強降雨誘發(fā)平緩滑坡復(fù)活變形與穩(wěn)定性演化分析

呂泓霖 宋 琨,2 董志鴻 柳 青 張端淼

(1.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室(三峽大學(xué)),湖北 宜昌 443002;2.湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站(三峽大學(xué)),湖北 宜昌 443002;3.宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站,湖北 宜昌 443000)

強降雨是誘發(fā)滑坡變形破壞的主要因素.平緩的老滑坡堆積體因其較小的地形坡度、相對松散的滑體結(jié)構(gòu)更易受到強降雨的影響.鄂西地區(qū)越來越多極端降雨天氣的出現(xiàn),也使該地區(qū)脆弱的地質(zhì)環(huán)境更易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[1].

降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點,特別是臺風(fēng)多發(fā)地區(qū),如新加坡,日本,我國臺灣、香港、浙江、福建等.臺風(fēng)引發(fā)的強降雨誘發(fā)了大量的滑坡災(zāi)害[2-5].降雨誘發(fā)滑坡變形破壞的機制[6]、穩(wěn)定性變化[7-8]、降雨閾值和預(yù)警[9-13]等是研究的重點.降雨入滲引起坡體變形是個復(fù)雜的過程,滑坡的失穩(wěn)與降雨引起非飽和土基質(zhì)吸力的降低有關(guān)[14],隨著滑坡變形的發(fā)展,降雨入滲的模式將發(fā)生變化[15-16].平緩滑坡因坡度不大,不利于降雨的地表徑流,其變形更易受到降雨的影響.本文以鄂西秭歸縣的典型平緩滑坡——土地嶺滑坡為研究對象,通過降雨過程的滑坡變形監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上,進行強降雨入滲的流固耦合模擬,研究不同降雨強度下的滑坡滲流場、位移場和穩(wěn)定性演化.研究成果對強降雨引起的平緩滑坡的變形機制與穩(wěn)定性研究具有一定的參考意義.

1 強降雨誘發(fā)滑坡復(fù)活變形特征

1.1 土地嶺滑坡概況

土地嶺滑坡地屬湖北省宜昌市秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)倒座鋪村7組,位于鑼鼓洞河西側(cè)山坡,地理坐標(biāo)東經(jīng)110°33′44.55″,北緯30°56′47.52″.滑坡平面形態(tài)呈長舌型(如圖1所示).后緣以基巖壁為界,左右兩側(cè)均以小型沖溝為界,前緣為小型平臺.滑坡前后緣高差120 m,縱長620 m,橫寬170 m,滑體平均厚度約4 m,總體積42.16×104m3,屬于中型土質(zhì)滑坡.

圖1 土地嶺滑坡全貌及變形圖

滑體物質(zhì)主要為第四系滑坡堆積物,厚度在空間上分布不均,中部相對前后緣較厚.物質(zhì)成分為碎石土,塊石成分為砂巖、泥巖碎塊,土的成分主要為黏土和耕植土,土石比8∶2.滑帶為第四系覆蓋層與基巖的接觸面.滑床為為侏羅系中統(tǒng)聶家山組(J2n)灰綠色長石石英砂巖,中厚層狀,巖層產(chǎn)狀為74°∠20°,斜坡結(jié)構(gòu)類型為順向坡.該滑坡中部和前緣均分布有緩傾平臺,其典型工程地質(zhì)剖面如圖2所示.

