陳思婕，李美駿，羅雅婕，邵 偉*，楊宗佶

(1.南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院，南京 210044; 2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041)

滑坡地質(zhì)災(zāi)害一般由地震、極端降雨等因素觸發(fā)[1-4]。地震在短時(shí)間內(nèi)可以導(dǎo)致邊坡荷載的劇烈變化，改變山區(qū)巖土特性，造成滑坡或促使大量的邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)榛码[患點(diǎn)。在震后期，降雨觸發(fā)的次生滑坡災(zāi)害，具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)山區(qū)人民財(cái)產(chǎn)和生命安全造成極大的威脅，是世界上最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一[5-6]。

降雨滲流可造成孔隙內(nèi)部侵蝕，細(xì)顆粒發(fā)生遷移[7-8]。這種微觀潛蝕機(jī)制不僅影響孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性，也會(huì)減小巖土黏聚力和抗剪強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期微觀潛蝕，裂隙、大孔隙、軟弱結(jié)構(gòu)面可能相互貫通，并形成潛在滑動(dòng)面[9-11]。高強(qiáng)度降雨造成的入滲水流可以繞過(guò)致密基巖和土壤基質(zhì)，在裂隙和大孔隙中快速流動(dòng)，急劇增大潛在滑動(dòng)面上的孔隙水壓力，并降低抗剪強(qiáng)度[12-13]。因此，在震后極端降雨觸發(fā)的次生滑坡災(zāi)害中，非飽和條件下優(yōu)先流的快速入滲成為地震滑坡堆積體最顯著的影響因素。中外許多學(xué)者基于優(yōu)先流影響下的滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)開(kāi)展了大量的工作，如楊宗佶等[14]采用人工降雨模型試驗(yàn)?zāi)M了典型礫石土滑坡的破壞過(guò)程，揭示了降雨條件下滑坡堆積體形成優(yōu)先流作用下的變形破壞的過(guò)程。李鑫等[15]總結(jié)了優(yōu)先流觸發(fā)滑坡致災(zāi)的4個(gè)發(fā)展階段，并以典型滑坡作為驗(yàn)證，分析了優(yōu)先流觸發(fā)滑坡作用研究機(jī)理。潘網(wǎng)生等[16]研究發(fā)現(xiàn)黃土孔隙、裂隙中優(yōu)先流對(duì)于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的研究有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。王力等[17]采用各向異性滲透材料在降雨作用下對(duì)滑坡進(jìn)行滲流場(chǎng)及位移場(chǎng)的模擬，并與常規(guī)模擬及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了優(yōu)先流在滑坡事件中的存在。Ronchetti等[18]通過(guò)采用染色劑示蹤劑法描述斜坡中地下水流運(yùn)動(dòng)路徑，結(jié)果表明，存在兩種類型的地下水流，即優(yōu)先流和基質(zhì)流，可為滑坡預(yù)警提供新的貢獻(xiàn)。Chen等[19]通過(guò)進(jìn)行一系列的人工降雨試驗(yàn)，對(duì)水文響應(yīng)進(jìn)行表征，結(jié)果表明大部分降雨滲入滑坡體，受優(yōu)先流的影響，孔隙水壓力和含水量對(duì)模擬降雨時(shí)間響應(yīng)迅速。

但目前為止，中國(guó)仍缺乏對(duì)于優(yōu)先流影響下的水-力耦合機(jī)理的定量研究[20-21]?，F(xiàn)行的滑坡預(yù)警系統(tǒng)常常忽略優(yōu)先流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，造成強(qiáng)降雨條件下滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的低估[3,6,22-24]。因此，現(xiàn)構(gòu)建并完善考慮優(yōu)先流的滲流-邊坡穩(wěn)定模型，將野外實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合構(gòu)建滑坡預(yù)警系統(tǒng),基于單滲透模型和雙重滲透模型，探尋降雨條件下的滑坡堆積體水文響應(yīng)過(guò)程以及失穩(wěn)過(guò)程，并將其應(yīng)用到地震擾動(dòng)區(qū)的潛在滑坡體的野外實(shí)驗(yàn)以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)對(duì)滑坡觸發(fā)的影響，為提高滑坡預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確度提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省都江堰市白沙河流域銀洞子溝(經(jīng)度103°40′22.57″E；緯度31°9′36.15″N)，距市區(qū)約30 km。銀洞子溝所在的都江堰市四季分明，屬于四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。降雨充沛但多集中在6—9月的雨季，最低月平均降雨量出現(xiàn)在1月底。同時(shí)降雨強(qiáng)度差異極大，降雨空間分布不均勻，東南部平原區(qū)大于西北部地區(qū)，且降雨量表現(xiàn)為隨地勢(shì)逐漸升高而增加的趨勢(shì)。該地區(qū)降雨為流域泥石流爆發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)因素。研究區(qū)的銀洞子溝面積約2.2 km2，主溝整體長(zhǎng)約 2.5 km，最大溝壑寬約1.0 km，主溝平均縱坡降 310‰。該流域最高海拔高程2 050 m，最低海拔高程 1 070 m，相對(duì)高差1 020 m。山體走向?yàn)楸睎|南西向，山脊狹窄，地形為上陡下緩，溝谷深切且狹窄，溝床陡直,多為“V”形谷，其全景圖如圖1所示。

