水位升降和降雨聯(lián)合作用的岸坡流固耦合及失穩(wěn)機(jī)理分析:以貴州平塘六硐南岸滑坡為例

劉晶, 左雙英

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽 550025; 2.貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550025)

中國國土遼闊,地理?xiàng)l件復(fù)雜,易發(fā)生滑坡災(zāi)害,滑坡規(guī)模巨大、損壞性強(qiáng)、形成機(jī)制和誘發(fā)因素眾多,且災(zāi)后影響區(qū)域廣,治理難度高。影響涉水岸坡穩(wěn)定性的因素分為內(nèi)因和外因,外界因素中以水位升降[1]和降雨[2]為主,兩者的共同作用改變了坡體的滲流場、應(yīng)力場和位移場,易使坡體發(fā)生明顯變形,從而誘發(fā)滑坡災(zāi)害。

中外諸多學(xué)者對水位升降引起的庫岸邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究,肖詩榮等[3]、Tang等[4]針對三峽庫區(qū)數(shù)千余處涉水滑坡,將庫區(qū)復(fù)活型滑坡分為浮托減重型、動水壓力型和浸泡軟化型。浮托型滑體大多透水性弱,一般發(fā)生在庫水驟升時(shí)期,庫水對阻滑段的浮托減抗作用是坡體變形破壞的主要因素。汪發(fā)武等[5]以千將坪滑坡為例,分析了順層結(jié)構(gòu)邊坡在水位上升過程失穩(wěn)并產(chǎn)生高速滑動的機(jī)理。肖捷夫等[6]以具有典型多期次滑動特征的藕塘滑坡為對象,制作了大型物理模型試驗(yàn),模擬庫水漲落和降雨工況,通過試驗(yàn)獲得了坡體位移、孔隙水壓力和土壓力全時(shí)程曲線,得出該滑坡發(fā)生多期次變形的原因。周永健等[7]從定性與定量的角度分析了木魚包滑坡位移與庫水位高程之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)變形對庫水位變動的響應(yīng)較為明顯,并且在時(shí)間上存在約40 d的滯后期。動水壓力型滑坡坡體一般為多孔隙介質(zhì),透水性微弱,往往發(fā)生在庫水驟降時(shí),孔隙水壓力的消散滯后于庫水消落,形成局部動水壓力產(chǎn)生滑坡,如新灘滑坡、樹坪滑坡等。殷躍平等[8]對巫山塔坪滑坡進(jìn)行研究,認(rèn)為庫水抬升導(dǎo)致的孔隙水壓力以及庫水位下降時(shí)滑坡體內(nèi)的滲透力是導(dǎo)致水庫滑坡失穩(wěn)的主要因素,并分析了多年平均庫水位升降工況下堆積層滑坡的浸潤線和安全系數(shù)。譚淋耘等[9]、朱權(quán)威等[10]研究表明,庫水位快速下降使得滑坡地下水位調(diào)整滯后,指向坡外的滲透壓力增大導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性變差。江強(qiáng)強(qiáng)等[11]通過不同組合條件下的物理模擬,研究庫岸滑坡影響因素、變形演化規(guī)律及失穩(wěn)條件。庫水浸泡軟化型滑坡,一般滑帶含有親水性黏土礦物,浸水易軟化,力學(xué)強(qiáng)度大幅降低,導(dǎo)致滑坡失穩(wěn),最典型的是意大利瓦伊昂水庫滑坡[12]。

庫岸邊坡除了受水位升降影響外,降雨也是導(dǎo)致滑坡復(fù)活的重要因子[13],因此探討坡體在兩者共同作用下的動態(tài)響應(yīng)尤為重要。Gu等[14]、Yao等[15]、Shang等[16]通過對庫水位、降雨和滑坡變形過程三者之間的相關(guān)性分析,研究了其主要成因機(jī)制,建立了滑坡變形與外界影響因素之間的對應(yīng)關(guān)系。Jia等[17]以樹坪滑坡為例,通過分解滑坡位移,選取粒子群算法優(yōu)化的最小二乘支持向量機(jī)模型對基于降雨量和庫水位的滑坡位移預(yù)測進(jìn)行預(yù)測。近年來,數(shù)值模擬[18-23]也逐漸運(yùn)用到對滑坡的研究中,以分析庫水位與降雨聯(lián)合作用下坡體的運(yùn)動特征及變形機(jī)理。