圖2 土地嶺滑坡典型工程地質(zhì)剖面圖

1.2 滑坡變形特征分析

土地嶺滑坡自2008年開始出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象.為深入了解滑坡變形情況,2022年3至7月的多次工程地質(zhì)調(diào)查,均顯示滑坡處于整體蠕滑狀態(tài).滑坡后緣裂縫逐漸貫通,裂縫寬度已發(fā)展5～10 cm,如圖1(a)所示;滑坡中前部右邊界的路面損壞嚴(yán)重,滑坡邊界處的房屋墻體開裂,已成危房,如圖1(b)所示;滑坡邊界裂縫不斷向前緣延伸,滑坡前緣右邊界道路出現(xiàn)4條貫穿裂縫,裂縫兩側(cè)路面錯斷,如圖1(c)所示.為準(zhǔn)確掌握滑坡的變形趨勢,實現(xiàn)滑坡的預(yù)警,在土地嶺滑坡中軸線附近從后至前布置3個監(jiān)測點,分別為監(jiān)測點GN1、GN2和GN3,具體布置見圖1.

各監(jiān)測點的累積位移變化曲線如圖3所示,圖中也顯示了實時降雨量的監(jiān)測數(shù)據(jù).

圖3 土地嶺滑坡累計位移與降雨量變化曲線

土地嶺滑坡2021年4月至2022年7月共出現(xiàn)兩次地表位移突變,呈現(xiàn)“階躍變形”趨勢.在每個階躍段起始前和階躍段內(nèi)均發(fā)生明顯的降雨過程.如在階躍段1中,降雨過程從2021年6月26日開始,一直持續(xù)到7月26日,變形曲線出現(xiàn)明顯抬升,10 d累計降雨引起約38 mm 的地表位移變形,其中日最大降雨量出現(xiàn)在7月8日,為58.5 mm.隨后出現(xiàn)7 d無降雨,變形監(jiān)測曲線平緩發(fā)展.直至8月7日開始,一直持續(xù)到9月7日,降雨監(jiān)測顯示整體降雨較持續(xù),變形曲線響應(yīng)迅速,出現(xiàn)約44 mm 的變形量,期間日最大降雨量為37.2 mm.在階躍段2,降雨過程從2022年3月22日開始,持續(xù)到4月15日,其中3月24日的降雨量達到39.5 mm,5 d累積降雨量為83.6 mm.降雨引起的地表位移變形過程中,監(jiān)測點GN1累計位移量最大,速率最高,GN2、GN3依次減小.自后至前的3個GNSS監(jiān)測點基本表現(xiàn)為同步的變形,宏觀上呈整體性滑移變形特征,其變形機制為蠕滑-拉裂.

土地嶺滑坡屬于平緩型滑坡,地表坡度較小,降雨作用后地表水不易排泄,大部分地表水入滲滑坡體,滑坡變形易于受降雨影響.土地嶺滑坡的階躍變形與降雨作用有強相關(guān)性,因此探討不同降雨模式下滑坡穩(wěn)定性演化規(guī)律,對平緩?fù)临|(zhì)滑坡的防治、預(yù)測預(yù)報具有積極的研究意義.

2 滑坡變形的流固耦合模擬

土地嶺滑坡屬于平緩型滑坡,地表坡度較小,降雨作用后地表水不易排泄,大部分地表水入滲滑坡體,因此滑坡變形易于受降雨影響.為研究降雨影響下的滑坡變形機制,采用飽和-非飽和滲流與應(yīng)力的耦合模擬,研究滑坡的變形與穩(wěn)定性演化.

2.1 飽和-非飽和滲流與應(yīng)力的耦合模型

應(yīng)力平衡方程和滲流連續(xù)方程共同組成滲流-應(yīng)力流固耦合方程組[17]:

其中,方程(1)由虛功原理推導(dǎo)簡化得來,IN和IP分別是內(nèi)力矩陣和外力矩陣;方程(2)由流體質(zhì)量的連續(xù)方程引入孔隙水壓推導(dǎo)得來.

2.2 計算模型與參數(shù)選取

根據(jù)土地嶺滑坡野外地質(zhì)勘察資料,選取圖2剖面進行數(shù)值模擬計算.運用有限元計算軟件ABAQUS[18]建立計算模型尺寸:X方向最大長度為700 m(0

圖4 土地嶺滑坡計算模型圖

通過收集滑坡地質(zhì)勘察報告及區(qū)域類似滑坡的工程地質(zhì)資料,確定土地嶺滑坡物理力學(xué)參數(shù)取值見表1.

