渗流作用对堆积土滑坡的影响

2 堆积土边坡地下水渗流特性 滑坡是坡体因多种因素耦合而发生形变最终在某些特定因素下失稳产生滑动的一种地 质灾害现象。降雨是诱发大规模滑坡的主要因素，特别是持续降雨或一定规模强降雨。滑坡 发生蠕动变形的速率也往往与降雨有着密切的相关性。在各种边坡变形破坏的影响因素中， 地下水的活动往往是大量滑坡发生的直接原因。 堆积土滑坡的滑面往往是弱透水层或隔水层与透水层之间的界面，降雨期间，地下水在 滑面以上岩土体中顺滑面沿重力方向流动。吴火珍等[3]认为当区域雨水补给速度大于过流速 度时就会发生地下水位上升，使滑体内岩土体含水量上升，进而导致基质吸力逐渐消散，孔 隙水压力上升，从而使岩土体强度下降。 孙红月[4]等认为管涌现象广泛存在于含碎石的黏性土边坡中，在长期地下水渗流作用 下，边坡坡体内部形成了地下水管道渗流系统，强降雨过程中汇流的地下水能够保证地下水 的排泄通畅从而有效防止地下水位抬升，有利于保持边坡稳定。
关 键 词：堆积土滑坡
降雨
渗流特性
稳定性
1 堆积土滑坡的工程地质条件及滑动机制 堆积土滑坡是由坡积物、崩积物、洪积物、残积物等各种成因在组合而成的土、石混杂 物构成滑体的一种滑坡[1]。在自然界中分布广泛，多出现在山区沟谷两岸。常见于峡谷缓坡 地带由崩坡积物构成的堆积土滑坡， 其次在陡崖崖前缓坡的崩积物和沟口洪积物中亦可产生。 1.1 堆积土滑坡的工程地质条件 地形条件：堆积土滑坡受坡面形成原因的限制多发育在 20°至 40°的斜坡中，主要由降 雨、地表水入渗和工程活动诱发产生。20°以下斜坡发生滑坡常与开挖堑坡或坡脚冲蚀有关; 40°以上斜坡多产生崩塌灾害，常与强烈风化剥蚀或开挖高陡边坡相关。 地貌单元：滑坡后缘或两壁常为基岩陡壁，陡壁下方有缓斜坡，前缘则有稍微隆起且呈 缓坡并向坡外延伸的“滑坡舌”，斜坡坡脚常遭受流水冲刷。缓坡地带常具有较好地地表水 汇集条件。自前缘向后缘的滑坡堆积体纵断面上，常形成数个陡坎和平缓台地，两者往往交 错分布。 地质构造：堆积土滑坡常常沿基覆界面或断裂破碎带成群分布，当滑床基岩层面倾向河 谷或交通线路等临空方向时，易形成不同规模的顺层堆积土滑坡。 地层岩性：堆积土滑坡主要由填土、残积、坡崩积、滑坡堆积及硬岩风化物等松散堆积 体组成，滑体物质主要为含块石、碎石的黏土层和含黏土的碎石层，这样沿松散堆积体与风 化基岩的接触带易形成滑带，滑带土常常由含碎石黏性土和全风源自文库岩屑组成。
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堆积土滑坡地下水渗流及其对边坡稳定性的影响
滑面附近的其他土样，滑动带处有机质含量也高于附近其他区域。细颗粒及有机质的堆积使 滑动带处的内摩擦角小于一般松散堆积土的内摩擦角， 进而导致堆积层边坡的稳定性大幅下 降。 3.3 托浮作用及地下水位变化 由于堆积土坡体的物质构成主要是第四系及近代的松散堆积物， 所以往往具有孔隙比大， 透水性强等特点，物理性质与下伏基岩或弱透水层具有显著区别。常常形成由大气降水或地 下水补给的大量积水，继而坡体地下水含水层及地下水位变幅带。许多研究发现，滑坡的滑 动变形速率与地下水活动有十分密切的关系， 滑坡体变形速率的增大往往发生在地下水位变 化后的一段时间内。 李军等[5]对香港地区 262 个滑坡样例进行了分析认为体积较大的滑坡和前期降雨具有 明显的关系。明海燕等[6]认为降雨导致地下水位上升所引起的浮力作用降低了土体有效应力， 引起的渗透作用使剪应力的增加，继而诱发松散填土斜坡发生滑坡。