不同降雨强度下库岸滑坡体含水率及其稳定性分析

不同降雨强度下库岸滑坡体含水率及其稳定性分析
赵宏渠;易武;黄海峰;夏俊宝
【摘要】库水和大气降雨的叠加作用是导致库岸滑坡最危险的组合条件之一.大部分滑坡在库水的作用下仍能保持稳定,但遇到强降雨作用,则对滑坡稳定极为不利,因此此类滑坡的稳定性取决于降雨的作用.对秭归县王家院子库岸滑坡在降雨和库水联合作用下的稳定性进行了数值模拟计算与分析.结果表明:当降雨强度较小时,滑坡表层土体的含水率增大,深部土体含水率变化较小,小的降雨强度容易引起浅层滑坡或局部滑坡;当降雨强度较大时,雨水渗入到滑坡坡体深部,深部土体含水率迅速增大,强降雨可能引起滑坡整体失稳.
【期刊名称】《安全与环境工程》
【年(卷),期】2016(023)006
【总页数】6页(P53-58)
【关键词】库岸滑坡;库水位波动;降雨强度;含水率;稳定性分析
【作者】赵宏渠;易武;黄海峰;夏俊宝
【作者单位】三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002;三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北宜昌 443002;三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北宜昌 443002;三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002;三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北宜昌443002;三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北宜昌443002;三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002;三峡大学湖北长江三峡滑坡
国家野外科学观测研究站,湖北宜昌 443002;三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北宜昌 443002;兴山县国土资源局,湖北兴山 443700【正文语种】中文
【中图分类】X43;P642.22
三峡库区现已查获滑坡近4 000处，其中涉水滑坡2 000余处，水库蓄水迅速改
变了库区自然地质环境的平衡状态［1-2］。

大型水库滑坡不仅威胁、危害库区居民的生命财产安全，而且影响水库的正常运营。

近些年，一些学者对库水位变化对三峡库区堆积层滑坡稳定性的影响［3］、库水位涨落与降雨联合作用下滑坡地下水动力场的变化［4］等方面开展了大量的研究工作。

而库区的小区域气候湿润化，即降雨强度的增大，使滑坡稳定性进一步恶化，加速了滑坡失稳进程或加剧了滑坡活动强度。

大量的统计资料表明，在雨季或紧跟着大的降雨之后，常发生滑坡变形甚至破坏。

如Brand等［5］、Au［6］在详细分析了1963—1983年我国香港
地区的滑坡数目与1～30 d的累计降雨的关系之后，认为香港地区的绝大多数滑
坡由短时高强度的降雨引发，70 mm／h的降雨强度被看作是可能引发滑坡的临
界降雨强度，降雨量超过100 mm／d时滑坡失稳数量显著增加；王发读［7］对三峡库区滑坡的研究表明，当降雨强度大于6 mm／h、日降雨量大于30 mm、
一次降雨过程累积降雨量大于100 mm，即可能使浅层堆积体出现初滑迹象；胡
畅等［8］对三峡库区树坪滑坡变形特征及其诱发因素进行了研究，结果表明降雨对滑坡变形的影响是逐渐增强的。

降雨激发滑坡的机理认识一直是滑坡灾害研究领域的难点问题，也是制约灾害有效防治和预警预报的瓶颈。

随着对饱和-非饱和岩土体渗流理论的研究，国内外很多
学者认识到土质滑坡、泥石流等地质灾害与土体非饱和渗流密切相关［9-10］。

对此，本文根据三峡库区地质特点及滑坡的地质资料，对降雨入渗联合库水位下降
引起的三峡库区王家院子滑坡的稳定性变化进行了研究，分析了不同降雨强度下滑坡体的入渗能力，并探索了非饱和渗流岩土体的含水率变化，为库区的地质灾害防治提供依据。

滑坡地质灾害的成灾条件是多方面的，地质构造、地层岩性等是控制滑坡稳定状况的内因。

但滑坡的稳定状况又是相对而言的，滑坡的外界环境变化也常常诱发滑坡，其中降雨是最为活跃、重要的诱发因素和动力来源。

很多学者对降雨诱发滑坡建立了一般模型进行力学分析（见图1）［11］。

强降
雨控制滑坡发育主要表现在：降雨对边坡岩土体起加载作用，饱和岩土体，增大容重，产生动、静水压力及浮托力；降雨侵蚀、冲刷坡脚，破坏坡体，改变边坡结构：降雨形成的地表水径流改造坡体表面甚至形成各种类型的冲沟网或使坡体解体；雨水下渗，可以直接成为地下水的补给源，改变坡体原有的渗流场，使滑体或滑带处于干、湿交替状态，不利于坡体的稳定；雨水对边坡岩体产生物理及化学破坏作用：雨水渗入，弱化岩体，泥化软化滑体，黏土矿物的水化作用导致粘着力降低，甚至消失，改变边坡力学性能［12］。