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 計算工況設(shè)置

滑坡易發(fā)生于每年的峰值降雨時期,秭歸縣域內(nèi)降雨多以中小雨為主,時有暴雨發(fā)生,結(jié)合圖3的滑坡階躍段降雨數(shù)據(jù),為研究同一降雨歷時下不同降雨強度對平緩?fù)临|(zhì)滑坡的影響,設(shè)計降雨工況見表2.

表2 滑坡計算工況

3 滑坡變形模擬結(jié)果分析

3.1 孔隙水壓力影響分析

在圖4計算模型圖中GNSS位置布設(shè)孔壓監(jiān)測點,深度位于滑體中間.圖5為土地嶺滑坡在不同降雨模式下孔壓變化情況.

圖5 各監(jiān)測點孔壓響應(yīng)規(guī)律曲線

不同強度的降雨入滲過程中,滑坡體內(nèi)部孔隙水壓力隨時間先快速增加,然后基本穩(wěn)定不變;降雨強度越大,滑坡后部(A 點)、中部(B 點)和前部(C 點)的孔隙水壓力越大;不同降雨強度入滲時,不同部位的穩(wěn)定孔隙水壓力的差值不同,其差值從滑坡后部到前部逐漸變小.

對比A、B、C 3點的孔隙水壓力變化曲線可以看出,滑坡前部C點的孔隙水壓力響應(yīng)最快(24 h后變化明顯變小),后部A 點響應(yīng)次之,中部B 點的響應(yīng)最慢(72 h后變化減小),孔隙水壓力從滑坡后部到前部逐漸增加.由于土地嶺滑坡地形平緩,易于降雨的入滲,滑坡前部孔隙水壓力最大,對降雨的響應(yīng)最快.

3.2 位移場變化

不同降雨強度下的位移變化如圖6所示,邊坡土體在降雨后位移量由淺層至深層逐漸減小,坡體中部緩傾平臺的位移量小于滑體其他部位.

圖6 不同降雨強度位移場對比云圖

當(dāng)降雨強度由40 mm/d上升到120 mm/d時,滑體部位最大位移由10.9 cm 增大到17.1 cm.結(jié)合累計位移監(jiān)測曲線(圖3),階躍段1的平均降雨強度為60 mm/d,監(jiān)測點位移變形量均在9～12 cm,與工況3計算結(jié)果基本吻合;階躍段2的平均降雨強度為40 mm/d,監(jiān)測變形量為6～10 cm,與工況2的結(jié)果也基本吻合.

3.3 滑坡穩(wěn)定性分析

通過強度折減法計算得出滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化率隨降雨強度變化情況如圖7所示.隨著降雨歷時的增加,滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低.經(jīng)過72 h降雨作用后,降雨強度為120 mm/d時,穩(wěn)定性系數(shù)降低了2.3%;工況2和工況3分別降低了1.36%、1.57%.降雨強度愈大,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降幅愈明顯,且降雨前24 h內(nèi)降幅最為顯著.

圖7 滑坡穩(wěn)定性系數(shù)相對變化率

4 結(jié)論

1)湖北省秭歸縣土地嶺滑坡的2021 年4 月至2022年7月累計位移監(jiān)測曲線出現(xiàn)2次“階躍性”增長,位移變化曲線與集中強降雨密切相關(guān),階躍時的最大日降雨量均大于37.2 mm.

2)滲流計算結(jié)果可以看出,不同強度的降雨入滲致使滑坡體內(nèi)孔隙水壓力從滑坡后部到前部逐漸增加,降雨主要匯聚在滑坡前緣和緩傾平臺處,滑坡呈蠕滑趨勢發(fā)育.

3)隨著降雨歷時的增加,土地嶺滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低,最大降幅2.3%,在降雨前24 h內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)降幅最顯著.