亓 星，許 強，鄭 光，胡澤銘

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

?

降雨誘發(fā)順層巖質(zhì)及土質(zhì)滑坡動態(tài)預警力學模型*

亓 星，許 強，鄭 光，胡澤銘

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

對于降雨誘發(fā)的順層巖質(zhì)滑坡，當滑坡后緣有裂隙存在時，水通過裂隙滲入坡體內(nèi)部導致滑帶土的軟化和抗剪強度減小，同時，由于裂隙水的靜水壓力以及揚壓力的影響，滑坡體穩(wěn)定性隨降雨而動態(tài)變化；對于降雨誘發(fā)的土質(zhì)滑坡，坡體的增重和滑面的抗剪強度降低使滑坡體穩(wěn)定性不斷變化。通過考慮巖質(zhì)滑坡后緣裂隙靜水壓力、揚壓力、滑面軟化的動態(tài)變化過程以及土質(zhì)滑坡浸潤面高度、軟化作用的動態(tài)變化過程建立了這兩類滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)預警模型，并驗證了模型在順層巖質(zhì)滑坡中的準確性。

滑坡；降雨；順層巖質(zhì)；土質(zhì)力學模型；預警

巖質(zhì)滑坡與土質(zhì)滑坡的坡體結(jié)構(gòu)不同，降雨誘發(fā)的這兩類滑坡機理也有明顯差別。巖質(zhì)滑坡的豎向張裂縫為重要導水通道，降雨通過裂縫進入坡體內(nèi)部和滑動面，并分別在后緣豎向裂縫和底滑面靜水壓力和揚壓力，由此影響斜坡的穩(wěn)定性；土質(zhì)滑坡中降雨主要通過影響地下水位和坡體的增重對斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。E. Hoek[1]在對后緣有張裂縫的楔形巖質(zhì)邊坡做破壞分析時，對滑面處水壓力分布模式作了假設(shè)，最早提出了裂隙水壓力和揚壓力的分布，國內(nèi)外諸多學者對平緩巖層滑坡的成因機理也進行了探討[2-8]，王蘭生[9]等對平緩順層巖質(zhì)滑坡提出了“平推式滑坡”理論，認為巖體裂縫中充水的靜水壓力和沿滑移面空隙水的揚壓力對滑坡起了非常重要的作用。黃潤秋[10]進一步提出對于緩傾地層產(chǎn)生的大規(guī)模滑坡，裂隙水壓力和地下水的雙重作用是主要誘發(fā)因素。許強[11]通過分析四川省南江縣興馬中學滑坡和大河中學滑坡，提出了板梁狀滑坡滑動機制，認為在強降雨條件下，平行于坡面的張裂縫被快速充水至某一臨界高度后，強大的靜水壓力將外側(cè)巖體整體平推出去。這類巖質(zhì)滑坡均為降雨導致后緣拉裂充水，在后緣靜水壓力和滑移面處的浮托力聯(lián)合作用下，推動滑坡平移，一般情況下，裂隙水壓力分布模式假設(shè)為一個靜態(tài)的水文條件，可能僅代表在特大暴雨條件下斜坡中水壓力的實際最大值。但降雨是一個動態(tài)過程，往往持續(xù)多天，在整個降雨過程中，巖質(zhì)滑坡地下水壓力究竟是如何動態(tài)變化的，滑動面上由于降雨浸潤作用導致的隨抗剪強度參數(shù)隨時間減小的特征對斜坡穩(wěn)定性的影響研究也較少。對于巖質(zhì)和土質(zhì)滑坡，滑動面的抗剪強度可能隨著浸水時間產(chǎn)生軟化效應，其穩(wěn)定性隨降雨的動態(tài)變化過程并未在靜態(tài)的極限平衡法力學模型中體現(xiàn)出來。

因此，本文通過考慮滑坡體c、φ值隨降雨入滲而變化的特征，結(jié)合極限平衡法得到滑坡穩(wěn)定性隨降雨的動態(tài)變化過程，建立單體滑坡預警的穩(wěn)定性力學概化模型。

