黃土邊坡失穩(wěn)的降雨入滲預(yù)警閾值

馬強(qiáng)，李鄭淼，解家畢，喬楠，張啟義，張順福，劉昌軍，鄭慧洋

(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038；2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

我國作為地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)國家，不論是自然條件誘發(fā)的滑坡，還是由人為因素導(dǎo)致的崩塌，都對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)造成了重大損失。高大釗[1]回顧了中國近代發(fā)生的滑坡事件，發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等災(zāi)害高發(fā)于非飽和土壤區(qū)，主要誘因多為連續(xù)性降雨或突發(fā)性大暴雨。隨著降雨的滲入，非飽和土體基質(zhì)吸力減小，邊坡抗剪強(qiáng)度降低，引發(fā)滑坡等巖土工程災(zāi)害[2]。黃土在我國分布較為廣泛，其滑坡通常規(guī)模大、危害強(qiáng)、較難預(yù)測[3]，黃土滑坡也是我國西北黃土高原地區(qū)最主要的工程地質(zhì)問題之一[4]，因此開展黃土邊坡降雨入滲失穩(wěn)預(yù)警閾值研究具有一定的實際工程意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者均開展了黃土邊坡崩塌研究[5]。黃新智等[6]對蘭州市蘭山后山南部馬蘭黃土邊坡在不同降雨入滲條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)黃土邊坡安全系數(shù)隨雨時增長而降低，且非飽和黃土邊坡抗剪強(qiáng)度隨深度表現(xiàn)為先增加后減小的類似拋物線的關(guān)系。周楊等[7]通過開展在人工降雨條件下黃土邊坡的失穩(wěn)試驗，發(fā)現(xiàn)在一定的降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)，降雨強(qiáng)度的增大導(dǎo)致黃土邊坡入滲速度加快，將導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生。潘俊義等[8]對在不同雨強(qiáng)下的黃土邊坡入滲進(jìn)行測試與分析，發(fā)現(xiàn)在不同雨強(qiáng)條件下的黃土邊坡入滲深度均呈現(xiàn)坡腳最深、坡頂次之、坡中最淺的規(guī)律。鄧義龍[9]基于非飽和滲流理論對降雨入滲下的黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在降雨強(qiáng)度大于邊坡入滲量時，雨水將匯集于坡腳，引起坡腳軟化從而引發(fā)崩塌。同時，侯鵬飛[10]利用Midas/ GTS有限元分析軟件對在不同降雨條件下的黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，也發(fā)現(xiàn)由于降雨強(qiáng)度增大，坡腳處因積水導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)不斷減小。陳文鋒等[11]利用有限元模型對在強(qiáng)降雨條件下高邊坡的安全預(yù)警問題進(jìn)行了研究，提出了一種在降雨入滲條件下高邊坡穩(wěn)定性安全預(yù)警與失穩(wěn)判定方法。

經(jīng)過多年的研究，滲流場變化作為邊坡穩(wěn)定性的一個重要影響因素已經(jīng)被廣泛接受[12-14]。本文采用延安寶塔山實測資料，應(yīng)用二維有限元分析軟件對寶塔山西部邊坡進(jìn)行模擬研究。針對2013年7月發(fā)生的山體滑坡事件開展模型建模和閾值分析，將定量地揭示降雨入滲量與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，對今后寶塔山地區(qū)滑坡防護(hù)、加固和搶險預(yù)警等工作提供指導(dǎo)與參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

寶塔山位于陜西省延安市，南北長約320 m，東西寬30～150 m，最高處約1 043 m，山體坡度30°～80°，區(qū)域多年平均降雨量約為500 mm。寶塔山地層主要為第四系黃土，上更新統(tǒng)黃土最大厚度為12.5 m，中更新統(tǒng)黃土最大厚度為63.6 m，黃土平均厚度為20～30 m[15]。在自然與人為因素的共同影響下，近年來該地區(qū)多發(fā)生由于降雨入滲導(dǎo)致斜坡變形引發(fā)的小規(guī)模土體崩塌，塔體潛在安全風(fēng)險較高[16]。在寶塔山西部由多次滑坡后形成的復(fù)合滑動面目前面積最大(圖1)，東西長85 m，南北寬95 m，坡度45°～50°，老滑體最大厚度約20 m，總體積9.4萬m3。新滑坡由老滑體淺層土再次滑動形成，位于老滑坡中部，坡面呈多級臺階和陡坎，坎高2～3 m。

