降雨入滲對某滑坡地下水滲流及滑坡穩(wěn)定性影響

田遼西 趙玉蘋 趙 偉

（甘肅省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質工程地質勘察院，甘肅 張掖 734000）

重大滑坡事故最主要的誘發(fā)因素就是降雨入滲，我國自89 年以來有記錄的重大滑坡事故大多集中在夏季季雨時期，具有突出的季節(jié)分布特征，80%以上的案例涉及地下水滲流問題。高強度持續(xù)性的降雨最容易引發(fā)邊坡失穩(wěn)事故，影響降雨型滲流場的因素包括區(qū)域土體性質、地形、降雨強度以及降雨時間。在降雨入滲問題的分析過程中需要重點討論的指標是土壤自身的入滲能力，一般用飽和滲透系數(shù)來評價，這是邊坡穩(wěn)定性的主要決定因素。土壤滲透系數(shù)越高，飽和滲透系數(shù)越大，土壤入滲能力越強，邊坡穩(wěn)定性越高，越不容易受到降雨的影響。

同時，土體的飽和滲透系數(shù)較大說明區(qū)域內土體基質在降雨的過程中吸收能力減小得更慢，降雨初期與降雨后期對比而言，其基質吸收能力變化系數(shù)更大。因此，通過分析降雨過程中入滲的特征可以進一步了解降雨對于邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 滑坡體的結構與特征

卓尼滑坡位于卓尼、迭部兩縣的交界處，地處迭山南坡，處于卡車溝河谷的南側?？ㄜ嚋蠟槟媳绷飨?，是洮河的一級支流，年平均徑流量為3.46 億立方米水，河道有高差，坡降較大，匯流速度快，下河床受到強烈的切割力作用，水量變化大，水流有可能滲入滑坡體。

卓尼滑坡對堆積體厚度約為66m～85m 之間，整體較長超過1000m，呈現(xiàn)右厚左薄形態(tài)，經(jīng)過勘測立方量約為4.8×107m3，內部發(fā)育有細小的裂縫。

1.1 滑坡體結構

當?shù)氐牡刭|勘測資料顯示，卓尼滑坡是由于多次山體崩滑而形成的，為堆積層滑坡。

堆積層滑坡是由與坡積、殘積等作用形成的堆體，體內呈滑動態(tài)，或者巖積面有滑動特征，最常見的還是坡積層的滑動。堆積層滑坡形成的過程是斜坡巖土體結構破壞并逐步發(fā)育的過程?；掠绊懛秶鷥鹊膸r土結構的完整性會受到破壞，產(chǎn)生類似于斷層的地質現(xiàn)象。資料顯示，卓尼滑坡的局部地區(qū)存在基巖層不連續(xù)的情況（圖1）。

圖1 滑坡主滑面剖面圖

1.1.1 滑體主要物質為塊狀碎石與粉態(tài)沙土的結合物，整體結構呈現(xiàn)堆積態(tài)，較為松散，孔隙率高且部分區(qū)域呈架空態(tài)，透水性質強，屬于強透水層。堆體中碎石含量約24%塊石含量約為38%，中間填充有粉質砂土。巖基表面細小顆粒較多，淺表層包含大量的小塊碎石[1]。

1.1.2 滑動面的形成是剪切力在斜坡巖土體上作用結果。滑坡滑面帶上含有大量圓度較好的粗顆粒，呈現(xiàn)定排列狀，巖層之間擠壓或者錯動會形成各種形態(tài)的巖粒，其中占比最大的層角礫巖。洮河流域內滑坡結構中的粘性顆粒占比較大，一般都在25%以上，雨季的含水量高，幾乎接近飽和，呈現(xiàn)軟塑性。通過分析滑帶組成發(fā)現(xiàn)，滑坡西側具多層滑動帶，其中基巖上部的破碎巖與碎土層之間為潛在軟弱帶，呈不規(guī)則折現(xiàn)狀，坡度位于22°～31°之間，厚度在0.25m～0.40m 之間[2]。

1.1.3 滑床主要由破碎巖構成，風化程度向內部遞減，整體風化屬于強風化狀且厚度均小于8m。巖體主要由二云母石英片層和千枚巖構成，頂面埋深為75～90m，坡度較緩，整體起伏不大，后緣坡度小于30°。