綜上所述,目前對于涉水滑坡的研究主要集中在基于多年調(diào)節(jié)水庫(如三峽庫區(qū))大型滑坡的變形破壞特征和穩(wěn)定性變化方面,降雨、水位漲落、流量幾乎呈周期性變化,坡體變形規(guī)律性強(qiáng)。但針對山區(qū)高彎陡坡河岸涉水滑坡的研究卻不多見,此類河流的特點(diǎn)是降雨引起的水位漲落快、周期短、水位變幅大,與一般人工調(diào)節(jié)的大庫區(qū)別較大。而且以上研究雖然運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析及數(shù)值模擬等各手段分析降雨和庫水對滑坡穩(wěn)定性的影響,但是幾乎都是在固定水位變速和雨量條件下進(jìn)行研究分析,考慮的組合條件過于簡單,難以重現(xiàn)實(shí)際情況。鑒于此,以貴州平塘六硐南岸滑坡為例,通過工程地質(zhì)勘查獲取了滑坡體的工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件,并通過監(jiān)測手段定量確定坡體變形基本特征,應(yīng)用有限元Geo-studio軟件模擬6—10 月水位和雨量持續(xù)波動下的坡體變形,與現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行對比分析,同時(shí)探究多種組合(不同水位升降速率、不同降雨強(qiáng)度及同一滯后時(shí)間)條件下的滑坡穩(wěn)定情況,并進(jìn)行滲流場-應(yīng)力場耦合分析,探究坡體在不同影響因素下的變形跡象和演化規(guī)律,為河岸斜坡在水位變化和降雨影響下的穩(wěn)定性分析提供一定依據(jù)。

1 滑坡工程地質(zhì)概況

滑坡位于貴州省平塘縣,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),溶蝕性峰叢槽谷地貌,地形較復(fù)雜,地表水系發(fā)育。據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì),年平均氣溫17 ℃,年內(nèi)降雨分布不均勻,集中在5—10月,全縣降雨量最多年為1 564.4 mm,最少年為998.4 mm?；虑熬壍牧虾友雌谒粸?85 m,浸泡滑坡前緣,當(dāng)恢復(fù)到常水位673 m時(shí),暴露整個滑坡體前緣。

滑坡區(qū)地處六硐背斜的東翼,構(gòu)造形跡主要為喜馬拉雅山運(yùn)動發(fā)生的褶皺、斷裂,呈單斜構(gòu)造。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,裂隙發(fā)育部位易風(fēng)化,抗剪強(qiáng)度低。邊坡地形坡度約30°,坡體較陡,滑坡體位于河谷南側(cè)山體?；缕矫嫘螒B(tài)呈半圓形,后緣、左側(cè)及右側(cè)均以陡崖為界,前緣及中部較寬、后緣窄,坡腳為陡坎?；氯踩鐖D1所示。

HT01～HT04為滑塌01～滑塌04;ZG1～ZG4為GPS監(jiān)測點(diǎn)

滑體最大縱長約160 m,中前緣寬約500 m,中后部寬約200 m,平均寬約350 m,滑體體積約為5.48×105m3,主滑方向?yàn)?1°?；w最小厚度6.2 m,最大厚度13.1 m,主要由第四系沖洪積粉質(zhì)黏土組成,該層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、松散,巖土體孔隙度大和可壓縮性大,粉質(zhì)黏土呈褐黃、褐黑色,磨圓好,厚度0.3～13.1 m,分布于滑坡前緣至六硐河河床底部?；矌r性為二疊系中統(tǒng)茅口組P2m強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化石灰?guī)r,巖體結(jié)構(gòu)致密,細(xì)晶結(jié)構(gòu),地層產(chǎn)狀140°∠13°,滑坡剖面圖如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological profile

