劉春虎+仲佳鑫
摘 要:通過對寧夏彭陽縣陳溝滑坡的區(qū)域環(huán)境和地質(zhì)條件調(diào)查,結(jié)合滑坡工程地質(zhì)特征及發(fā)育特征,分析了典型滑坡的地質(zhì)成因機制。采用Geo-Studio軟件進行了滲流作用下的滑坡機理研究,并對暴雨誘發(fā)滑坡的過程進行了分析。研究結(jié)果表明:降雨自裂縫深入坡體,使土-巖接觸面抗剪強度降低,導(dǎo)致潛在滑面累進性破壞,在斜坡中形成貫通的滑動面時,斜坡發(fā)生整體滑動。
關(guān)鍵詞:發(fā)育特征;成因機制;形成機理
中圖分類號: P694 文獻標(biāo)識碼: A 文章編號: 1673-1069(2016)34-80-3
1 概述
彭陽縣地處寧南黃土丘陵區(qū)東部,地質(zhì)環(huán)境條件脆弱,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、頻發(fā)。近年來,隨著極端氣候增加,在強降雨條件下引發(fā)了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,尤以陳溝滑坡最為典型。本文以彭陽縣陳溝滑坡為例,探討彭陽縣暴雨條件下滲流作用對非飽和黃土斜坡穩(wěn)定性的影響。
現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)地質(zhì)資料表明,陳溝滑坡屬暴雨型黃土-基巖接觸面滑坡。分析研究其發(fā)育特征及形成機制對后期地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要的指導(dǎo)作用,同時,暴雨型黃土-基巖接觸面滑坡在寧南山區(qū)較為普遍,研究成果可用于類似的理論分析參考。
2 工程地質(zhì)背景
陳溝滑坡位于彭陽縣城陽鄉(xiāng)陳溝村黃土梁之上,屬茹河一級支溝的凸岸。滑坡平面形態(tài)呈“幾”字形,長約300m,寬500m,厚約40m,平面形態(tài)表現(xiàn)為半圓形,平面面積約150000m2,滑坡體體積約6000000m3,主滑方向為32°,滑體較為破碎。工程地質(zhì)揭露,該滑坡為降雨誘發(fā)的老滑坡,發(fā)生時帶動北邊斜坡產(chǎn)生一條近1km的大裂縫?;潞缶壛荷犀F(xiàn)有2戶居民,裂縫下方有3戶居民,溝底建有小型水庫,滑坡所處斜坡大多開發(fā)成為經(jīng)濟林地。
滑坡區(qū)出露新近系甘河溝組(Ngn)紅色泥巖、中更新統(tǒng)黃土(Qp2)和晚更新統(tǒng)黃土(Qp3)。泥巖具隔水作用,遇水易軟化,滑坡后壁可見厚度約10m。中更新統(tǒng)黃土主要為風(fēng)成粉塵堆積的棕黃色粉質(zhì)粘土,出露厚度約25m,較致密,質(zhì)地堅硬,次生垂直節(jié)理發(fā)育,穩(wěn)定性差。晚更新統(tǒng)黃土為風(fēng)成粉塵堆積的黃色粉土,出露厚度約20m,垂直節(jié)理發(fā)育,強度較弱,滲透性大。滑坡工程地質(zhì)平、剖面見圖1。
3 滑坡形成機理分析
斜坡體坡面呈凹形,坡體呈簸箕狀,有利于地表水的匯集;斜坡體上的土質(zhì)疏松,多孔,垂直節(jié)理發(fā)育。人類工程活動,如削坡、加載等作用,將原有的平衡狀態(tài)打破,使斜坡產(chǎn)生卸荷、拉張和風(fēng)化裂隙。在黃土節(jié)理、卸荷與風(fēng)化裂隙、落水洞、陷穴等發(fā)育部位,降雨沿空隙下滲甚至灌入,在相對隔水部位形成上層滯水或飽水帶,增大巖土體重力,甚至形成孔隙水壓力,降低巖土體強度,從而觸發(fā)黃土滑坡的發(fā)生;下伏泥巖具隔水性,使地下水向下運移受阻,匯集于其上土體中,引起上部潛水位抬高,土體處于飽水狀態(tài),其泥巖遇水易軟化,形成滑床及滑動面;在降雨條件下,雨水沿裂縫下滲,一方面增大了土體的重力下滑力,另一方面雨水沿隔水層上部徑流,使上部土體飽水軟化,于下伏泥巖的接觸面形成滑床,最終導(dǎo)致滑坡體下滑。
