鄭 潔，王 晉 榮，王 菁 莪

(1.武漢工程科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430200； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074)

0 引 言

中國(guó)長(zhǎng)江三峽地區(qū)是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)與多發(fā)區(qū)。自三峽工程開(kāi)始建設(shè)，庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題就受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1]。降雨入滲與地下水滲流是導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞的重要誘因。對(duì)于水庫(kù)滑坡而言，水庫(kù)的水位變化使滑坡部分區(qū)域處于周期性干濕循環(huán)狀態(tài)，滑體與滑帶的滲透性質(zhì)對(duì)其穩(wěn)定性影響顯著[2]。

在強(qiáng)降雨或庫(kù)水位上升期，滑坡巖土體含水率上升，滑帶軟化與滑動(dòng)面孔隙水壓力增大是降低滑坡穩(wěn)定性的主要因素[3-5]。由于滑帶對(duì)滑坡體變形破壞具有控制作用，故現(xiàn)有關(guān)于滑坡滲透性的研究大部分針對(duì)滑帶土開(kāi)展[6-8]。飽和滑帶土的滲透性由滲透系數(shù)表示，可通過(guò)原狀樣品的室內(nèi)常水頭或變水頭試驗(yàn)測(cè)試。而處于干濕循環(huán)狀態(tài)非飽和滑帶土的滲透性質(zhì)則需要通過(guò)水力傳導(dǎo)函數(shù)定義[9]。水力傳導(dǎo)函數(shù)描述非飽和土滲透系數(shù)與含水率的關(guān)系，可通過(guò)非飽和常水頭法、瞬態(tài)剖面法以及參數(shù)反演等方法測(cè)試或計(jì)算[10-11]。

在降雨過(guò)后或庫(kù)水位下降階段，滑坡地下水排泄過(guò)程受滑體滲透性的控制，滑坡地下水位下降的滯后效應(yīng)與滲流過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)水壓力會(huì)增大滑坡下滑力，是造成滑坡穩(wěn)定性下降的主要因素[3，12-13]。滲透系數(shù)或水力傳導(dǎo)函數(shù)是水庫(kù)滑坡地下水滲流及穩(wěn)定性分析計(jì)算的重要參數(shù)。不同于滑帶土，滑體物質(zhì)通常為土石混合體，常含有較大的塊石，通常無(wú)法取樣開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，其滲透性主要采用原位鉆孔注水或抽水方法測(cè)試[14-15]。然而，現(xiàn)行規(guī)范中鉆孔注水或抽水試驗(yàn)及計(jì)算方法均是基于達(dá)西定律，只能獲得滑體物質(zhì)的飽和滲透系數(shù)，而處于消落帶干濕循環(huán)狀態(tài)的滑體物質(zhì)的水力傳導(dǎo)函數(shù)尚無(wú)成熟的測(cè)試方法。

鑒于此，本文提出一種基于鉆孔原位滲流試驗(yàn)與數(shù)值反演相結(jié)合的滑體滲透性測(cè)試方法，并以三峽庫(kù)區(qū)黃土坡臨江1號(hào)滑坡體為典型案例開(kāi)展試驗(yàn)研究，旨在為滑體滲透性測(cè)試與分析提供參考。

1 研究場(chǎng)地概況

黃土坡滑坡位于三峽庫(kù)區(qū)巴東縣長(zhǎng)江干流南岸，是三峽庫(kù)區(qū)體積最大，危害性最嚴(yán)重的滑坡之一(見(jiàn)圖1)。巴東縣城在三峽移民工程中最開(kāi)始選址該區(qū)域重建，但由于對(duì)黃土坡區(qū)域穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)不足，最終縣城不得不整體二次搬遷。因此，該滑坡受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，關(guān)于該滑坡已有大量的研究成果，涉及演化過(guò)程、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)參數(shù)與穩(wěn)定性分析預(yù)測(cè)等各個(gè)方面[16-17]。

該滑坡所處地貌類型為川鄂褶皺山地中構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，是巫峽和西陵峽過(guò)渡的區(qū)域。歷史多期次滑動(dòng)造成地表坡面形態(tài)為折線型，陡緩相間。該區(qū)域出露地層主要為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)碎屑巖與碳酸鹽巖相間分布的海陸交互相地層，根據(jù)巖性不同可分為5段，其中第1，3，5段以淺灰色泥灰?guī)r為主，第2和4段主要為紫紅色泥巖夾粉細(xì)砂巖。在滑坡范圍內(nèi)，巴東組第2段(T2b2)分布于高程450 m以上坡體地段，該高程以下為巴東組第3段(T2b3)。官渡口向斜軸線大致沿河道走向東西向延展，滑坡位于該向斜南翼，結(jié)構(gòu)整體為順向坡，坡面傾向與基巖傾向基本一致。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of the study area

