凌松耀, 蹇永明, 張智勇, 李卓, 黃翀垚, 郭興會, 張奇

(1.中交二公局第六工程有限公司, 西安 710075; 2.新疆交通建設管理局, 烏魯木齊 830049; 3.長安大學公路學院, 西安 710064)

中國是一個地質災害頻發(fā)、災損嚴重的國家,其中山體滑坡因其分布范圍廣、發(fā)生頻率高、損失嚴重等特點而成為最主要的地質災害[1]。季節(jié)性凍土指地殼表層冬季凍結、夏季全部融化的巖土層,廣泛的分布于賀蘭山一線以西,以及此線以東,秦嶺淮河一線以北的地區(qū)[2]。在中高緯度季節(jié)凍土地區(qū),融雪誘發(fā)的滑坡逐漸成為常見的邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象,這種滑坡與冬季降雪、土壤凍融循環(huán)和融雪水入滲密切相關[3]。邊坡穩(wěn)定性的波動與土體含水量的變化是同步的。在融雪量增加的情況下,土壤體積含水量的突然增加會引起邊坡穩(wěn)定性的下降,導致在融雪入滲期可能發(fā)生邊坡破壞[4]。大量融雪滲入土壤,增加孔隙水壓力并進一步降低坡體表層土壤的抗剪強度,結果引發(fā)滑坡[5]。

由于全球氣候變暖和人類活動的加劇,與融雪有關的黃土滑坡災害逐年增多,對人類生命財產(chǎn)和工程建設構成了嚴重威脅[6]。因此,這一問題正逐漸引起人們更多的關注。諸多學者對西北東北地區(qū)融雪滲流,邊坡破壞機理等開展了大量研究[7-10]。新疆由于地理環(huán)境因素,分布有大面積的季節(jié)性凍土,雪是新疆重要的供水來源,冬季降雪充足和春季快速融化對增加區(qū)域水資源做出了貢獻[11]。資料顯示[2],由于氣候變暖,新疆近年來持續(xù)增溫,導致冰雪融水增加,地質災害發(fā)生頻率增加。春季凍土消融、融雪水入滲是該地區(qū)滑坡發(fā)生的重要因素之一[12-13]。

新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州(以下簡稱新疆伊犁州)地區(qū)屬濕潤大陸性中溫帶氣候,雨雪豐富;其黃土分布廣泛和濕潤的氣候造就了大量融雪與降雨誘發(fā)的黃土滑坡,它們的形成條件和破壞機理不同于其他黃土地區(qū)[13-14]。2002年新疆伊犁加朗普特特大滑坡發(fā)生后,眾多學者對該地區(qū)的滑坡進行了分析研究,劉麗楠等[15]利用非飽和滲流理論,建立邊坡滲流與穩(wěn)定性相耦合的數(shù)值模型,并提出了黃土邊坡滲流破壞機制;魏學利等[16]基于氣象與地質勘察資料對省道316黃土滑坡進行分析,將滑坡破壞過程概括為張裂-蠕動-滑移模式;朱賽楠等[17]采用遙感影像動態(tài)對比及數(shù)值模擬的方法分析了黃土凍融滑坡的失穩(wěn)機理。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的限制,伊犁滑坡機理的研究多為定性分析[13]。因此,有必要對該地區(qū)黃土滑坡的形成過程和機理進行深入的研究。

基于以上問題,現(xiàn)針對新疆伊犁州內公路沿線一處融雪-降雨型滑坡進行分析。應用巖土工程分析軟件geostudio的seep/w與slope/w模塊開展流固耦合分析,結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),利用土壤含水率定量評價邊坡水分場分布,并以此分析融雪邊坡穩(wěn)定性,根據(jù)綜合計算成果揭示新疆融雪-降雨型滑坡致災機理。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡區(qū)域環(huán)境特征

滑坡點位于新疆伊犁州內一段公路沿線的一側,該公路位于新疆伊犁尼勒克縣及新源縣境內,是推動伊犁河谷經(jīng)濟帶發(fā)展、促進伊犁河谷旅游發(fā)展的重要道路。

新源縣一年中冬夏兩季長,春秋兩季短。多年平均氣溫在8.3 ℃左右,多年平均降水量為480～600 mm,多年平均蒸發(fā)量1 467.67 mm。降水集中于4—6月,8月開始明顯減少。降水以春季和夏初占優(yōu)勢,冬季降水的比例在20%左右或以上。尼勒克縣年平均降水量352.8 mm。降水多集中在4—10月,以5月、6月和7月這3個月降水相對集中,占全年降水量的50%左右;11月—次年2月降水量最少。