圖1 陜西延安寶塔山西部滑坡全貌

1.2 研究數(shù)據(jù)

為穩(wěn)定觀測降雨入滲引起黃土含水率的變化，選擇寶塔山南部的未擾動的自然斜坡體作為含水率及降雨量監(jiān)測點，共設(shè)置了4個TDR含水率觀測井TJ1、TJ2、TJ3和TJ4(圖2)，單井深度分別為4.0、8.0、3.0、4.0 m，在各井內(nèi)不同深度處共安裝TDR含水率傳感器探頭20個，外接數(shù)據(jù)采集器。同時，在斜坡表面安裝了1個自動雨量計。

圖2 寶塔山黃土含水率變化監(jiān)測布置

黃土含水率在監(jiān)測剖面方向不僅受黃土質(zhì)地、容重等自身因素的限制，而且還受降雨、蒸發(fā)等外界因素的影響[17-18]。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，降雨量對寶塔山坡面土體含水率的影響隨深度的增加逐漸減小，在暴雨條件下，入滲雨量使斜坡表層土體接近暫態(tài)飽和，抗剪強(qiáng)度降低，易發(fā)生淺層滑坡和中小型崩塌。例如，2013年7月延安地區(qū)極端降雨致使寶塔山坡體表層局部滑塌(圖3)。

圖3 寶塔山2013年7月土體監(jiān)測數(shù)據(jù)及滑坡情況

1.3 研究方法

本研究使用Geo-Studio軟件進(jìn)行陜西延安寶塔山降雨滲流對邊坡穩(wěn)定性影響研究分析。在該軟件內(nèi)SEEP/W模塊的模擬滲流場基礎(chǔ)上，耦合Slope/W模塊分析基質(zhì)吸力和邊坡穩(wěn)定的關(guān)系，得出在不同時段、不同情境下的邊坡安全系數(shù)，進(jìn)而對寶塔山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1.3.1滲流計算

滲流計算基于飽和與非飽和土體滲流的二維達(dá)西公式，假設(shè)在一定時間內(nèi)流入與流出微元體的水量等于土體單元儲水量的變化，總應(yīng)力不變且孔隙的氣壓保持為恒定大氣壓，單位體積含水率的變化與孔隙水壓力變化滿足關(guān)系

?θ=mw?uw

(1)

式中：uw為孔隙水壓力，kPa；mw為水土特征曲線的斜率，kPa-1;θ為單位體積的含水率?？偹^H定義為

(2)

式中：γw為水的容重，kN/m3；y為高程，m。由于高程保持不變，其對時間的導(dǎo)數(shù)為零，則最終用于有限元計算的控制方程為

(3)

式中：kx、ky分別為x、y方向的滲流系數(shù)，m/s；Q為施加的邊界流量，s-1；t為時間，s。

1.3.2邊坡穩(wěn)定性計算

邊坡穩(wěn)定性的計算基于Fredlund和Krahn提出的極限平衡理論(GLE)開展[19]，建立在兩個安全系數(shù)(力矩平衡安全系數(shù)Fm和力平衡安全系數(shù)Ff)的基礎(chǔ)上。安全系數(shù)方程組為

(4)

式中：c′為有效黏聚力，kPa；φ′為有效摩擦角，(°)；N為邊坡巖土體計算條塊i的底部法向力，kN/m2；W為邊坡巖土體計算條塊i的重量，kN/m2；D為集中荷載，kN/m2；β、R、x、f、d、ω為幾何參數(shù)；α為邊坡巖土體計算條塊i的底部傾角,(°)。

2 模型建模及校準(zhǔn)

本次研究首先選擇寶塔山南部的未擾動的自然斜坡體進(jìn)行建模模擬，以實測數(shù)據(jù)(表1)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的參數(shù)用于西部由復(fù)合滑動面構(gòu)成邊坡的穩(wěn)定性分析模擬，計算西部邊坡的預(yù)警閾值。

建模中首先確定土體基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系，參考陜西關(guān)中地區(qū)黃土基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系[20]，去除異質(zhì)樣本，擬合得到關(guān)系式為