2 滑坡變形分析

2.1 滑坡宏觀變形特征

2012年7月16日在特大暴雨影響下發(fā)生滑塌,導(dǎo)致六硐河此段河道變得狹窄,致使縣城1/4被淹,經(jīng)勘察設(shè)計(jì)論證后對滑坡采取“抗滑樁+截排水溝+河道清理”的方式進(jìn)行了治理。但在2020年雨季,經(jīng)特大暴雨入滲沖刷、坡腳浸泡侵蝕作用促使滑坡復(fù)活,滑坡前緣出現(xiàn)垮塌及大量裂縫,兩側(cè)則沿著巖土界線向下滑動,先后多次發(fā)生漿砌石護(hù)坡垮塌,抗滑樁呈現(xiàn)不同程度位移,明顯垮塌的有4處(圖3)。滑塌01(HT01):長16.9 m,寬9.0 m,坡腳掏蝕嚴(yán)重,坡面裂縫長17 m,寬10 cm,可見深度20 cm;滑塌02(HT02):長45.5 m,寬32.6 m,坡腳掏蝕嚴(yán)重,坡面已全部垮塌,部分堆積于河道內(nèi),后側(cè)樁體出露;滑塌03(HT03):長90.2 m,寬12.3 m,坡腳掏蝕嚴(yán)重;滑塌 04(HT04):長109.2 m,寬31.5 m,坡腳掏蝕嚴(yán)重,坡面下部已全部垮塌。右側(cè)坡體后緣存在多條裂縫走向110°,長度100 m,后側(cè)裂縫較寬,為10～20 cm,最大可見深度1 m。

圖3 滑坡變形破壞跡象Fig.3 Signs of landside deformation and damage

2.2 地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

岸坡上共布設(shè)4個GPS監(jiān)測點(diǎn)ZG1、ZG2、ZG3、ZG4(圖1),監(jiān)測時(shí)間2020年6月1日—10月31日,定期收集數(shù)據(jù)。繪制滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)、6—10月日降雨分布及河流水位變化曲線,如圖4所示。

圖4 滑坡累積位移時(shí)間序列監(jiān)測曲線Fig.4 Time series monitoring curve of landslide cumulative displacement

由圖4可知,坡體上監(jiān)測點(diǎn)累積位移呈現(xiàn)“階躍狀”特征。2020年6—7月中旬,坡體無明顯變形,在經(jīng)歷多次降雨后,監(jiān)測點(diǎn)ZG1和ZG3變形劇烈,水平和垂直累積位移量均出現(xiàn)兩次較明顯的上升,于7月14—24日出現(xiàn)第一次小幅度增長,后增長較為緩慢,第二次階躍上升出現(xiàn)在9月8—20日,該時(shí)間段內(nèi),河流水位降落加上暴雨作用,使坡體位移量增長變化明顯,兩監(jiān)測點(diǎn)水平累積位移分別為123.9 cm和67.3 cm,垂直累積位移達(dá)到151.8 cm和52.8 cm。其余兩個監(jiān)測點(diǎn)位移變化幅度平緩,監(jiān)測點(diǎn)ZG2和監(jiān)測點(diǎn)ZG4水平累積位移13.1 cm和4.1 cm,垂直方向基本無明顯變形。

結(jié)合日降雨量分布與河流水位波動數(shù)據(jù)看,山區(qū)河流水位一般在強(qiáng)降雨之后1～2 d上升,保持一定時(shí)間,如果沒有降雨或其他補(bǔ)給來源水位開始緩慢下降。雨強(qiáng)越大或持續(xù)天數(shù)越多,水位升得相對更快、更高;連續(xù)幾天不降雨或降雨強(qiáng)度不大,水位消落迅速?？v觀6—10月,此段河流水位在673～685 m波動,水位升降與坡體變形的關(guān)系較明顯,即水位有變動的時(shí)候,變形也隨之增加,尤其是水位變動大隨之強(qiáng)降雨,會產(chǎn)生較大的變形增量。