2008年汶川地震導(dǎo)致銀洞子溝兩側(cè)山體多處產(chǎn)生崩塌滑坡，形成大量的崩塌堆積體。銀洞子溝滑坡為典型的震后滑坡，滑坡堆積體在降雨激發(fā)條件下發(fā)生再次淺層滑動(dòng)、拉槽，并轉(zhuǎn)化為泥石流?；露逊e體結(jié)構(gòu)松散，主要由礫石土組成。震后降雨作用下，堆積體表面受地表徑流沖刷并形成細(xì)溝侵蝕，其溝道受到坡面徑流的沖刷和漸進(jìn)淺層滑塌破壞而不斷擴(kuò)大，滑坡體前緣發(fā)生局部破壞并不斷向后延伸，同時(shí)失穩(wěn)垮塌的滑坡物質(zhì)，成為后續(xù)極端降雨條件下發(fā)生次生地質(zhì)災(zāi)害的泥石流物源。

2 野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 野外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

人工降雨實(shí)驗(yàn)在都江堰市白沙河流域銀洞子溝地震滑坡堆積體現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由人工降雨、攝像記錄、地表及地下位移監(jiān)測(cè)組成。坡體的探測(cè)裝置主要由雨量計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、土壤體積含水量探頭、數(shù)據(jù)接收器和傾斜式位移計(jì)組成，如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)儀器組成

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)布置如圖3所示，土壤含水量和孔隙水壓力傳感器埋藏在滑坡體的關(guān)鍵位置，以便測(cè)量含水量和基質(zhì)吸力的動(dòng)態(tài)變化。翻斗式雨量計(jì)可實(shí)時(shí)收集瞬態(tài)降雨量。地表位移和傾斜數(shù)據(jù)通過(guò)GPS(global positioning system)位移計(jì)及地表位移傾斜計(jì)觀測(cè)，從而建立滑坡觸發(fā)與降雨的相關(guān)關(guān)系。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 瞬態(tài)孔隙水壓力響應(yīng)

針對(duì)邊坡土體瞬時(shí)孔隙水壓力的變化，單滲透模型采用考慮滑坡坡度的Darcy-Richards方程[24]，即

(1)

雙重滲透模型利用兩個(gè)Darcy-Richards方程分別模擬基質(zhì)流和優(yōu)先流[25-26]，即

(2)

(3)

式中：下標(biāo)m和f分別表示基質(zhì)流和優(yōu)先流；wm和wf為基質(zhì)流和優(yōu)先流的體積含水量；Γw是兩域水分交換量[13]，其計(jì)算公式為

(4)

式(4)中：αw為水交換項(xiàng)系數(shù)。

采用van Genuchten-Mualem模型描述基質(zhì)和大孔隙域的土壤水動(dòng)力特性[27]，即

(5)

(6)

K(Θ)=KsΘ0.5[1-(1-Θ1/m)m]2

(7)

式中：Θ為有效飽和度；θ為體積含水量；θs為飽和含水量；θr為殘余含水量；α、n和m(m=1-1/n)為擬合參數(shù)；Ss為儲(chǔ)水系數(shù)；Ks為飽和導(dǎo)水系數(shù)。

雙重滲透模型基于連續(xù)模型概念，土體總含水量θ為基質(zhì)含水量θm和大孔隙域含水量θf(wàn)加權(quán)平均，即

θ=wfθf(wàn)+wmθm

(8)

而飽和導(dǎo)水率Ks為

Ks=wfKsf+wmKsm

(9)

式(9)中：Ksf和Ksm分別是大孔隙域和基質(zhì)域的飽和導(dǎo)水率。

2.2.2 無(wú)限邊坡穩(wěn)定性分析

無(wú)限邊坡穩(wěn)定性分析方法將淺層滑坡體的滑動(dòng)面視為與軟弱面平行的規(guī)則滑動(dòng)面，穩(wěn)定性可用安全系數(shù)Fs表示為

(10)

式(10)中：Fs為安全系數(shù)；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；G為土體重度；σs為土體基質(zhì)吸力。

σs=χpw=χγwh

(11)

式(11)中：pw為孔隙水壓力；γw為水的容重；χ為基質(zhì)吸力系數(shù)，可用有效飽和度近似計(jì)算[28]。考慮到研究區(qū)的巖土體滲透系數(shù)極高，雙重滲透模型中，式(11)中的h可用hm替代進(jìn)行計(jì)算。