4 非飽和土滲流計算理論與模型
非飽和土中的滲流符合達(dá)西定律。以總水頭h作為因變量,假定總應(yīng)力保持不變,孔隙氣壓保持為恒定的大氣壓,忽略土骨架的變形。當(dāng)滲透主應(yīng)力方向與坐標(biāo)軸一致時,二維滲流控制方程為:
式中,h為總水頭;kx、ky分別為x和y方向的滲透系數(shù);Q為施加的邊界流量,γw為水的容重;mw=?墜θ/?墜uw,θ為體積含水率,uw為孔隙水壓力,mw即為土水特征曲線的斜率。因此,已知土體的土水特征曲線和滲透性函數(shù),并給定邊界條件和初始條件,就可以得到非飽和土的暫態(tài)滲流場。本文中采用有限元方法計算非飽和土斜坡中的暫態(tài)滲流場。
非飽和土強度理論采用Fredlund提出的非飽和土抗剪強度公式:
?子ff=c′+(σf-ua)f tan?準(zhǔn)′+(ua-uw)f tan?準(zhǔn)b (2)
式中,τff為土的抗剪強度; c′,?準(zhǔn)′分別為飽和土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角;(σf-ua)f為破壞面上的凈法向應(yīng)力;(ua-uw)f為破壞面上的基質(zhì)吸力;?準(zhǔn)b表示抗剪強度隨基質(zhì)吸力而增加的速率,本文中假定?準(zhǔn)b為常量。當(dāng)土體接近飽和時,孔隙水壓力接近孔隙氣壓力,基質(zhì)吸力趨于零,上式中的基質(zhì)吸力項消失,從而變?yōu)轱柡屯痢?/p>
采用SEEP/W有限元軟件對陳溝滑坡進行非穩(wěn)態(tài)滲流分析,先模擬未發(fā)生滑動的殘坡積土斜坡,坡面無裂隙。有限元計算模型如圖2所示。
實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)斜坡中無穩(wěn)定的地下水位,模型使用的邊界條件如下:①斜坡坡面為流量邊界,流量大小為降雨強度,降雨強度采用固原地區(qū)百年一遇降雨強度105mm/d。②模型兩側(cè)黃土部分為零流量邊界。③模型兩側(cè)和底面泥巖部分為不透水邊界。
4.1 計算參數(shù)
計算參數(shù)包括土體的滲透性函數(shù)和土水特征曲線,以及巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。土體的土水特征曲線和滲透性函數(shù)如圖3、圖4所示。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)來自長安大學(xué)巖土工程重點實驗室(見表1),非飽和土的吸力抗剪強度部分由土水特征曲線在軟件中導(dǎo)入。
4.2 完整斜坡中雨水的滲流
根據(jù)上文給定的邊界條件,分12個時步對降雨作用下的殘坡積土斜坡暫態(tài)滲流場進行模擬,每2h為一步長。24h降雨條件下斜坡中孔隙水壓力分布,如圖5所示。各時步土體中孔隙水壓力隨深度的變化曲線如圖6所示。
由圖6中可以看出,雨水由斜坡坡面向下入滲,入滲深度有限,最大入滲深度約為8m。斜坡在初始狀態(tài)下,孔隙水壓力隨深度的增加而增大;當(dāng)降雨發(fā)生時,隨著雨水的入滲,土體中孔隙水壓力逐漸增大,同時土體中基質(zhì)吸力降低。到降雨12h時,土體中孔隙水壓力基本不再增加,認(rèn)為此時雨水不再繼續(xù)入滲。
