)測(cè)水位進(jìn)行了對(duì)比?？梢詫?duì)比發(fā)現(xiàn)建立的數(shù)值計(jì)算模型與實(shí)際的地下水位變化規(guī)律十分接近，能夠較好地反映范山頭滑坡地下水滲流特征，可以用于滑坡地下水滲流場(chǎng)的模擬研究。

圖4 研究區(qū)滑坡鉆孔實(shí)測(cè)地下水位與數(shù)值計(jì)算地下水位對(duì)比

3.3 降雨強(qiáng)度對(duì)瞬態(tài)承壓水的影響

不同的降雨強(qiáng)度，有著不同的坡體地下水滲流場(chǎng)變化過(guò)程。該區(qū)域的月降雨量總體上可以劃分為：100 mm以下低降雨量、100 mm～250 mm中等降雨量和250 mm以上的強(qiáng)降雨量。為了便于分析不同降雨強(qiáng)度下的坡體滲流場(chǎng)特征，選定降雨強(qiáng)度分別為10，20 mm/d和30 mm/d，降雨持續(xù)時(shí)間為5 d，采用滑坡實(shí)測(cè)的初始地下水位條件，進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度條件下的滲流場(chǎng)變化規(guī)律研究。

通過(guò)對(duì)比分析10，20 mm/d和30 mm/d的降雨強(qiáng)度下，經(jīng)過(guò)5 d時(shí)間后，坡體內(nèi)部地下水位的位置對(duì)比，可以得知，在降雨前，坡體內(nèi)的地下水位保持在粉質(zhì)黏土層底面以下，此時(shí)坡體中不出現(xiàn)承壓水，地下水表現(xiàn)為潛水形式。在降雨過(guò)程中，地下水位逐漸上升，但不同降雨強(qiáng)度條件地下水位上升速度和幅度均不相同。

在降雨強(qiáng)度為10 mm/d條件下，坡體地下水位沒有達(dá)到粉質(zhì)黏土層的底面，始終沒有形成承壓水。這表明在非強(qiáng)降雨的自然條件下，地下水以潛水形式表現(xiàn)出來(lái)，不形成承壓水；在降雨強(qiáng)度為20 mm/d條件下，地下水上升幅度有所增加，在降雨后72 h，前緣ZK6附近的地下水位上升超過(guò)粉質(zhì)黏土層的底面，形成局部承壓水。隨降雨過(guò)程的發(fā)展，承壓區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大；在降雨強(qiáng)度為30 mm/d條件下，最明顯的特征表現(xiàn)為大面積的承壓區(qū)及高的承壓水壓力水頭，出現(xiàn)了地下水的滲出區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨后，相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)大量泉點(diǎn)。在降雨24 h后，前部ZK6處地下水位就上升到粉質(zhì)黏土層的底面以上，形成局部承壓水，在降雨72 h后就出現(xiàn)了地下水的地表滲出，這表明隨著降雨強(qiáng)度的增加，承壓水發(fā)展為前緣滲出的泉點(diǎn)是一個(gè)必然的過(guò)程。

圖5為在不同降雨強(qiáng)度下，坡體不同位置的地下水位隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出在不同強(qiáng)度的降雨條件下，均引起坡體地下水位上升。受地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，后緣地下水位上升表現(xiàn)為勻速過(guò)程，不同降雨強(qiáng)度條件下的地下水位上升過(guò)程的表現(xiàn)形式基本相同。前緣的地下水位上升表現(xiàn)形式與降雨強(qiáng)度有關(guān)，在較低的降雨強(qiáng)度時(shí)，地下水位表現(xiàn)為勻速上升，再較高的降雨強(qiáng)度時(shí)，地下水位快速上升，在形成局部承壓水后，會(huì)出現(xiàn)短暫的地下水位上升速度減緩的階段。隨后地下水位又會(huì)勻速上升，直到地下水位到達(dá)地表，也反映出瞬時(shí)承壓水的形成過(guò)程。

注：圖例中不同數(shù)值代表不同的降雨強(qiáng)度。

3.4 初始水位對(duì)瞬態(tài)承壓水的影響

初始地下水位條件體現(xiàn)了前期降雨積累。研究初始地下水位條件對(duì)形成瞬態(tài)承壓水影響規(guī)律，可以揭示前期降雨積累對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響程度。以滑坡實(shí)測(cè)地下水位為基礎(chǔ)，通過(guò)抬升2 m和降低2 m初始地下水位，模擬3種工況對(duì)瞬態(tài)承壓水形成的影響。選擇降雨強(qiáng)度為20 mm/d，降雨持續(xù)時(shí)間均為5 d，進(jìn)行三種工況對(duì)比分析。

通過(guò)對(duì)比分析3種初始地下水位工況條件下，降雨強(qiáng)度為20 mm/d，降雨持續(xù)時(shí)間5 d后的地下水位情況?？梢缘弥?，對(duì)于這種特殊的滲透性差異的二元結(jié)構(gòu)堆積體，降雨對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響與初始坡體地下水位的高低關(guān)系密切。當(dāng)初始水位較低時(shí)，地下水位上升需要的時(shí)間較長(zhǎng)，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能夠進(jìn)入上層滲透性較低的粉質(zhì)黏土層，較難形成對(duì)坡體影響較大的瞬態(tài)承壓水，一次降雨過(guò)程對(duì)坡體穩(wěn)定性威脅較??；當(dāng)初始水位較高時(shí)，由于降雨入滲的疊加作用，會(huì)導(dǎo)致地下水位快速上升，快速產(chǎn)生較大的瞬態(tài)承壓水，對(duì)坡體產(chǎn)生極大的威脅。當(dāng)初始地下水位位于兩者之間時(shí)，對(duì)坡體的威脅也位于兩者之間。綜合3種初始水位高度的結(jié)果與分析，總體上表現(xiàn)為坡體內(nèi)部的初始水位越高，降雨過(guò)程產(chǎn)生承壓水壓力越大，對(duì)坡體穩(wěn)定性威脅越大。

4 結(jié) 論

根本滑坡概況分析、滑坡變形與降雨關(guān)系分析，瞬時(shí)承壓水的理論分析和數(shù)值模擬，所得結(jié)論如下：

(1) 松散堆積層邊坡中往往分布相對(duì)隔水層，滲透性二元結(jié)構(gòu)堆積體是其中的典型類型，降雨入滲在邊坡的某些部位形成瞬態(tài)承壓水，會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。瞬態(tài)承壓水的形成不僅取決于地層結(jié)構(gòu)，還受降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間及初始地下水位條件等多方面因素的影響。

(2) 堆積層邊坡的變形破壞與降雨量及其降雨過(guò)程關(guān)系密切；在連續(xù)強(qiáng)降雨條件下，滑坡體中會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)承壓水，從而使坡體穩(wěn)定性大幅下降，是產(chǎn)生范山頭滑坡失穩(wěn)的主要因素；降雨強(qiáng)度高，初始水位高，均會(huì)促進(jìn)坡體內(nèi)部形成瞬態(tài)承壓水，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

(3) 通過(guò)數(shù)值模擬揭示了堆積體滑坡瞬態(tài)承壓水和降雨之間的量化關(guān)系。瞬態(tài)承壓水的出現(xiàn)需要特定的降雨條件，特定的地層結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的時(shí)間較短、作用較強(qiáng)，加速地下水的流動(dòng)速度，對(duì)堆積層邊坡的失穩(wěn)有很大的促進(jìn)作用，在實(shí)際工程防治中應(yīng)該注意瞬態(tài)承壓水的疏散。