2.3 模型設(shè)定及參數(shù)化

2.3.1 土壤水分特征曲線

首先將Darcy-Richards方程的表面邊界設(shè)為通量型(flux boundary)，以計(jì)算非飽和土表面邊界的降雨入滲。模型計(jì)算區(qū)域深度設(shè)為1.0 m，土壤水力學(xué)參數(shù)分為三層進(jìn)行設(shè)定(0～0.55 m，0.55～0.8 m，0.8～1.0 m)。將26 h的數(shù)值模擬周期分為率定和驗(yàn)證兩部分。在率定周期內(nèi)(即0～6 h)對(duì)導(dǎo)水率進(jìn)行率定。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，確定了基質(zhì)與大孔隙域體積比相關(guān)參數(shù)。大孔隙域體積比設(shè)定為25%，表示土壤中大孔隙、裂縫等優(yōu)先流路徑的體積比。測(cè)定的飽和土壤含水量范圍為0.4～0.5，其下限與基質(zhì)域孔隙度相關(guān)，而上限則與大孔隙所占體積有關(guān)。因此，在單滲透模型和雙重滲透模型中，殘余土壤含水量θr和飽和土壤含水量θs分別為0.1和0.425。

土壤水力學(xué)特征曲線中，參數(shù)α與進(jìn)氣吸力有關(guān)，而n為擬合參數(shù)。其中，大孔隙域的n，各土層深度設(shè)定為4.0；而基質(zhì)域的n利用MATLAB軟件中的“Isqcurvefit”函數(shù)，基于非線性最小二乘算法擬合參數(shù)，以描述土壤水分特征曲線。單滲透模型擬合后的土壤水分特征曲線如圖4(a)、圖4(c)、圖4(e)所示，雙重滲透模型確定的復(fù)合土壤水分特征曲線如圖4(b)、圖4(d)、圖4(f)所示。

圖4 單滲模型和雙重滲透模型中土壤水分特征曲線

雙重滲透模型的復(fù)合土壤水分特征曲線可以用來(lái)描述土壤整體的持水特性，與單滲透模型和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。雙重滲透模型的土壤水分特征曲線采用兩組參數(shù)描述基質(zhì)流和優(yōu)先流的水力特性。依據(jù)脫濕過(guò)程的土壤含水量和孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將其作為單滲透模型和雙重滲透水分特征曲線參數(shù)，其參數(shù)如表1所示。

表1 單滲透模型、雙重滲透模型的基質(zhì)和大孔隙域?qū)?yīng)的水力學(xué)參數(shù)

2.3.2 土力學(xué)相關(guān)參數(shù)

土力學(xué)參數(shù)(即黏聚力、摩擦角、比重)和邊坡幾何關(guān)系(厚度和長(zhǎng)度)如表2所示?；诜秋柡屯林奔粼囼?yàn)測(cè)試了土體的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角。土體力學(xué)參數(shù)將用于非飽和條件下的邊坡穩(wěn)定性分析，土力學(xué)參數(shù)由文獻(xiàn)[21]進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試而來(lái)。

表2 滑坡體土體參數(shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較

三種不同深度(0.50、0.75、1.0 m)土壤含水量模擬結(jié)果如圖5所示。開(kāi)始時(shí)，各深度土壤含水量與數(shù)值分析中指定的殘余土壤含水量θr非常接近(如表1所示)。率定期間降雨強(qiáng)度較為均勻，平均102 mm/h，在5 h過(guò)程中，土壤含水量由于重力排水而逐漸降低，達(dá)到穩(wěn)定值，在0.50、0.75、1.0 m的土層深度分別降低0.12、0.18、0.25。在邊坡失穩(wěn)破壞期間，4次降雨強(qiáng)度均引起土壤含水量的顯著變化，降雨強(qiáng)度變化條件下，相對(duì)復(fù)雜的降雨輸入導(dǎo)致入滲和排水過(guò)程顯著變化。

圖5 不同土層深度在率定期、排水期、邊坡破壞過(guò)程中實(shí)測(cè)和模擬土壤含水量

由圖5可知，在0.50 m深度處，單滲透模型和雙重滲透模型基質(zhì)域土壤含水量模擬值均與實(shí)測(cè)值吻合較好。各深度實(shí)測(cè)土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)非常迅速，數(shù)值模擬土壤含水量在0.75 m和1.0 m深度存在明顯的滯后。在1.0 m時(shí)，單滲透模型的結(jié)果為顯著延遲0.33～0.5 h，雙重滲透模型基質(zhì)域土壤水文響應(yīng)僅滯后0.17～0.33 h。在模擬和實(shí)測(cè)的土壤水分對(duì)比中，模擬的土壤水動(dòng)力過(guò)程表明，入滲主要發(fā)生在基質(zhì)域，而大孔隙域的水文響應(yīng)在達(dá)到較高的飽和條件后才會(huì)顯著，故在1.0 m處雙重滲透模型能更好地模擬真實(shí)土壤含水量。雙重滲透模型能體現(xiàn)基質(zhì)域和大孔隙域的水力特性，比單滲透模型能更好地揭示滑坡體中土壤含水量的快速響應(yīng)。