1 順層巖質(zhì)滑坡力學模型

在降雨作用下，水對順層巖質(zhì)滑坡的主要影響為降雨沿滑坡后緣裂隙滲入并對裂隙壁面產(chǎn)生的靜水壓力，也對潛在滑動面產(chǎn)生揚壓力，隨著降雨持續(xù)，滑坡體裂縫中的水位不斷積聚上升，裂隙中的水在底滑面位置由后緣向前方不斷滲透，呈動態(tài)變化，而裂隙水的高度也隨時間不斷變化，滑坡體的穩(wěn)定性也由于裂隙水和底部揚壓力的影響而變化。同時，滑帶巖土體隨雨水的浸潤而產(chǎn)生抗剪強度隨時間增長減小的軟化特性，使滑坡體的整體穩(wěn)定性不斷降低。

這類滑坡的形成機制可簡化為單個裂縫的順層巖質(zhì)滑坡，采用極限平衡法進行解析計算，分析滑坡體穩(wěn)定性隨整個降雨過程的變化情況，獲得滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K值隨滑坡后緣拉裂縫中靜水壓力和底滑面楊壓力以及滑帶抗剪強度的不斷改變而呈現(xiàn)出的動態(tài)變化規(guī)律，并可采用穩(wěn)定性系數(shù)接近或達到臨界平衡狀態(tài)時構(gòu)建降雨誘發(fā)順層巖質(zhì)滑坡的物理預警模型?？紤]滑坡體中裂隙水、揚壓力、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力均隨時間產(chǎn)生變化，假設(shè)滑坡體作整體運動，滑面為直線，其受到的軟化作用衰減幅度相同。

設(shè)某一滑坡體巖層傾角為θ，后緣裂縫豎直的巖質(zhì)斜坡，潛在滑面總長為L，地下水從C點已經(jīng)入滲到潛在滑面A點，AC的高度為h，那么此時后緣裂縫內(nèi)已經(jīng)充水并產(chǎn)生了一定的水頭高度為hw，在經(jīng)過時間tf過后，地下水剛好滲流至O點貫通，tf為地下水由后緣向坡體前緣滲流貫通的總時間。由于該點底滑面上的地下水為持續(xù)滲流狀態(tài)，AB段的揚壓力呈三角形分布，為了簡化方便，本文考慮B點此時的水頭為0，在t(ttf)時刻，地下水運移到O點，長度為L，假設(shè)滑動面內(nèi)摩擦角為φ，粘聚力為c，如圖1所示。

圖1 順層巖質(zhì)滑坡極限分析法示意圖

極限平衡分析法滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(1)

滑坡體重力w為：

w=rhL。

(2)

式中：r為坡體巖土體重度，h為坡面到潛在滑面的垂直高度。

滑坡體地下水揚壓力為：

(3)

式中：rw為水的重度，hw為裂縫充水高度，x為滑坡體滑面揚壓力長度。

裂隙水作用在裂隙壁面的靜水壓力為：

(4)

帶入以上參數(shù)后可得到坡體的穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(5)

當浸水時間t

K(t)=

(6)

當浸水時間t>tf時，穩(wěn)定性系數(shù)k值為：

K(t)=

(7)

根據(jù)式(7)可以得到滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K隨滑坡體浸水時間的關(guān)系。當滑坡體處于極限平衡狀態(tài)時，令穩(wěn)定性系數(shù)K=1，把r、h、L、θ、rw的值和x(t)，c(t)，φ(t)三個與時間t的關(guān)系式代入上式中，即可得出K=1時滑坡體達到極限平衡狀態(tài)時所需要的時間t。