由此可見,該類滑坡主要是巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外在不利因素共同作用引起。在雨季由于上部巖土堆積體松散,降水易于入滲到坡體內(nèi)部,而坡底又遭遇水位升降動態(tài)影響,地下水位線持續(xù)變動,飽和區(qū)、非飽和區(qū)變換頻繁,孔隙水壓力不穩(wěn)定,內(nèi)部巖土體形成滲流場,促使坡體穩(wěn)定性朝著不利的方向發(fā)展。因此,只有深入分析該滑坡的復(fù)活機(jī)理,才能采取更加科學(xué)、有效的措施進(jìn)行治理。

3 滲流及穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 基本理論及方法

3.1.1 飽和-非飽和滲流理論

采用seep/w模塊進(jìn)行滑坡滲流場的模擬研究,水位升降和降雨的耦合作用使土體在飽和與非飽和之間轉(zhuǎn)化,地下水位也隨之發(fā)生規(guī)律性的變化。將達(dá)西定律和連續(xù)方程相結(jié)合,得到控制方程為

(1)

式(1)中:H為總水頭;kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù);Q為施加的邊界流量;mw為水容比;ρw為水的密度;t為時(shí)間。

3.1.2 穩(wěn)定性分析理論

以極限平衡法為基本原理,采用Morgenstern-Price法,將seep/w模塊的滲流計(jì)算結(jié)果耦合到穩(wěn)定性計(jì)算slope/w模塊,在考慮孔隙水壓力的情況下進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析。

3.2 計(jì)算模型

3.2.1 幾何模型

利用CAD建立剖面計(jì)算模型,高100 m,長156 m,模型左上頂部以滑坡后緣為界,右下底部以河床右緣為界,將建立完成的剖面模型輸入有限元軟件中。計(jì)算區(qū)域包括滑體和滑床,上層為粉質(zhì)黏土,下層為灰?guī)r。利用軟件自帶的三角形和四邊形的方式,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分為2 481個網(wǎng)格,2 591個節(jié)點(diǎn)。同時(shí),為監(jiān)測滑坡土體滲流場、 位移場、應(yīng)力場的變化,在滑面上、中、下部共設(shè)3個監(jiān)測點(diǎn),如圖5所示。

圖5 滑坡有限元計(jì)算模型Fig.5 Finite element calculation model of landslide

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

(1)計(jì)算模型和參數(shù)。滑帶土抗剪強(qiáng)度的取值對滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果影響較大,釆用傳遞系數(shù)法建立折線形滑面力學(xué)結(jié)構(gòu)模型,計(jì)算時(shí)把整個斷面上的滑坡體適當(dāng)劃分成6 個條塊(①～⑥),如圖6所示。

圖6 滑坡斷面計(jì)算模型簡圖Fig.6 Calculation model diagram of landslide section

(2)敏感性分析。基于室內(nèi)試驗(yàn),分析獲得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)分布區(qū)間,滑帶土黏聚力c為31.8～37.3 kPa,統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為35.85 kPa,內(nèi)摩擦角φ為9.7°～12.6°,統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為11.83°,各取差值1作為計(jì)算步距進(jìn)行計(jì)算[24],同時(shí)繪制黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between shear strength parameters and stability coefficient

由圖7可知,穩(wěn)定性系數(shù)Fs與c、φ呈線性相關(guān),從曲線斜率(圖7)即可判斷,在相同系數(shù)區(qū)間內(nèi),φ對Fs的影響程度明顯大于c,表明φ對Fs的敏感性較強(qiáng),滑坡穩(wěn)定性與滑動面的內(nèi)摩擦角關(guān)系更為密切。

(3)反演結(jié)果。c的敏感度較低,故對其可通過試驗(yàn)來確定其數(shù)值,取c=35.85 kPa,而對于敏感性較高的參數(shù)φ,在滑坡的極限平衡狀態(tài)及邊界條件下,進(jìn)行滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演[25]。計(jì)算得到φ=10.84°,所得強(qiáng)度參數(shù)介于試驗(yàn)值范圍附近,說明本次反演結(jié)果較可靠。通過對滑坡土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、工程類比法以及反演計(jì)算綜合分析,采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2.3 計(jì)算工況