該地區(qū)表面大部分區(qū)域分布著黃土狀單層土體,巖性為風成黃土,以粉土為主,局部為粉砂,土呈黃色,稍密狀態(tài),處于欠固結-固結狀態(tài),局部具有濕陷性;厚度從數(shù)米至數(shù)十米,在沿線山坡的背坡面較厚,陽坡面較薄,工程力學性質比較差。

1.2 滑坡災害

研究區(qū)滑坡以黃土滑坡為主,多屬于推移式滑坡。對公路產(chǎn)生影響的滑坡16處,堰塞湖(含堰塞體)1處,主要分布在該公路的K12～K23段。其中有直接影響的滑坡3處。

該公路項目所處區(qū)域是國土資源部《全國地質災害防治“十四五”規(guī)劃》的全國16個地質災害重點防治區(qū)之一,2002年加郎普特突發(fā)大規(guī)模泥石流并引發(fā)特大滑坡,滑坡體積約2 275.5萬m3,滑坡群向西滑動,堵塞則克臺河形成大型堰塞體和堰塞湖。

大規(guī)?；挛镔|堆積于則克臺河溝道內,將原有河道抬高20～30 m,原有公路埋于溝底,影響公路長度約6 km。此后,每年春季融雪期均發(fā)生大小不等的滑坡。2017年4—7月,連續(xù)發(fā)生高位滑坡44處,影響路段達12.26 km,占路線總長的45%。加郎普特滑坡區(qū)域為東北部由多個滑坡的滑壁形成椅狀陡壁,向西開口,總體向西緩傾的滑坡鼻狀堆積地貌,坡度為14.5°。在滑坡群南部原有公路內側發(fā)育一處中型滑坡體(6#滑坡),位于擬建路線樁號K14+430～K14+580段,主滑方向約為300°,滑坡后壁高30 m,后壁坡度80°,如圖1所示。該滑坡初次滑動發(fā)生在2002年,由于該滑坡靠近公路,是滑坡監(jiān)測重點項目。2002年后該處又曾發(fā)生一起小型的局部滑動,目前已處于相對穩(wěn)定狀態(tài),局部滑坡位于6#邊坡中心位置。由于常年受到凍融及融雪降雨作用,6#邊坡后緣出現(xiàn)許多張拉裂縫,如圖2所示,致使該處位置存在發(fā)生較大滑坡的可能。

圖1 6#滑坡和其他淺層滑坡

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測設備

以該公路6#滑坡為研究對象。2019年10月在6#滑坡建立了監(jiān)測站,觀測空氣溫濕度、降雨量、土壤溫度、土壤含水量、地表位移變化,觀測間隔為2 h。所分析的數(shù)據(jù)采集時間為2019年11月5日—2020年10月31日,歷時超過300 d,歷經(jīng)冬季凍結期、春季融雪期,空氣溫度和表層土壤溫度變化如圖3所示。

圖3 空氣溫度與土壤溫度變化

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對收集到的數(shù)據(jù)進行初步處理,利用origin數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析。由于不同時期邊坡氣象環(huán)境與土壤狀態(tài)有顯著性差異,故對邊坡凍融周期進行不同時期的劃分。

監(jiān)測點1-1、1-2分別位于坡頂土壤0.5 m及0.8 m深處;監(jiān)測點2-1、2-2分別位于坡腳土壤0.5 m及0.8 m深處。

土壤溫度隨氣溫的降低表現(xiàn)出明顯的滯后效應,如圖4所示。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,監(jiān)測點1-2凍結期最低溫度在0 ℃左右,該地區(qū)凍結深度約為0.8 m。在第120天融雪期開始時,位于坡腳的監(jiān)測點2較坡頂?shù)谋O(jiān)測點1先達到飽和狀態(tài),伴隨著融雪的進行,坡腳的飽和狀態(tài)將持續(xù)到穩(wěn)定期的開始。在監(jiān)測點1處,埋置深度為0.5 m的1-1位置,隨著融雪水入滲,含水率在第142天左右急劇上升,并保持著較高的含水率直到融雪期的結束,在此期間也會受到降雨的影響。邊坡土的凍融過程為單項凍結雙向融化,埋置深度為0.8 m的1-2位置長期處于凍結狀態(tài),在融雪期前期含水率一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。到第160天左右,土壤溫度快速上升,土體完全解凍,此時1-2位置含水率上升。該變化過程與牛春霞等[18]的研究相吻合。