勘察資料顯示：黃土坡滑坡可分為臨江1號(hào)滑坡體、臨江2號(hào)滑坡體、變電站滑坡和園藝場(chǎng)滑坡4個(gè)主要部分，總面積約為135萬(wàn)m2，總體積約為6 934萬(wàn)m3，滑坡體物質(zhì)成分為塊石、碎石夾黏性土。臨江滑坡體直接與江水接觸，其穩(wěn)定性受水庫(kù)水位的影響最大，是黃土坡滑坡的主體也是最危險(xiǎn)的區(qū)域。為深入研究黃土坡滑坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并開(kāi)展深部監(jiān)測(cè)與科學(xué)試驗(yàn)，在黃土坡滑坡臨江1號(hào)滑坡體內(nèi)開(kāi)挖了大型隧洞群，為原位試驗(yàn)提供了良好的場(chǎng)地條件，本次原位滲流試驗(yàn)即在該隧洞群1號(hào)支洞內(nèi)開(kāi)展(見(jiàn)圖2)。

圖2 原位試驗(yàn)位置平面圖與剖面圖Fig.2 Plan and section of in-situ test location

2 研究方法

2.1 鉆孔原位滲流試驗(yàn)

滑坡體滲透性原位試驗(yàn)與反演方法包括原位鉆孔滲流試驗(yàn)與數(shù)值反演兩個(gè)部分。其中，原位滲流試驗(yàn)方法如圖3和圖4所示，在滑坡體地下隧洞頂部施工一個(gè)豎直鉆孔，孔口穿出地表與大氣連通，孔底穿過(guò)隧洞頂部混凝土襯砌，并安裝流量控制閥門(mén)、水壓傳感器與渦輪流量計(jì)。

圖3 原位鉆孔滲流試驗(yàn)方法示意Fig.3 Diagram of in-situ borehole seepage test method

圖4 原位鉆孔滲流試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.4 Photo of in-situ borehole seepage test device

試驗(yàn)之前，孔底閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，孔內(nèi)水位與穩(wěn)定的地下水位保持一致。試驗(yàn)開(kāi)始后，手動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)控制孔內(nèi)地下水以較小的流速排出，同時(shí)開(kāi)始實(shí)時(shí)采集孔底水壓傳感器與流量計(jì)數(shù)據(jù)。分別在試驗(yàn)開(kāi)始后500，1 000，1 500 s和3 000 s左右分階段繼續(xù)開(kāi)啟閥門(mén)，控制排水流速分級(jí)增大，最后關(guān)閉閥門(mén)，使孔內(nèi)水位恢復(fù)至初始狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后即可獲得鉆孔底端水壓與流速隨時(shí)間變化曲線。

2.2 數(shù)值反演

原位鉆孔滲流試驗(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值反演計(jì)算。將原位試驗(yàn)簡(jiǎn)化為二維狀態(tài)，假設(shè)土體滲透性各向同性，且在滲流過(guò)程中體積孔隙不變，同時(shí)忽略蒸發(fā)影響，則非飽和滑體碎石土的滲流過(guò)程可通過(guò)如下Richards方程[18]描述：

(1)

式中：θ為體積含水率；h為基質(zhì)勢(shì)或水頭；Kh為基質(zhì)勢(shì)為h時(shí)的滲透系數(shù)；t為時(shí)間；r為徑向坐標(biāo)；z為豎直向坐標(biāo)，向上為正。

式(1)中不同基質(zhì)吸力(基質(zhì)勢(shì))狀態(tài)的含水率θh與滲透系數(shù)Kh是土體基質(zhì)吸力的函數(shù)，分別稱作土水特征曲線(SWCC)和水力傳導(dǎo)函數(shù)(HCF)，可通過(guò)Van Genuchten-Mualem 模型[9](式(2)和式(3))定義。

(2)

(3)

基于上述控制方程，采用HYDRUS-2D 軟件建立二維有限元模型對(duì)原位鉆孔滲流試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬與反演。該軟件可將試驗(yàn)實(shí)測(cè)的流量和水壓隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)分別作為邊界條件和目標(biāo)函數(shù)，對(duì)Van Genuchten-Mualem 模型進(jìn)行反演計(jì)算，求解與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最佳吻合的模型參數(shù)。具體操作過(guò)程中，首先建立如圖5所示的數(shù)值模擬模型。為提高計(jì)算效率，采用軸對(duì)稱方法建立簡(jiǎn)化模型，實(shí)際模型為ABCD區(qū)域圍繞z軸旋轉(zhuǎn)一周的圓柱體。