為探究不同水位升降速率及降雨強(qiáng)度下,滑坡的滲流場和穩(wěn)定性變化規(guī)律,結(jié)合滑坡的工程地質(zhì)特征和場區(qū)河流水位、降雨量變化情況,設(shè)計(jì)以下計(jì)算工況和荷載組合,如表2所示。

表2 有限元模擬計(jì)算工況

3.3 滲流及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 不同降雨強(qiáng)度對坡體穩(wěn)定性的影響

參照平塘縣多年降雨及6—10月日降雨資料,設(shè)置40、75、150 mm/d 3種降雨強(qiáng)度來模擬入滲條件,持續(xù)降雨歷時(shí)3 d、滯后5 d,即工況1、2、3,分析同一降雨歷時(shí)和滯后時(shí)間下、不同降雨強(qiáng)度對滑坡滲流場及穩(wěn)定性的影響,計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 降雨作用下坡體穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.8 Variation of slope stability coefficient under rainfall

由圖8可知,坡體穩(wěn)定性隨降雨持續(xù)入滲逐漸降低,降低速率隨降雨強(qiáng)度的增大而加快。岸坡初始狀態(tài)時(shí),穩(wěn)定系數(shù)為1.050,屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)。降雨強(qiáng)度為150 mm/d時(shí),坡體穩(wěn)定系數(shù)降落最快,達(dá)到最低值1.011,隨后岸坡穩(wěn)定性逐漸恢復(fù),該雨強(qiáng)下坡體穩(wěn)定性回升速率最慢,最終僅升至1.015;降雨強(qiáng)度為75 mm/d時(shí),穩(wěn)定系數(shù)降至最低值1.030,最終在滯后5 d時(shí)上升至1.036;降雨強(qiáng)度為40 mm/d時(shí),穩(wěn)定系數(shù)變化平緩,降低至1.043,后緩慢上升至1.048。

根據(jù)瞬態(tài)滲流場的計(jì)算結(jié)果,得到不同降雨強(qiáng)度下,滑坡監(jiān)測點(diǎn)1、2、3的孔隙水壓力變化規(guī)律及坡體內(nèi)浸潤線的分布,如圖9和圖10所示。

圖9 降雨作用下最大孔隙水壓力變化Fig.9 Variation of maximum pore water pressure under rainfall

圖10 降雨作用下坡體浸潤線變化Fig.10 Variation of slope infiltration line under rainfall

由圖9可知,3個監(jiān)測點(diǎn)的最大孔隙水壓力變化趨勢遵循一定規(guī)律,降雨持續(xù)作用時(shí)變化明顯,滯后時(shí)間段內(nèi)變化平緩。該過程中,土體基質(zhì)吸力逐漸減小,土體飽和區(qū)隨降雨的持續(xù)入滲向上移動,土體飽和度增大,飽和區(qū)擴(kuò)大,非飽和區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蛥^(qū)。監(jiān)測點(diǎn)1位于水位之上,呈現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力,土體孔壓變化速率隨雨強(qiáng)的增大而增大。監(jiān)測點(diǎn)2和監(jiān)測點(diǎn)3位于水位之下,監(jiān)測點(diǎn)2距離地下水位線較近,孔隙水壓較小,監(jiān)測點(diǎn)3布設(shè)于基巖內(nèi),深度較大,故孔隙水壓值較大。

由圖10可知,各雨強(qiáng)下的地下水位線滲入點(diǎn)一致,整體均呈現(xiàn)出略上凹的趨勢,當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí),隨著降雨持續(xù)入滲,地下水位不斷上升,雨強(qiáng)越大,地下水位抬升越高。