圖4 土壤溫度與含水率變化

在第120天進入融雪期后,土壤含水率同時受到融雪水、凍結滯水、地表徑流以及地表降雨的影響。在第150天左右,大量積雪融水的入滲,土壤含水率快速上升;在第150～220天,由于融雪水、凍結滯水的消融具有長期性,且期間還存在部分徑流補水,土體會長時間保持較高含水率;第220天后,融雪水、凍結滯水消融,邊坡土含水率開始下降。在融雪期,降雨的作用會局部提高土體的含水率,加快邊坡土強度的劣化速度;在穩(wěn)定期,僅有強降雨會提高土體含水率,較小的降雨對含水率的影響不大。兩種降雨方式會影響邊坡含水率的變化:一是持續(xù)4 d以上,日平均降雨量在5 mm以上的長時降雨;二是日降雨量大于35 mm/d的短時強降雨。由降雨引起的含水率顯著變化變化共計3次,如圖5所示,在第166～170天,5 d時間內連續(xù)降雨4 d,降雨總量33.2 mm,日平均降雨量6.64 mm;在第185天,日降雨量37 mm;在第241天、第242天,日降雨量分別為40.3 mm和41.7 mm。

圖5 坡頂監(jiān)測點土壤含水率隨降雨變化

3 數(shù)值模擬分析

結合監(jiān)測數(shù)據(jù),開展數(shù)值模擬研究,通過模擬建立合適的數(shù)值模型。

3.1 數(shù)值模擬原理

由于地下水與坡面融雪水的補給,邊坡土的含水率具有瞬變性,故采用geostudio軟件的seep/w與slope/w模塊進行瞬態(tài)流固耦合與邊坡穩(wěn)定性分析。在seep/w分析中材料類型選用非飽和滲流本構模型,并定義材料的土水特征曲線與滲透系數(shù)函數(shù)。土體的土水特征曲線通過壓力膜儀法測得,如圖6所示,并采用Gardner模型進行數(shù)據(jù)擬合,非飽和滲透系數(shù)通過Fredlund經(jīng)驗公式估計,獲得擬合參數(shù)a=29.0 kPa,b=1.9,m=0.48。

圖6 土水特征曲線

3.2 邊坡數(shù)值模擬

根據(jù)地質勘察資料,建立邊坡模型,該模型僅截取待分析位置邊坡,尺寸為整個現(xiàn)場山體斜坡的一部分,坡腳采用固定約束限制位移。數(shù)值模型邊坡上層為Q4黃土,下層為Q2黃土,計算中各種材料的參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡參數(shù)表

由于坡腳位置土體含水率不僅受到融雪水、降雨的影響,還會因為地下水位的改變而發(fā)生變化,水力條件較為復雜,因此在數(shù)值分析時,僅采用坡頂1-1位置作為研究點。1-1位置處的含水率變化會受到凍結滯水、徑流補水、積雪融水等因素影響,而這些因素在現(xiàn)場監(jiān)測中難以獲取準確數(shù)值,故將除降雨以外的各種補水因素統(tǒng)一歸為融雪水。在數(shù)值模擬中,將融雪水與降雨量的和定義為降水總量,預估降水總量作為表面能量平衡的邊界條件并進行分析。以現(xiàn)場監(jiān)測坡頂含水率為標準,對預估降水總量進行修正,獲得實際降水總量,采用的數(shù)值模擬流程如圖7所示。

圖7 數(shù)值模擬流程圖

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果如圖8所示,兩者數(shù)據(jù)變化較為一致,可認為修正后的降水總量為現(xiàn)場實際降水總量,如圖9所示。土壤含水率隨降水的變化如圖10所示,在融雪期含水率突增。

圖8 坡表層土體含水率的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

圖9 降水總量變化

圖10 坡體土壤含水率隨降雨量變化

3.3 結果分析

在利用seep/w分析建立的滲流場基礎上,采用slope/w對邊坡進行穩(wěn)定性分析,并利用極限法計算邊坡安全系數(shù)。坡體表層土體含水率、降雨總量與安全系數(shù)的關系如圖11和圖12所示。