圖5 數(shù)值反演計(jì)算模型Fig.5 Numerical inversion model

根據(jù)鉆孔內(nèi)穩(wěn)定地下水位與估算的排水影響半徑，將模型的高度和寬度分別設(shè)置為10 m和50 m。鉆孔位置與z軸重合，孔底位于A點(diǎn)。模型底面和左側(cè)邊界條件設(shè)置為隔水，右側(cè)設(shè)置定水頭邊界，水位與鉆孔閥門(mén)關(guān)閉穩(wěn)定時(shí)的地下水位一致。頂面設(shè)置為自由排水面。反演模擬計(jì)算時(shí)，將初始地下水位設(shè)置為現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定地下水位，將鉆孔原位試驗(yàn)所測(cè)得的流速隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)定義為孔底(A點(diǎn))的流速邊界條件。同時(shí)將試驗(yàn)所得的孔底水壓隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)設(shè)置為該點(diǎn)的反演計(jì)算的目標(biāo)水壓函數(shù)。模型區(qū)域采用三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，左側(cè)最小單元尺寸為0.1 mm，右側(cè)最大單元尺寸為1 m，總單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為5 674和2 984。

根據(jù)一般碎石土的Van Genuchten-Mualem 模型參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置反演參數(shù)的初始值與取值范圍。開(kāi)啟反演計(jì)算后，軟件將根據(jù)Marquardt-Levenberg非線性最小二乘算法開(kāi)展模型參數(shù)迭代試算，直至計(jì)算所得的孔底水壓隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)與目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)匹配狀態(tài)。反演所得的最優(yōu)模型參數(shù)組合即為定義滑體物質(zhì)綜合滲透性質(zhì)的參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

鉆孔原位排水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。開(kāi)啟閥門(mén)前，孔底流量為0，初始地下水位通過(guò)孔底水壓換算為4 750 mm。在第500 s時(shí)，部分開(kāi)啟閥門(mén)，孔底排水流速迅速增大至0.16 m3/h，孔內(nèi)水位開(kāi)始下降至4 377 mm時(shí)逐漸穩(wěn)定。隨后，分別在1 000，1 500 s和3 000 s分階段進(jìn)一步開(kāi)大閥門(mén)，孔底流速分別先增大至0.25，0.29 m3/h和0.31 m3/h，而后逐漸減小，孔內(nèi)水位則分別逐漸降低至4 090，2 532 mm和1 260 mm左右。第4 000 s時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉閥門(mén)后，孔內(nèi)水位則快速恢復(fù)至初始地下水位高度。

圖6 鉆孔原位排水試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Data of in-situ borehole drainage test

在前兩次流速增大階段，鉆孔內(nèi)水位僅分別下降約373 mm和660 mm后趨于穩(wěn)定，表明孔底排水流速調(diào)整至0.25 m3/h時(shí)，仍未明顯超過(guò)鉆孔周圍滑體的地下水補(bǔ)給速度。當(dāng)排水流速增大至0.29 m3/h后，雖然流速僅比上一級(jí)增大0.04 m3/h，但孔內(nèi)水位迅速下降約2 218 mm。且隨著孔內(nèi)水位降低，水壓下降，孔底排水流速并不能穩(wěn)定，而是隨之下降至0.24 m3/h后趨于穩(wěn)定。同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在下一級(jí)試驗(yàn)中，當(dāng)進(jìn)一步調(diào)大閥門(mén)后，排水流速雖短暫增大至0.31 m3/h，但隨后仍隨孔內(nèi)水壓的持續(xù)下降而基本穩(wěn)定在0.24 m3/h左右。上述測(cè)試結(jié)果顯示，該鉆孔周圍地下水的補(bǔ)給速度基本為0.24 m3/h。

反演計(jì)算中，將模型右側(cè)定水頭邊界條件與初始水位均設(shè)置為4 750 mm?？椎琢髁枯斎霐?shù)據(jù)和水壓目標(biāo)擬合數(shù)據(jù)在原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上按照20 s間隔選取。模型參數(shù)初始值、取值范圍和最終反演計(jì)算結(jié)果如表1所列?；诜囱輩?shù)計(jì)算所得的鉆孔水位變化數(shù)據(jù)與原位試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示，可見(jiàn)擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的吻合性?；诜囱輩?shù)與Van Genuchten-Mualem 模型繪制滑體物質(zhì)土水特征曲線和水力傳導(dǎo)函數(shù)見(jiàn)圖8。

黃土坡滑坡前期勘察階段開(kāi)展了一系列不同區(qū)域的鉆孔注水試驗(yàn)，得出本次原位試驗(yàn)附近區(qū)域滑體的滲透系數(shù)在1.30×10-4～8.60×10-4cm/s之間?？梢?jiàn)，基于本次原位試驗(yàn)與反演所得出的滑體飽和滲透系數(shù)在鉆孔注水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果范圍之內(nèi)。由于目前尚無(wú)成熟的滑體原位水力傳導(dǎo)函數(shù)測(cè)試方法，其他水力學(xué)參數(shù)雖然無(wú)法通過(guò)不同的測(cè)試方法進(jìn)行驗(yàn)證，但由于本文測(cè)試方法基于原位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展反演計(jì)算，且反演結(jié)果與原位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的吻合性，因此，得出的水力學(xué)參數(shù)可以較好地反映原位滑體物質(zhì)的水力學(xué)性質(zhì)。