3.3.2 河流水位升降速率對坡體穩(wěn)定性的影響

分別以0.5、1.0、1.5 m/d的河流水位升降速率模擬計(jì)算滑坡滲流場的變化情況,即水位上升工況4～6和水位下降工況7～9,水位在673～685 m變化,得到滑坡的穩(wěn)定系數(shù)和浸潤線變化圖,分別如圖11和圖12所示。

圖11 河水位升降下坡體穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.11 Variation of slope stability coefficient under water level fluctuation

圖12 河水位升降下坡體浸潤線變化Fig.12 Variation of slope infiltration line under water level fluctuation

由圖11可知,當(dāng)水位以不同的速率升降時(shí),坡體穩(wěn)定系數(shù)的變化趨勢基本一致,變化速率隨水位變化速率的增大而增大。岸坡在水位763 m時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為1.048,工況4、工況5和工況6下水位每上升1 m,穩(wěn)定系數(shù)平均上升0.021 4、0.021 9、0.025 1,最終分別升至1.305、1.312和1.349。水位上升時(shí),坡體的弱透水性使河水入滲坡體較慢,坡體地下水位的上升速率小于河水位,河水補(bǔ)給地下水,形成指向坡內(nèi)的動水壓力,反作用于坡體,對坡體的穩(wěn)定性有利,滑坡穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)河水位為685 m時(shí),岸坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.192,工況7、工況8和工況9下穩(wěn)定系數(shù)分別降至1.119、1.112和1.097。河水位下降時(shí),地下水位降落較慢,動水壓力指向坡外,作用于滑坡前緣,對滑坡穩(wěn)定性不利。

由圖12可知,坡體內(nèi)地下水位隨水位上升而上升,呈右彎下凹的趨勢。因坡體滲透系數(shù)較小,河水位和地下水位之間形成指向坡體內(nèi)的動水壓力,河水位上升速率越大,地下水位線所處位置越低、變化趨勢越明顯,與河水位形成的水頭差越高,產(chǎn)生的動水壓力越大,岸坡穩(wěn)定性增加越明顯;河水位下降,地下水位線的變化趨勢與水位上升時(shí)相反,其所處位置與河水位下降速率有關(guān),降落速率越大,地下水位線所處位置越高。水位下降時(shí),岸坡內(nèi)地下水緩慢滲出,滯后于水位的降落,動水壓力指向臨空面,坡體下滑力增大,岸坡的穩(wěn)定性降低。

3.3.3 河水位下降聯(lián)合降雨對坡體穩(wěn)定性的影響

(1)穩(wěn)定系數(shù)。分析可知,水位上升會使坡體穩(wěn)定性上升,降雨、水位下降分別作用會使坡體穩(wěn)定性降低,故最不利組合因素為降雨與水位下降聯(lián)合作用,以0.5、1.0、1.5 m/d的水位下降速率及75 mm/d雨強(qiáng)入滲3 d的條件進(jìn)行模擬,即工況10～工況12,與僅在水位下降作用下(工況7～工況9)的結(jié)果進(jìn)行對比分析,如圖13所示。

圖13 坡體穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律比較Fig.13 Comparison of slope stability coefficient

工況10～工況12下,降雨疊加河水位降落作用時(shí),滑坡穩(wěn)定系數(shù)依次從1.192降低到1.062、1.056、1.034;工況7～工況9下,僅在降雨作用下,穩(wěn)定系數(shù)分別從1.192降落到1.119、1.112和1.096,由此可知,滑坡在兩者的共同作用下,穩(wěn)定系數(shù)降落速率和幅度更大,且水位下降速率越大,滑坡穩(wěn)定性下降得越快。降雨入滲會使滑坡土體由非飽和變?yōu)轱柡?坡體下滑力增大,并降低巖土體抗剪強(qiáng)度,使滑坡體的抗滑力減小,同時(shí)產(chǎn)生指向坡外的動水壓力,兩者的疊加作用使坡體更易失穩(wěn)。