圖11 坡體表層土壤含水率與安全系數(shù)

圖12 降水總量與安全系數(shù)

凍結期邊坡安全系數(shù)穩(wěn)定在1.3左右。在第140天伴隨著融雪期的到來,坡體表層土壤含水率率先會在第150天時急劇上漲,含水率的上升導致邊坡土由非飽和狀態(tài)向飽和態(tài)變化,非飽和土體強度開始下降,土體重度上升,邊坡穩(wěn)定性開始下降,安全系數(shù)降低。第140～220天期間,降水浸入一定深度后,坡體表層仍處于較高含水率且維持一段時間,說明融雪水和降雨在持續(xù)入滲,坡體的安全系數(shù)快速下降。在第220天進入穩(wěn)定期后,邊坡不再受到融雪水影響,在缺少補水的情況下,含水率開始下降,安全系數(shù)隨之上升。安全系數(shù)在第170～220天急劇下降,此時邊坡可能處于臨滑階段,這個時期是滑坡的高發(fā)期,相關部門需發(fā)布臨滑預警。

4 6#滑坡分析

通過建模結果和實際監(jiān)測結果對比發(fā)現(xiàn)規(guī)律相同,說明建立的數(shù)值模型有效,然后利用現(xiàn)有模型對6#滑坡初次滑動過程進行模擬。根據(jù)相關文獻[19],該滑坡初始滑動發(fā)生在2002年加朗普特大型滑坡發(fā)生后,2002年4月總降雨量為150.9 mm,相較于歷年同期平均值偏多182%;其中一日最大降雨量為35.6 mm,出現(xiàn)在4月20日;連續(xù)降雨天數(shù)為7 d(4月24—30日),降雨總量達到81.1 mm,5月9—11日有大風、暴雨天氣出現(xiàn),在考慮融雪水因素后,降水總量如圖13所示。

圖13 降水總量

基于seep/w滲流分析,利用slope/w的非飽和土材料模型對邊坡進行穩(wěn)定分析,如圖14所示。由于融雪期的長時降雨,導致土壤含水率上升,基質吸力減小,孔隙水壓力無法及時消散,有效應力減小,邊坡的安全系數(shù)快速下降。

圖14 坡表土壤含水率與安全系數(shù)變化

利用seep/w分析邊坡孔壓變化,可了解邊坡土體水分場的變化情況,如圖15所示。第150天時,降水開始大量入滲邊坡;第170天,降水繼續(xù)入滲,坡腳水位上升,坡腳位置土體飽和;第180天,濕潤鋒抵達滲透系數(shù)較低土層,降水在此處匯集;第189天,匯水區(qū)持續(xù)擴展并連通,孔隙水壓力無法消散,黃土發(fā)生靜態(tài)液化,形成滑動帶,如圖16所示,滑坡發(fā)生。實際滑坡發(fā)生于第190天,采用此模型進行預測具有較高的準確性。

圖16 區(qū)域內滑動帶位置

5 結論

通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬,分析了融雪降雨導致新疆伊犁州內一處公路邊坡的失穩(wěn)機理,得出以下結論。

(1)滑坡的致災因素主要與水有關,主要為融雪水(包含凍結滯水、融雪徑流補水、積雪融水)與地表降雨。融雪水量可通過現(xiàn)場監(jiān)測含水率變化進行推導,降雨量通過雨量計獲得。融雪水對土壤含水率的變化起主導作用:在融雪期初期增大土體含水率;在融雪期中期維持土體較高含水率。地表降雨的作用為局部增大土體含水率,其中兩種降雨方式會影響邊坡含水率的變化:一是持續(xù)4 d以上,日平均降雨量在5 mm以上的長時降雨;二是日降雨量大于35 mm/d的短時強降雨。

(2)通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析可知,融雪邊坡致災機理為:地表水入滲形成凍結滯水;氣溫回暖,融雪水及凍結滯水沿著裂縫優(yōu)勢入滲,增大土體自重;連續(xù)降雨發(fā)生,濕潤鋒下移,土體孔壓增大,形成暫態(tài)飽和區(qū),邊坡失穩(wěn)。

(3)提出一種將數(shù)值模擬土壤含水率變化與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合,在此基礎上進行邊坡穩(wěn)定性分析的方法。將該方法運用于加朗普特6#滑坡的分析中具有良好的效果,可為今后該地區(qū)的滑坡預警提供參考。