2 順層巖質(zhì)滑坡實例分析

為了檢驗這類巖質(zhì)滑坡預警思路和公式的有效性，采用2011年四川省南江縣“9.16”強降雨誘發(fā)的窯廠坪滑坡和石板溝滑坡進行驗證。

2011年9月6日，南江縣境內(nèi)普降中到大雨，降雨斷斷續(xù)續(xù)直到9月15日，前期過程累積降雨量達到268.1mm。9月16日20:00左右，區(qū)域內(nèi)再次出現(xiàn)大暴雨，連續(xù)2d日均降雨強度分別達到250.4mm、179.1mm，超過了9月份的月平均降雨量182.6mm(圖2)。南江縣緩傾單斜順層構(gòu)造較發(fā)育，由于強降雨的作用，此次降雨導致窯廠坪滑坡和石板溝滑坡兩處典型的順層巖質(zhì)滑坡發(fā)生。

圖2 四川省南江縣2011年“9.16”強降雨過程

窯廠坪滑坡位于南江縣高橋鄉(xiāng)三星村，9月16日開始的長歷時、高強度降雨作用使滑坡體后緣裂隙中的水頭高度迅速增加，最終導致窯廠坪發(fā)生大規(guī)模滑坡，造成65戶住戶約275間房屋被毀，滑坡堆積體將前緣主干公路掩埋，并堵塞岷江。

窯廠坪滑坡長650m，寬約580m，相對高差150m，滑體平均厚度15m，總體積約3.0×106m3，為大型順層巖質(zhì)滑坡?；嬷饕獮榛野咨⒆霞t色砂泥巖互層，傾向為330°～350°，傾角8°～16°，滑坡結(jié)構(gòu)特征見滑坡前典型工程地質(zhì)剖面圖(圖3)。

圖3 窯廠坪滑坡工程地質(zhì)剖面圖

石板溝滑坡位于南江縣沙河鎮(zhèn)將營村，9月18上午10時20分左右，在強降雨作用下山體發(fā)生大規(guī)?；?，導致487間房屋被毀，多人傷亡。

石板溝滑坡長600m，平均寬約250m，滑坡堆積體長度超過1 000m，相對高差290m，滑體平均厚度17m，滑體體積約4.0×106m3，為大型順層巖質(zhì)滑坡?；嬷饕獮楸訝钅鄮r軟弱夾層，巖層產(chǎn)狀170°∠12°。滑坡結(jié)構(gòu)特征見石板溝滑坡滑前典型工程地質(zhì)剖面圖(圖4)。

圖4 石板溝滑坡工程地質(zhì)剖面圖

窯廠坪滑坡巖層平均傾角為10°，坡長L=650 m，坡體重度w=122 042 (kN)；石板溝滑坡巖層傾角為12°，坡長L=600 m，坡體重度w=224 400 (kN)。根據(jù)以上參數(shù)計算坡體在此次降雨過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化值，得到窯廠坪滑坡、石板溝滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時間的變化如圖5、圖6所示。

圖5 窯廠坪滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨關(guān)系

圖6 石板溝滑坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨關(guān)系

可見，這類巖質(zhì)滑坡與后緣靜水壓力以及滑帶浸水軟化關(guān)系密切，對于這類緩傾順層巖質(zhì)滑坡，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著隨著降雨強度及降雨歷時的變化而變化。隨著降雨過程的持續(xù)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)K值逐漸下降，結(jié)合降雨過程分析及考慮滑面軟化效應的穩(wěn)定性評價方法對這類緩傾順層巖質(zhì)滑坡的形成過程進行預測得到的結(jié)果與實際情況較為吻合。

3 淺層土質(zhì)滑坡力學模型

土質(zhì)滑坡在降雨過程中的穩(wěn)定性主要受降雨入滲的影響，降雨滲入土體后導致土體自重增加，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的變化而變化，從而影響土體抗剪強度，降雨成為了土質(zhì)滑坡的重要致滑因素[13]。若土體后緣也有拉裂縫存在，降雨通過拉裂縫進入土體內(nèi)部，并到達潛在滑動面，增加滑動面附近孔隙水壓力，并由于軟化和有效應力減小雙重作用，削弱土體抗剪強度，最終導致滑坡。