采用極限平衡法(Janbu法)分析降雨條件下黃土斜坡的穩(wěn)定性,斜坡中滲流場由前文降雨過程中的暫態(tài)滲流場導(dǎo)入,斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時間的變化曲線如圖7所示。計算結(jié)果顯示,在降雨8h之后,斜坡穩(wěn)定系數(shù)基本不再變化。說明在降雨8h之后,雨水的入滲量基本不再增加。
4.3 坡面有裂隙的斜坡中雨水的滲流
對于坡體表面存在裂隙的斜坡而言,雨水主要由坡體裂縫集中入滲。陳溝村滑坡在其后緣存在裂隙,模擬計算結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖可以看出,雨水由滑坡后緣裂縫入滲后,在滑帶處聚集,在滑帶處形成一定范圍的飽和帶?;瑤馏w中孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力降低,致使滑帶土體的抗剪強度降低。
用極限平衡法(Janbu法)分析了降雨條件下黃土滑坡的穩(wěn)定性,斜坡中滲流場由前文降雨過程中的暫態(tài)滲流場導(dǎo)入,斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時間的變化曲線如圖10所示。由計算結(jié)果可以看出,在降雨8h之后,斜坡穩(wěn)定系數(shù)基本不再變化。說明在降雨8h之后,雨水的入滲量基本不再增加。
由前文的分析,可以得出以下結(jié)論:
①雨水在斜坡土體中的入滲深度是有限的。
②有裂隙的斜坡中雨水主要由斜坡裂隙集中入滲,使土-巖接觸面的土體抗剪強度降低。降雨會造成斜坡穩(wěn)定性降低,一些處于臨界狀態(tài)的斜坡會在強降雨作用下發(fā)生滑坡。
③降雨達(dá)到一定時長,斜坡表層土體接近飽和,雨水不再入滲,轉(zhuǎn)為地表徑流;根據(jù)前分析,在百年一遇降雨強度(105mm/d)下,12h之內(nèi)雨水在斜坡中的入滲達(dá)到極限值。因此,以24h降雨量作為地質(zhì)災(zāi)害臨界降雨量判據(jù)是可行的。
5 暴雨誘發(fā)黃土滑坡的過程分析
需要說明的是,數(shù)值計算中未能模擬降雨過后累進性破壞造成的土體抗剪強度降低,而實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn),滑坡發(fā)生的時間常常在強降雨的數(shù)天之后,說明這種作用對于斜坡的變形破壞有著顯著的影響。
對于完整斜坡而言,由于雨水入滲只發(fā)生在一定深度內(nèi),因此降雨對其穩(wěn)定性的影響有限。對于存在裂隙的斜坡,雨水入滲會造成裂隙附近土-巖接觸面的土體抗剪強度降低,使裂隙附近土體發(fā)生局部破壞,形成初始的破裂面。最初的破壞所導(dǎo)致的應(yīng)力集中會沿著斜坡中的軟弱帶逐漸向下坡方向發(fā)展,使局部破壞向下坡方向擴展,這種累進性破壞在斜坡中形成貫通的滑動面時,斜坡發(fā)生整體滑動。
6 結(jié)論
①陳溝滑坡的形成是由于不合理的人類工程活動加劇了卸荷、拉張和風(fēng)化裂隙的形成,在降雨轉(zhuǎn)化為地下水的過程中與土-巖共同作用的結(jié)果。
②采用有限元軟件進行非穩(wěn)態(tài)滲流分析,結(jié)果顯示:斜坡時前期隨著雨水的入滲,土體中孔隙水壓力逐漸增大,基質(zhì)吸力降低,到一定程度,雨水不再繼續(xù)入滲。
③雨水入滲會造成裂隙附近土-巖接觸面的土體抗剪強度降低,形成初始的破裂面,進而使斜坡中的軟弱帶逐漸向下坡方向發(fā)展,當(dāng)累進性破壞形成貫通的滑動面時,斜坡發(fā)生破壞。
參 考 文 獻
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