1.2 滑坡體水文地質特征

滑坡的水文地質結構與滑坡的物質組成和基礎結構有關，除了1.1 中提及的內容外，還包括含水層和隔水層，含水層的含水性不同造就不同的水文地質結構。根據(jù)地質資料分析，目標滑坡形成過程中經(jīng)歷了多次滑動，堆積層與碎石復合砂土混合形成了滑床，在當?shù)氐乩砼c氣候條件的作用下，堆積體與滑床共同形成了弱含水層?；绿幱诳ㄜ嚋狭饔蚍秶鷥?，具有清晰統(tǒng)一可測量的地下水浸潤線，屬于典型的滑坡整體含水承壓潛水型的水文地質結構。這種水文地質結構決定了這種滑坡受地下水的影響的方面較多，機理復雜且容易在強降雨環(huán)境下由于弱含水層含水率增加而導致塑流變形[3]。

研究地區(qū)降雨主要集中在7 月到9 月，是地下水的主要來源，其次地表徑流卡車溝的滲透作用對地下水也有補充作用，進入降水期后，地下水位變化較大，根據(jù)當?shù)氐牡叵滤辈熨Y料，滑坡主剖面的前中后段近五年來的平均變動高度為28.2m、15.4m、12.2m，因此滑坡前段結構更容易受到降雨的破壞，隔水層最發(fā)育。

2 降雨入滲的作用方式

2.1 降雨與地下水對滑坡體穩(wěn)定性的影響

降雨對于滑坡結構的形成和形變有重要影響，滑坡位于河谷地區(qū)，在強降雨季節(jié)。受到降雨入滲的影響，滑坡體含水層的含水率上升，孔隙水的壓力包括動態(tài)水壓和靜態(tài)水壓都不斷增大，有效應力隨之降低，引起滲流場狀態(tài)發(fā)生巨大變化，影響了滑坡結構的穩(wěn)定性。根據(jù)結構分析結果，基巖是滑床的組成基礎，滲透系數(shù)相較于滑體而言要小很多，在降雨下滲的過程中，滲流力差值會不斷地擴大，導致滑坡體持續(xù)性發(fā)育[4]。

地下水對滑坡體的影響主要是通過破壞邊坡結構體現(xiàn)出來的，地下水會削弱土體與軟弱層的抗剪切能力，導致巖土結構強度下降，其次會增加巖土的重度，導致動水壓力上升，從而誘發(fā)滑坡變形。

2.2 靜水壓力作用

地下水對軟弱層的礦物質具有水化作用，這種化學侵蝕作用會導致巖土的內聚減小，長期作用形成風化層。風華層主要集中在地下水位較高的區(qū)域。地下水對巖土體的壓力主要來源于孔隙水，土體含水率較高時，靜水壓力主要作用在土體顆粒的表面，這會導致顆粒間隙擴大，動水壓力主要作用在巖土體的切面，導致土體的下滑力增高。

滑坡處于地勢起伏較大的河谷地區(qū)，在降雨期雨量大，地下水位升高，相較于動水壓力，靜水壓力對于巖土體的影響更大。降雨的過程中水對土體顆粒的靜水壓力集中在表面，大小主要由滑體內部的重力水壓頭決定，具體的作用過程如圖2 所示。

圖2 靜水壓力作用示意圖

滑體內單點的靜水壓力大小計作Pa，Pa與滑體內水頭高度（Ha）與水的重度（rw）呈正比，關系式如下：

一般情況下水的重度可以采取標準值進行計算，標準值為10KN/m3。此時，凈水壓力大小取決于Ha，降雨量增加時，坡體區(qū)域內潛水位上升，水頭高度上升，凈水壓力不斷增大[5]。

2.3 動水壓力作用

受地形地勢的影響，在坡度較大的區(qū)域，潛水位附近地下水的流動速度更快，此時動水壓對滑坡體的作用更加明顯。地下水包括滲入水在滑坡內部的孔隙中進行流動的時候，會對土體額外施加一個流動方向的推動力，這種推動力會使得結構內部的細小顆粒物質向受力方向移動。在長期雨水或者地下水流的作用下，動水壓力增大導致顆粒物被流水裹挾脫離巖土體，巖土體由于受到侵蝕發(fā)生物質流失而被破壞。在部分嚴重的區(qū)域，甚至可能出現(xiàn)架空現(xiàn)象。動水壓力作用方式如圖3 所示。