(2)位移場和應(yīng)力場。河水位下降及降雨的作用不僅影響滑坡體的滲流場,而且使得滑坡體的應(yīng)力場、位移場發(fā)生相應(yīng)的變化。

工況10和工況7計(jì)算得到的坡體水平、豎直方向的最大拉應(yīng)力變化規(guī)律比較如圖14(a)所示。兩種工況下,水平和豎直方向最大拉應(yīng)力隨著水位的下降而增大,且工況10增大得更快,水平方向由0升至424.49 kPa,豎直方向由0升至427.62 kPa。因土體承受拉力的能力較弱,故坡體表面易發(fā)生拉裂破壞,產(chǎn)生裂隙。

圖14 坡體應(yīng)力場和位移場變化規(guī)律比較Fig.14 Comparison of slope stress field and displacement field variation rules

從圖14(b)可以看出,隨著水位的下降,工況7和工況10坡體最大水平位移分別達(dá)到8.9 cm和22.6 cm,最大豎直位移分別達(dá)到為12.8 cm和29.5 cm,降雨和水位下降的耦合作用(工況10)使坡體變形增大較快,水平、垂直位移增長速率分別達(dá)到0.79 cm/d和0.99 cm/d。

3.3.4 模擬結(jié)果與實(shí)際情況分析對比

通過對降雨和河流水位變化過程對滑坡變形的影響分析,表明滑坡變形與水位升降速率和降雨強(qiáng)度等因素有密切關(guān)系。因此,很有必要討論6—10月實(shí)際氣候變化對滑坡變形的具體影響,并將模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比分析。以收集到的降雨量和河流水位數(shù)據(jù)為水力條件,進(jìn)行為期153 d的模擬監(jiān)測,期間最大日降雨量為106.8 mm/d,河流水位經(jīng)歷兩次較大幅度的“下降-上升”,坡體總位移變化分布如圖15所示。

圖15 坡體位移分布云圖Fig.15 Distribution cloud diagram of slope displacement

據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測點(diǎn)ZG1累積位移變化最大,水平累積位移為123.9 cm,垂直累積位移為151.8 cm。有限元模擬結(jié)果中監(jiān)測點(diǎn)ZG1總位移為115.7 cm,略小于現(xiàn)場位移變化,其原因可歸結(jié)于:岸坡在河水的長期浸泡和沖刷作用下,巖土體的強(qiáng)度降低,坡體整體穩(wěn)定性變差;而數(shù)值模擬難以還原坡體數(shù)年以來所受的水-巖作用,僅模擬153天岸坡在降雨和河水位波動耦合作用下的變形趨勢。

由圖15可知,滑坡發(fā)生時(shí),整體向前移動,坡體擠壓河道,使河道鼓起,最大變形量發(fā)生在坡體前緣,從前緣往坡內(nèi)位移逐漸變小,基巖幾乎不產(chǎn)生變形量。綜上,當(dāng)滑坡變形產(chǎn)生時(shí),其前緣部分在降雨入滲、河流沖刷和水位升降的綜合作用下,破壞最先發(fā)生,變形量最大,整體表現(xiàn)為前緣發(fā)生拉剪破壞,呈典型的牽引式滑坡變形特征。

4 滑坡機(jī)制討論

綜合以上分析,確定該滑坡形成條件主要為內(nèi)因和外因,內(nèi)在因素有地形地貌、巖土體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等,外在因素有連續(xù)降雨、河水位降落、人為工程活動等,此處主要討論外部影響機(jī)制。

4.1 連續(xù)強(qiáng)降雨

據(jù)資料查閱,可知全縣多年平均降水量為1 259 mm,雨量充沛;且在坡體產(chǎn)生兩次大變形之前的1～2 d有持續(xù)強(qiáng)降雨。在強(qiáng)降雨作用下,巖土體重度變大,下滑力增加,抗剪強(qiáng)度降低,抗滑力減小,同時(shí)雨水沿巖土分界面滲流,增加了動水壓力。

4.2 河水位升降

山區(qū)河流水位升降受降雨和地表徑流影響大。坡體發(fā)生兩次大變形分別在7月和9月,而8月降雨很少,河流波動小,給水位下降與強(qiáng)降雨疊加作用提供了條件。