因此，可以以斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)K作為基本依據(jù)，采用解析方法分析整個降雨過程中斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨土體重量增加、滲透壓力和滑帶抗剪強度的不斷改變的動態(tài)變化規(guī)律，并以穩(wěn)定性系數(shù)接近或達到臨界平衡狀態(tài)例如K=1作為預警判據(jù)，構(gòu)建降雨誘發(fā)緩傾角淺表層土質(zhì)滑坡的物理預警模型。

假定土體為圓弧滑動面，滑面總長為L，在降雨過程中隨著降雨時間t的變化，坡體內(nèi)含水量也隨之變化，對應土體的抗剪強度參數(shù)也產(chǎn)生變化。假設(shè)土體滑動面的內(nèi)摩擦角為φ，粘聚力為c，如圖7所示。

圖7 土質(zhì)滑坡極限分析法示意圖[14]

極限平衡分析法滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(8)

式中：孔隙水壓力Nwi=rwhiwLicosαi，即近似等于浸潤面以下土體的面積hiwLicosαi，乘以水的容重rw。滲透壓力產(chǎn)生的平行滑面分力為：

TDi=rwhiwLisinβicos(αi-βi)。

(9)

滲透壓力產(chǎn)生的垂直滑面分力為：

RDi=rwhiwLisinβisin(αi-βi)。

(10)

式中：K為穩(wěn)定性系數(shù)，hiw為第i條塊浸潤面高度，wi為第i條塊的重量(kN/m)，ci為第i條塊的內(nèi)聚力(kPa)，φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角(°)，Li為第i條塊滑面長度(m)，αi為第i條塊滑面傾角(°)，βi為第i條塊地下水流向(°)。

帶入以上參數(shù)后可得到坡體的穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

(11)

式中：穩(wěn)定性系數(shù)K隨時間的變化而變化，記為K(t)；hiw，ci，φi值隨著浸水時間的變化而變化，與降雨時長有關(guān)，記為hiw(t)，ci(t)，φi(t)。hiw(t)可以通過對滑坡體地下水水位的實際監(jiān)測獲得浸潤高度與降雨時間的關(guān)系，對于不同特性的土體，可以通過實驗獲得滑動面土體ci，φi值與浸水時間的關(guān)系公式ci(t)，φi(t)，將以上參數(shù)代入穩(wěn)定性系數(shù)公式中可得到穩(wěn)定性系數(shù)K值為：

K=

根據(jù)公式可以得到滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)K隨坡體滑動面浸水時間的關(guān)系。當滑坡體處于極限平衡狀態(tài)時，令穩(wěn)定性系數(shù)K=1，把wi、rw、Li、αi、βi、θ的值和hiw(t)、ci(t)、φi(t)，三個與時間t的關(guān)系式代入上式中，即可得出K=1時滑坡體處于極限平衡狀態(tài)時所需要的時間t。

4 結(jié)論

降雨過程中，斜坡中地下水位的實時動態(tài)變化規(guī)律可以通過斜坡地下水位的實際觀測得到，如果沒有地下水位觀測，也可以利用數(shù)值模擬軟件(如SEEP/W專業(yè)地下水滲流分析軟件)分析計算降雨過程中斜坡地下水位的動態(tài)變化過程。降雨過程中，滑帶土抗剪強度衰減規(guī)律可通過試驗得到。圖8中顯示了同時考慮降雨過程中地下水位變化以及滑帶土抗剪強度變化等因素后，斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)動態(tài)變化情況。若將斜坡穩(wěn)定性系數(shù)K(t)=1作為降雨型滑坡預警判據(jù)，便可實現(xiàn)降雨型滑坡的動態(tài)預警。

圖8 穩(wěn)定性系數(shù)動態(tài)變化示意圖

[1] Hoek E，Brown E T.巖石地下工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1986.