表1 模型參數(shù)反演計(jì)算結(jié)果Tab.1 Inversion results of model parameters

圖7 反演模擬數(shù)據(jù)與原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of inversion data and in-situ test data

圖8 滑體物質(zhì)的SWCC和HCF曲線Fig.8 SWCC and HCF curves of sliding mass

水力傳導(dǎo)函數(shù)模型參數(shù)的物理意義與巖土體的顆粒與孔隙結(jié)構(gòu)特征直接相關(guān)。其中，模型參數(shù)α反映巖土體的進(jìn)氣值，經(jīng)計(jì)算，反演得出的滑體進(jìn)氣值僅為0.224 kPa，說(shuō)明存在較大的孔隙，從側(cè)面反映滑體物質(zhì)比較破碎。模型參數(shù)n與孔徑分布有關(guān)，反演值為2.4，說(shuō)明滑體物質(zhì)的顆粒級(jí)配不均勻，符合土石混合體的特征。殘余含水率與飽和含水率分別與細(xì)顆粒含量和孔隙率有關(guān)。土體中黏土礦物等細(xì)顆粒物質(zhì)含量越高，則土顆粒吸附水含量越多，殘余含水量越大?？辈熨Y料顯示：該滑坡滑體物質(zhì)為碎塊石與黏性土，土石比大致為2∶8，與反演結(jié)果基本匹配。測(cè)試和反演計(jì)算所得的飽和滲透系數(shù)為7.54×10-4cm/s，反映鉆孔周圍巖土體的綜合滲透性質(zhì)為中等透水性。從圖8可見(jiàn)，滑體物質(zhì)的滲透系數(shù)受含水率影響顯著。當(dāng)飽和度降低至50%時(shí)，滲透系數(shù)即降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見(jiàn)，鑒于巖土體在干濕循環(huán)狀態(tài)的強(qiáng)度變形性質(zhì)受基質(zhì)吸力及含水狀態(tài)影響顯著，因此在實(shí)際滑坡滲流和穩(wěn)定性分析計(jì)算過(guò)程中，采用符合實(shí)際情況的飽和-非飽和滑坡體水力傳導(dǎo)參數(shù)十分必要。

上述測(cè)試和反演計(jì)算方法在實(shí)際應(yīng)用中，如沒(méi)有配套的地下隧洞群，可在待測(cè)鉆孔底部放置水壓傳感器和可調(diào)流量的微型抽水泵，通過(guò)控制孔底抽水速度，同時(shí)實(shí)測(cè)鉆孔水位變化數(shù)據(jù)獲取數(shù)值反演所需的流速數(shù)據(jù)和水壓數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 本文提出了一種基于鉆孔原位滲流試驗(yàn)與數(shù)值反演相結(jié)合的滑坡體原位水力傳導(dǎo)函數(shù)測(cè)試及計(jì)算方法。在原位試驗(yàn)部分，通過(guò)分階段逐級(jí)開(kāi)啟滑體鉆孔底部閥門(mén)(或水泵)控制以不同流速排出鉆孔內(nèi)地下水，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄孔底水壓和流速數(shù)據(jù)。在數(shù)值反演部分，根據(jù)鉆孔附近地質(zhì)條件建立有限元幾何模型，將實(shí)測(cè)孔底流速數(shù)據(jù)作為模型邊界條件，同時(shí)以實(shí)測(cè)孔底水壓數(shù)據(jù)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值反演，基于Van Genuchten-Mualem模型反演計(jì)算滑體物質(zhì)水力傳導(dǎo)函數(shù)的最優(yōu)模型參數(shù)組合。

(2) 基于上述方法，以三峽庫(kù)區(qū)黃土坡滑坡臨江1號(hào)滑坡體為典型案例開(kāi)展試驗(yàn)，反演計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。測(cè)試結(jié)果顯示：該滑坡體內(nèi)穩(wěn)定地下水位在鉆孔底以上4.75 m處，鉆孔周圍地下水的補(bǔ)給速度為0.24 m3/h左右。反演所得的Van Genuchten-Mualem 模型參數(shù)反映滑體物質(zhì)較破碎，存在較大的孔隙，顆粒級(jí)配不均勻，飽和滲透系數(shù)為7.54×10-4cm/s，屬中透水性。非飽和狀態(tài)的滲透系數(shù)受含水率影響顯著，當(dāng)飽和度降低至50%時(shí)，滲透系數(shù)即降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。