(1)動水壓力作用。水位上升時(shí),河水緩慢滲入坡體內(nèi)部,河水位與坡內(nèi)地下水位形成水頭差,動水壓力指向坡內(nèi),并產(chǎn)生垂直于滑面表面的水壓力,反壓滑坡體阻滑段,有利于滑坡的穩(wěn)定;水位下降時(shí),滑體滲透性較差,坡內(nèi)地下水無法及時(shí)排出,具有一定滯后性,坡內(nèi)地下水和河水位之間形成指向坡外的動水壓力,降低滑坡的穩(wěn)定性。

(2)沖刷作用。水位升降產(chǎn)生的縱向沖刷,帶走前緣土體中的細(xì)小顆粒,發(fā)生局部滲透破壞,產(chǎn)生淤積體;產(chǎn)生的橫向沖刷,使岸坡土顆粒被搬運(yùn),使河岸線發(fā)生后移,且沖刷作用強(qiáng)弱與水流速成正比。在橫縱沖刷的共同作用下,滑坡前緣第四系沖洪積粉質(zhì)黏土長期受到?jīng)_刷淘蝕,岸坡發(fā)生局部塌方,使得坡腳臨空面高度逐漸增加,加劇了滑坡的形成。

4.3 人為工程活動

坡體上屬于耕地,為村集體所有,植被覆蓋率較差,使得坡體表面土層結(jié)構(gòu)更為松散,利于雨水滲入,增加土坡重量,減小抗剪強(qiáng)度,不利于滑坡的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

結(jié)合滑坡工程地質(zhì)條件,分析滑坡的變形特征和形成誘因,通過數(shù)值模擬分析滑坡在不同工況下的穩(wěn)定性變化規(guī)律,得出如下主要結(jié)論。

(1)該滑坡累計(jì)位移曲線呈現(xiàn)“階躍狀”特征,二次明顯變形與河水位升降、強(qiáng)降雨在時(shí)間上存在對應(yīng)關(guān)系。

(2)該滑坡災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)因?yàn)椴涣嫉牡匦蔚孛布皫r土體組成,外因?yàn)榻涤旰秃铀簧档墓餐饔?。以飽?非飽和滲流理論及極限平衡原理為依據(jù),利用Geo-studio軟件模擬不同工況下坡體的響應(yīng)及其穩(wěn)定性變化趨勢。

(3)水位下降,坡體內(nèi)地下水的排出滯后于河水位的降落,動水壓力指向坡外,岸坡穩(wěn)定性降低,穩(wěn)定系數(shù)變化速率隨水位下降速率的增大而增大;河水位上升,滑坡巖土體所受壓力增大,且動水壓力指向坡內(nèi),滑坡穩(wěn)定性增加,水位上升速率越大,岸坡穩(wěn)定性增加越明顯。疊加降雨作用后,雨水滲入坡體,產(chǎn)生不利作用,坡體穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步降低。

(4)通過數(shù)值模擬分析岸坡在不同工況下,地下水位線、穩(wěn)定系數(shù)、應(yīng)力場和位移場的變化規(guī)律,得到滑坡對外界不同影響因素的響應(yīng)規(guī)律?？芍麦w受降雨和水位下降的共同作用時(shí),滲流場和應(yīng)力場發(fā)生極大變化,穩(wěn)定性最差。

(5)據(jù)153 d的二維變形破壞分析可知,坡體ZG1監(jiān)測點(diǎn)總位移變化為115.7 cm,與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相近,滑坡后緣及中部未發(fā)現(xiàn)變形,坡體變形破壞主要發(fā)生在坡體前緣,該滑坡屬于典型的牽引式滑坡。2020年7—9月,正是因?yàn)槠麦w歷經(jīng)2次“河水位下降+強(qiáng)降雨”工況,導(dǎo)致滑坡復(fù)活并且變形加劇,結(jié)論可為山區(qū)河岸滑坡防災(zāi)減災(zāi)提供一定參考。