圖3 動水壓力作用示意圖

作用過程中，動水壓力的大小與滲流過程中的水頭壓力損失大小有關，水力壓力損失與滲流路徑的長度有關，可以用水力梯度有關，三者之間的關系可以用下式描述：

3 降雨入滲對滑坡體的影響

降雨對滑坡的影響直接體現(xiàn)在巖土體含水率的增大和潛水位的提升和地下水匯集上，在動靜水壓作用下，坡體的抗剪切力逐漸降低，力學性質發(fā)生明顯變化。

3.1 降雨入滲的過程分析

雨水接觸地面后可以視為入滲過程的開始，首先滲入到土壤中，表層土壤由于孔隙率較大，因此也被叫做包氣帶。雨水下滲會擠壓包氣帶中的氣體空間，由于上方表面水層封閉，氣體逐步進入巖土體當中。此時降雨入滲需要參考兩相流模型進行分析[6]。

在降雨初期，巖土體濕度處于高度不飽和狀態(tài)，下滲的雨水受到分子引力的留存在地表巖層當中，形成地表巖層薄膜水。當降雨量進一步增大時候，薄膜水層厚度增加，超過邊界值后，水分進入巖土體當中的毛細裂縫，含水率進一步上升，下滲水在巖土體中的存在狀態(tài)從薄膜水轉化為毛細水。如果裂縫發(fā)育的不均勻的話，細小的裂縫被毛細水填滿，而較大的裂縫填充物依舊為空氣，這使得巖土體呈現(xiàn)不飽和態(tài)，此時的滲流狀態(tài)為不飽和滲流。隨著雨水逐步下滲，下滲可以分為垂直下滲和側向下滲，下滲的方向受到重力、地形和地質組成等多方面因素的影響，因此在垂直方向根據(jù)含水率的不同會形成不同含水層，主要分為飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導區(qū)和濕潤區(qū)，垂直分布狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 入滲過程含水層分區(qū)

3.1.1 飽和區(qū)含水率達到飽和狀態(tài)，幾乎所有的裂縫都填充有毛細水，起到封層的作用，這個部分厚度不大，一般與降雨強度和積水時間有關，即使是在強降雨過程當中，通常也不會超過1cm。

3.1.2 過渡區(qū)的含水率主要受到深度的影響，處于不飽和狀態(tài)，深度越深，含水率越小。在過渡區(qū)內巖土體的含水率變化很大，一般可以從飽和態(tài)跨度到弱含水狀態(tài)，這部分厚度一般與滯水時間有關，時間越長，過度層厚度越大。

3.1.3 傳導區(qū)內部的含水率不高，整體處于中低含水狀態(tài)，區(qū)域內部含水率比較均勻，厚度一般為幾厘米，為過渡區(qū)和濕潤區(qū)的傳質區(qū)，起到水分交換的作用。

3.1.4 濕潤區(qū)上端含水率接近傳導區(qū)平均值，但是向下含水率迅速下降，這部分水分主要為薄膜水，最后降低為初始含水率狀態(tài)，表明下方為未入滲區(qū)[7]。

3.2 含水率對坡體的影響

含水率變化主要對滑坡巖土體的內聚力（c）和內摩擦角（φ）產(chǎn)生影響，本次研究以滑坡當?shù)夭傻玫膸r土體樣本為對象，測試了不同含水率條件下的樣本的內聚力（c）和內摩擦角（φ），測試結果如圖5、6 所示。

圖5 含水率對內聚力的影響

從分析結果可以看出表土層與內土層在雨水滲流的作用下巖土體的內聚力（c）和內摩擦角（φ）都會逐步降低，滑坡體內的碎土層逐步向流態(tài)轉化。

圖6 含水率對內摩擦力的影響

根據(jù)飽和-非飽和滲流理論，飽和土體的抗剪切能力τ 與土體的內聚力（c）和內摩擦角（φ）均有關，具體的關系式為：

式中的F 為滑體垂直方向上對巖層的壓力，單位為KN?？梢娪捎趦染哿Γ╟）和內摩擦角（φ）隨著降雨入滲而降低時，土體抗剪切強度（τ）也會隨之減小，穩(wěn)定性被削弱，導致地質災害高發(fā)[8]。

4 結論

本文以具體的滑坡為例，主要研究和分析了以下內容：

4.1 根據(jù)勘測資料分析了滑坡的地質構成與環(huán)境水文特征，對滑面、滑體和滑床的形態(tài)特征和結構組成進行了總結，提供了完整的分析路徑。

4.2 通過對降雨過程中流場的變化進行分析，解釋了降雨下滲過程對巖土體產(chǎn)生的影響的內在作用機理和動靜水壓力改變巖土結構的作用方式。

4.3 對降雨入滲過程進行路徑分析，根據(jù)含水率的不同對不同含水狀態(tài)的巖土層進行分析，并在飽和-非飽和流場理論的基礎上，深入討論了雨水下滲導致災害高發(fā)的內在原因。