θ=12.902×s-0.036+5.488×s-0.576

(5)

式中：s為基質(zhì)吸力，kN。

模型中土體基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)的關(guān)系，參考吳禮州等[21]對非飽和土滲流及其影響參數(shù)的分析成果：

(6)

式中：k為非飽和土水力傳導(dǎo)系數(shù)，m/s；ks為飽和土水力傳導(dǎo)系數(shù)，m/s；se為有效飽和度。m=1-1/n，n為經(jīng)驗擬合參數(shù)，在本次模擬中取n=4。結(jié)合表1中其他參數(shù)，建立南部邊坡模型(圖4)。

表1 寶塔山南部邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖4 寶塔山西南部邊坡滲流模擬模型

選取2013年7月1日至8月31日的降雨數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行率定。選取TDR-10(深埋5.0 m)及TDR-2(深埋2.0 m)觀測的土體含水率對模型分別進(jìn)行率定(圖5)。

圖5 寶塔山西南部邊坡滲流場模擬校正

3 模型模擬分析

3.1 2013年7月滑坡模擬

選取2013年7月暴雨造成的滑坡事件作為研究對象，結(jié)合表2參數(shù)，首先對寶塔山南部坡面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

表2 寶塔山南部邊坡參數(shù)

在2013年7月暴雨事件中，西南部邊坡最小安全系數(shù)為1.6。邊坡基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生滑坡與崩塌，與實際觀測相符，驗證率定的參數(shù)可以反映寶塔山黃土質(zhì)地特性。

利用在南部邊坡率定的參數(shù)及表3中的土工參數(shù)建立寶塔山西部邊坡模型，對2013年7月暴雨事件進(jìn)行模擬，得到結(jié)果見圖6。西部邊坡在2013年7月暴雨時間中最小穩(wěn)定性系數(shù)約為0.727，由于坡面表層黃土呈暫態(tài)飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力降低，抗剪強(qiáng)度減小，第一層滑體處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)，易產(chǎn)生山體滑坡與小部分崩塌，與觀測事實相符。

表3 寶塔山西部邊坡參數(shù)

圖6 寶塔山西部2013年7月孔隙水壓力分布及安全系數(shù)

3.2 閾值分析

分別在不同降雨情景下(表4、表5)對寶塔山西部邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析模擬，得出導(dǎo)致寶塔山西部邊坡小規(guī)模崩塌的降雨預(yù)警閾值。

表4 不同設(shè)計降雨情景條件

表5 不同歷史降雨情景條件

根據(jù)不同入滲雨量模擬計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見圖7。隨著雨量的增加，寶塔山西部邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈下降趨勢。在24 h降雨量超過100 mm后，邊坡安全系數(shù)呈突變式降低。綜合比較“總應(yīng)力”“慢剪”“三軸”和“有效”4套參數(shù)特性，三軸試驗可以嚴(yán)格控制排水條件，并能通過兩側(cè)試樣的孔隙水壓力求得土體的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，因此在實際工程中對黏性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通常采用“三軸”試驗參數(shù)[22]。綜合對比不同參數(shù)模擬結(jié)果，寶塔山邊坡穩(wěn)定降雨閾值主要參考“三軸”模擬試驗參數(shù)，確定為24 h累計降雨量100 mm。

圖7 不同參數(shù)條件下入滲雨量與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系

4 結(jié) 論

基于模型模擬結(jié)果，認(rèn)為寶塔山基底整體穩(wěn)定，發(fā)生整體滑動并產(chǎn)生大型崩塌的可能性較小，但寶塔山西部坡面崩滑災(zāi)害隱患依然存在。在極端氣候條件下，當(dāng)24 h累計雨量超過100 mm時，坡面表層黃土呈暫態(tài)飽和狀態(tài)，坡面易產(chǎn)生中小型崩塌，危及寶塔山安全。初步建議設(shè)定24 h累計雨量100 mm 作為寶塔山黃土邊坡預(yù)警閾值，并采取相關(guān)措施，從如何防止坡面沖刷、降低坡面降雨入滲的角度對寶塔山危險坡面進(jìn)行綜合治理，并結(jié)合模擬結(jié)果，建立基于實時雨量監(jiān)測的預(yù)警系統(tǒng)，做好災(zāi)害防治工作。