2.1 王家院子滑坡概况
王家院子滑坡平面形态呈箕形，滑坡剪出口位于吒溪河面以下，滑坡后缘以基岩为界，高程为375 m。

滑坡左侧以冲沟为界，右侧以山脊为界，前缘宽500 m，后
缘宽400 m，均宽450 m，纵长820 m，滑坡面积为37×104m3，滑体平均厚
度为15 m，滑体体积为554×104m3，主滑方向为68°，属深层大型土质滑坡，
见图2。

该滑坡后部和前缘各有一滑坡平台，滑体前缘临江段坡度较陡，坡体为25°～30°，中部较平缓，坡度为18°～25°。

滑体物质为第四系滑坡堆积物，厚度在空间上分
布不均，左侧坡积物厚度较右侧厚，滑体物质成分为碎块石土，块石成分为砂岩、泥岩碎块，块石块径多在1 m以下，土的成分为黏土、砂土及耕植土，土石比为
8∶2～7∶3。

滑床为下伏基岩，地层岩性为侏罗纪中厚层状砂岩，为一夹薄层状
泥岩中的单斜地层，岩层产状为35°∠30°～62°∠53°，为顺向坡。

王家院子滑坡体典型工程地质剖面见图3。

2.2 滑坡变形GPS监测分析
王家院子滑坡9个GPS监测点分布在高程200 m、250 m、300 m三排线上，每排布设左、中、右3个监测点，形成3纵3横6条监测剖面，见图2。

自实施专
业监测以来，王家院子滑坡变形特征表现为“波动性”增长的趋势（见图4），自2003年135 m蓄水后至2006年156 m蓄水前，仅有ZG82监测点累计位移量
较大，滑坡主要变形发生在2004年7月至10月间，受库区强降雨影响，出现约20 mm的位移量；从2006年156 m蓄水起，受汛期强降雨的影响，滑坡后部（ZG82、ZG83、ZG84）3个监测点的累计位移曲线在汛期均出现一定程度上扬，与强降雨呈一定的相关性。

该滑坡后缘平缓，地表水不容易排泄，降雨过后大部分地表水入渗进入滑坡体，因此滑坡地表变形主要集中在滑坡后缘。

由于坡体表层土体的重力作用，使滑坡后缘产生拉应力，后缘便出现拉裂缝，表现为地面拉裂下沉、塌坡以及地面民房开裂；滑坡后缘的拉张裂缝，随着雨水的渗入，在坡体中产生静水压力，加速了坡体的剪切过程。

王家院子滑坡的变形与降雨相对应，表明降雨是滑坡变形最重要的动力因素。

对于三峡库区滑坡，汛期库水位快速升降常常伴随强降雨作用，因此探讨库水骤降过程中不同降雨强度作用下库区滑坡的稳定性，对库区滑坡的防治、预测预报具有积极的研究意义。

3.1 渗流模型基本理论
地下水在非饱和土中运动服从达西定律，将达西定律和连续方程相结合得到二维饱和-非饱和渗流控制方程［13］：
式中：H为水头；Kx、Ky为x、y方向上的渗透系数；Q为施加的边界流量；mw
为比水容重；ρw为水的密度；θ为体积含水量；t为时间。

初始条件：H（x，y，0）＝H0（x，y，0）
水头边界条件：H|Γ＝H（x，y，t）
流量边界条件＝－q（x，y，t）
将渗流控制方程与边界条件和初始条件相结合，并运用Geo-Studio软件中的SEEP模块进行地下水渗流场模拟。

3.2 滑坡稳定性分析基本理论
基于非饱和土力学理论的Morgenstern-Price法对任意曲线形状的滑裂面进行分析，导出了能满足力的平衡及力矩平衡条件的微分方程，然后假定两个相邻土条间的法向力存在一个对水平方向坐标的函数关系，并根据整个滑动土体的边界条件求出问题的解答［14］。

先假定一个λ及Es，然后逐条积分得到En及Mn，如果其不为零，再用一个有规律的迭代步骤不断修正λ及Es，直到以下两个公式得到满足为止［］：
3.3 计算模型建立
根据王家院子滑坡的工程地质特征，选择图3的主地质剖面建立相应的计算模型（见图5），模型网络共剖分为节点数3 576，单元数3 497。

模型边界条件为：底部零流量边界；175 m及145 m水位为常水头边界；在175 m及145 m高程间变动时为变水头边界；175 m水位以上，在有降雨情况下为流量边界。

3.4 计算参数
结合对王家院子滑坡岩土体试验数据的统计、类比与反算分析，得到该滑坡岩土体的物理力学计算参数，见表1。

3.5 计算工况设置
滑坡往往发生在每年的峰值降雨或每年某个时段的峰值降雨条件下，因此浅层土质
滑坡可选择最大1 d、2 d或3 d短时累计降雨量，而深层土质滑坡或完整基岩滑坡可选择多日累计降雨或最长一次连续降雨等。