[2] 李保雄，苗天德.紅層軟巖順層滑坡臨滑預報的強度控制方法[J].巖石力學與工程學報,2003,22(supp.2): 2703-2706.

[3] 范宣梅，許強，黃潤秋，等.四川宣漢天臺特大滑坡的成因機理及排水工程措施研究[J].成都理工大學學報:自然科學版,2006,33(5):448-454.

[4] 邵江，周德培，周應華，等.含豎向裂縫的近水平層狀巖體邊坡的動力學分析[J].土木工程學報,2006,39(7):94-98.

[5] 羅沖，殷坤龍，汪洋.裂隙水誘發(fā)緩傾角滑坡變形破壞機理初步研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2004,31(5):12-14.

[6] 吉隨旺，張倬元，王凌云，等.近水平軟硬互層斜坡變形破壞機制[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,2000,11(3):49-52.

[7] 呂美君，晏鄂川，程江濤.近水平巖層滑坡啟動的臨界水柱高度分析[J].巖土力學,2008,29(1):207-211.

[8] 蘇愛軍，劉紅星，孫云志，等.三峽庫區(qū)水平層狀滑坡成因研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2004,28(3):427-430.

[9] 王蘭生，張倬元.斜坡巖體變形的動力學機制[M]//水文地質(zhì)工程地質(zhì)論叢.北京:地質(zhì)出版社,1986.

[10]黃潤秋，趙松江，頌肖冰，等.四川省宣漢縣天臺鄉(xiāng)滑坡形成過程和機理分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005,32(1):13-15.

[11]許強，范宣梅，李園，等.板梁狀滑坡形成條件、成因機制與防治措施[J].巖石力學與工程學報,2010, 29(2):242-250.

[12]胡澤銘.四川紅層地區(qū)緩傾角滑坡成因機理研究[D].成都：成都理工大學,2013.

[13]熊煒，范文.秦巴山區(qū)淺表層滑坡成災規(guī)律研究[J].災害學,2014,29(1):228-233.

[14]中華人民共和國國土資源部.DZ/T0218-2006滑坡防治工程勘查規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2006.

Dynamic Mechanics Early Warning Model of Rainfall InducedBedding Rock and Soil Landslide

Qi Xing, Xu Qiang, Zheng Guang and Hu Zeming

(StateKeyLaboratoryofGeo-hazardsPreventionandGeo-environmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Forrainfallinducedbeddingrockslope,whenthebacklandslidehasfissures,waterleadstosofteningslidingzoneandreduceshearingstrength.Becauseoftheinfluenceoffissurewaterhydrostaticpressureandupliftpressure,thestabilityofthelandslidehavedynamicchangewithrainfall;forthesoillandslideinducedbyrainfall,theslopebodyweightincreaseandtheshearstrengthreductionmakesthestabilityofthelandslidechanging.Byconsideringthedynamicchangeprocessofhydrostaticpressure,upliftpressure,softenslidingsurfaceinrocklandslideandphreaticsurfaceheight,softeningeffectinsoillandslidetoestablishthestabilitycoefficientearlywarningmodelofthetwokindsoflandslide,andvalidatethemodelaccuracyinlayeredrocklandslide.

landslide;rainfall;layeredrock;soilmechanicalmodel;earlywarning

2015-01-15

2015-03-20

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB733200);中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(水[2014]02-028-004);四川省科技支撐計劃(2012SZ0066)

亓星(1988-)，男，四川成都人，博士研究生，主要從事地質(zhì)工程相關(guān)研究.E-mail: qixing2009@163.com

P642.22; X43

A

1000-811X(2015)03-0038-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.008

亓星，許強，鄭光，等. 降雨誘發(fā)順層巖質(zhì)及土質(zhì)滑坡動態(tài)預警力學模型[J].災害學, 2015,30(3):038-042. [Qi Xing, Xu Qiang, Zheng Guang, et al. Dynamic mechanics early warning model of rainfall induced bedding rock and soil landslide [J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：038-042.]