非飽和土孔隙水壓力的負(fù)值可以定義為土體吸力，其在三個(gè)不同深度的值如圖6所示。0.50、0.75、1.0 m深度處土體初始吸力P分別為14.7、4.5、1.9 kPa。降雨期間各深度土體吸力顯著降低至1.0 kPa。間歇排水期間，土壤含水量降低，土體吸力逐漸增大。在邊坡失穩(wěn)破壞過(guò)程中，由于強(qiáng)降雨作用，土體吸力下降至最低值。

圖6 不同土層深度率定期、排水期、邊坡破壞期中實(shí)測(cè)和模擬土壤孔隙水吸力

以上對(duì)比表明，單滲透模型和雙重滲透模型都可獲得較為合理的土壤含水量和基質(zhì)吸力。但雙重滲透模型，可更準(zhǔn)確地反映快速水文響應(yīng)。

3.2 邊坡穩(wěn)定分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)邊坡破壞滑移面深度為0.5 m，因此將邊坡穩(wěn)定性分析的深度定為該深度以模擬滑移面的穩(wěn)定系數(shù)。深度為0.5 m處的安全系數(shù)計(jì)算如圖7所示。初始條件為穩(wěn)定(Fs>1.0)，當(dāng)安全系數(shù)Fs<1.0時(shí)，則發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞。單滲透模型模擬的初始安全系數(shù)為1.115，然而雙重滲透模型模擬的安全系數(shù)更高為1.120。試驗(yàn)期間模擬的安全系數(shù)隨降雨作用逐漸降低。單滲透模型模擬的安全系數(shù)下降至1.005，雙重滲透模型模擬的安全系數(shù)下降至1.000，雙重滲透模型計(jì)算的安全系數(shù)的波動(dòng)大于單滲透模型的安全系數(shù)。在排水過(guò)程中，由于孔隙水壓力的增大，兩種滲透模型模擬的安全系數(shù)均增大，分別達(dá)到1.025(單滲透模型)和1.045(雙重滲透模型)。

圖7 單滲透和雙重滲透模型模擬的邊坡穩(wěn)定性

在高強(qiáng)降雨作用下，邊坡共發(fā)生了4次滑坡破壞事件。在此期間，土體始終處于非飽和狀態(tài)，因此滑坡全部發(fā)生在非飽和條件下。第一次滑坡(t=22 h)的觸發(fā)可通過(guò)兩種模型來(lái)進(jìn)行預(yù)警:單滲透模型的安全系數(shù)下降到0.995，雙重滲透模型模擬的安全系數(shù)下降到0.99。隨后，第二次和第三次(t=23.5 h和t=24 h)失穩(wěn)破壞發(fā)生于低雨強(qiáng)(20 mm/h)降雨過(guò)程，單滲透模型和雙重滲透模型結(jié)果均高估了邊坡穩(wěn)定性。第四次(t=24.7 h)降雨作用持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，大約為40 min，單滲透模型模擬的安全系數(shù)仍然接近1.0，而雙重滲透模型模擬的安全系數(shù)為0.99。因此，雙重滲透模型可以更好地揭示邊坡失穩(wěn)破壞過(guò)程，而單滲透模型則因無(wú)法量化優(yōu)先流對(duì)滑坡觸發(fā)的影響而高估邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

研究以汶川地震擾動(dòng)區(qū)銀洞子溝滑坡易發(fā)區(qū)的野外人工降雨滑坡實(shí)驗(yàn)為例，采用單滲透模型和雙重滲透模型模擬滑坡體的土壤水動(dòng)力過(guò)程，并分析降雨入滲和滑坡失穩(wěn)機(jī)理，得到如下結(jié)論。

(1)單滲透模型無(wú)法準(zhǔn)確表征優(yōu)先流影響下的水力特征，只能模擬基質(zhì)流，導(dǎo)致模擬土壤含水量與實(shí)測(cè)之間存在明顯的滯后效應(yīng)。相反，雙重滲透模型既可以模擬優(yōu)先流，也可以模擬基質(zhì)流，可以更準(zhǔn)確地模擬土壤含水量和孔隙水壓力的變化。

(2)將雙重滲透模型與邊坡穩(wěn)定性計(jì)算相耦合，可以量化土體非勻質(zhì)性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為滑坡泥石流災(zāi)害預(yù)警提供更可靠的結(jié)果。