对于三峡库区滑坡，往往最不利的因素是库水位骤降和暴雨同时作用，即增大库水位日降幅叠加降雨，因此本文设计的滑坡稳定性计算的工况见表2。

3.6 模拟计算结果与分析
本文首先运用SEEP／W模块进行稳态渗流分析，得到一个初始水位边界分布。

降雨渗流模拟边界条件以初始水位边界模拟为基础，在坡面增加降雨入渗流量边界，构成模拟降雨条件下的瞬态模型。

对于降雨渗流边界，在瞬态渗流分析时，如果降雨强度大于土体渗透系数，按定水头边界处理，多余雨量将不纳入渗流计算；如果降雨强度小于或等于土体渗透系数，按定流量边界条件处理。

不同的降雨强度对滑坡稳定性的影响是不同的，本次模拟选取了降雨强度分别为0 mm／d、20 mm／d、50 mm／d、100 mm／d、150 mm／d，这些降雨强度采用等强度雨型作为渗流边界施加于坡体的表面上。

图6为不同降雨强度下，滑坡不同深度处土体的含水率分布图。

由图6可见，当
降雨强度小于50 mm／d时，降雨入渗滑坡体深度不超过5 m，小规模的强降雨常常引起浅层滑坡或局部滑坡；当降雨强度为100 mm／d时，降雨入渗滑坡体
深度在10 m左右，土体达到最大含水率，且随着深度的增加土体含水率开始减小；当降雨强度为150 mm／d时，土体含水率均大于25%，即降雨入渗到了整个滑
坡体，这种情况对滑坡的稳定极为不利，甚至会造成滑坡整体失稳。

为了将SEEP／W的渗流分析结果导入SLOPE／W中，首先将SEEP／W的单元
网格引入到SLOPE／W中，并在此网格上重新建立滑坡稳定性分析模型，然后利用SEEP／W传递给SLOPE／W所用的节点信息进行滑坡稳定性数值模拟计算，
其模拟结果见图7。

降雨强度为0 mm／d表示库水位从175 m下降到145 m这期间内没有施加降雨，即库水位单独作用；降雨强度在0～50 mm／d时，由前
文分析可知降雨入渗滑坡体深度5 m左右，滑坡体内土体的含水率较小，因此该
滑坡稳定性系数曲线变化不大；当降雨强度为150 mm／d时，雨水入渗到了整
个滑坡体，土体含水率较大，此时该滑坡的稳定性系数曲线也发生了显著性变化。

根据计算工况降雨分四个阶段施加，前三个阶段库水位降速为0.6 m／d叠加降雨，图7中稳定性系数有所降低但幅度变化不大，在第四个阶段库水位降速为1.0～1.2～1.0 m／d叠加降雨，相对前三个阶段，此阶段的稳定性系数曲线突变，说明在增大库水位下降速率条件下叠加强降雨是水库滑坡最危险的组合之一。

由图7可以看出：库水位下降所产生的动水压力有所体现，但由于软件自身的局
限性，降雨入渗滑坡土体的含水率只是相应的增加，而降雨所产生的渗透力并没有体现。

土体含水率是影响非饱和土体入渗能力的重要因素，降雨入渗可增加滑坡土体的含水率，降低土体的抗剪强度。

不同工况下的滑坡土体含水率分析结果表明，上部土体对降雨因素敏感，说明降雨容易引起浅层滑坡或局部滑坡。

本文选择秭归县王家院子滑坡为研究对象，利用饱和-非饱和渗流理论和摩尔-库仑抗剪强度理论，根据雨量入渗分析了滑坡土体含水率的变化以及库水位骤降叠加不同降雨工况条件下滑坡体的稳定性状况，并得到如下结论：
（1）对于降雨型滑坡，滑坡累计位移曲线呈现出一种“波动性”增长的趋势，尤其遇到强降雨，累计位移曲线会有明显的上扬。

多年监测的滑坡累计位移曲线也表明了降雨诱发滑坡是一个长期的过程。

（2）滑坡后缘平缓，地表水不能及时排泄，雨水入渗是滑坡后缘变形的主要原因。

降雨是滑坡变形最重要的触发因素和动力来源，也是滑坡失稳的关键控制因素。

（3）从岩土体含水率角度分析，小规模的强降雨入渗滑坡体的深度有限，常常引起滑坡局部变形或局部滑坡。

（4）对于库区滑坡，在增大库水位下降速率条件下，滑坡失稳存在一个临界降雨
量。

结合王家院子滑坡本身的工程地质特点以及滑坡稳定性数值模拟结果，表明考虑降雨过程所产生的渗透，认为库水位骤降过程中，降雨量在100 mm／d左右
该滑坡有很大的失稳可能性，因此应做好应急措施及预警。

（1.College of Civil Engineering&Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；2.National Eield Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；
3.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment
in Three Gorges Area，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；4.Bureau of Land Resources of Xingshan County，Xingshan 443700，China）
【相关文献】
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