贺可强等[7]以地下水位 变量作为加卸载参数建立滑坡预测模型与三峡库区八字门滑坡的监测数据进行了对比， 认为 两者变化规律相吻合，继而推断水诱发堆积层滑坡的位移与失稳受地下水位变化控制，其位 移规律与地下水位存在密切关系，地下水位是导致该类边坡不稳定的最直接诱发动力因素。 对于水库地区的涉水滑坡， 地下水位上升引起的浮托减重作用也是产生滑坡的重要因素。 赵代鹏等[8]认为随着地下水位的上升，水快速渗入坡面土体内部，水-土总压力随之升高，土 体孔隙水压力升高，有效应力下降，从而导致斜坡体总体稳定性下降。 3.4 渗流路径改变 降雨入渗的过程和机制是十分复杂的， 与坡体岩土体的组成分布、 物理性能、 入渗性能、 天然含水率及坡体处的地形地貌、植被分布、降雨的强度和持续时间等均具有相关性。渗流 过程是地下水在重力的作用下在岩土体孔隙内运动的过程， 该过程对坡体的应力场会带来一 定的影响，从而导致滑坡的发生。 大量针对堆积土滑坡的调查发现：堆积土边坡往往发育有地下水管道状的渗流系统。当 边坡发育有地下水管网渗透系统时， 其良好的透水性能够有效控制坡体地下水的运动和水位 的升降。尚岳全等[9]通过物理模型试验论证了管网渗流系统的存在及其对保持含碎石黏性土 边坡的稳定性的重要作用。在实际工程活动中，由于坡脚开挖和坡面堆载引起的局部渗流管
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网的破坏降低了坡体的渗透性，导致暴雨条件下地下水位迅速抬升，成为导致滑坡最终发生 的重要因素。
4 堆积层边坡局部变形破坏对地下水渗流及坡体稳定性的影响 在堆积层边坡由于次生裂隙的存在， 局部岩土体在诸如坡脚开挖和坡面堆载等工程活动 的影响下易发生次生滑动，改变了局部地下水的渗流条件。在强降雨等外界因素的影响下， 这一改变降低了边坡岩土体的稳定性，进而造成大规模滑坡的发生。 张玉等[10]通过对西南高山峡谷地区古水水电站争岗特大型滑坡稳定性的定性分析，以 Darcy 定律为理论基础，通过数值模拟计算的方式对比了滑体开挖治理前后降雨与滑带处水 头压力随时间的变化关系。 认为降雨导致的滑带处岩土体出现滞水是造成滑体变形的主要因 素。 尚岳全等[11]对浙江瓯青公路小旦滑坡的稳定性问题进行了定性分析， 认为含碎石的土质 边坡在自然状态下是稳定的。边坡中常发育有地下水排泄管道，坡体的变形会破坏管道排泄 系统从而使潜在滑面上的孔隙水压升高，最后导致滑坡发生。 下面讨论由于边坡变形破坏对边坡稳定性的影响。 4.1 透水层有效渗流断面减小对流速的影响 以小旦滑坡纵剖面图为例进行分析：从坡体表部想深部依次为：①坡积灰黄色粉质粘土 混碎块石 （dlQ4） ； ②冲积褐红色黏土 （alQ3） ； ③古滑坡堆积褐黄色粉质黏土混碎块石 （delQ3） ； ④冲积杂色粉质黏土（alQ2）；⑤完整性好的侏罗统熔结凝灰岩（J3d）。假定透水层土体均 质饱和，透水层沿程等截面，取单位宽度土条分析；土体对水流沿程阻力系数相等，为λ。 以通过 A-A 截面中心高程的水平面为基准面，如图 1 所示。
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成相对隔水层。堆积斜坡根据物质组成的不同坡度常在 20°~ 40°之间变化，隔水层为形成滑 动面的主要地层，坡度多在 10°~ 25°之间变化。 崩积物结构疏松、孔隙比大、渗透性良好，为雨水入渗提供了良好的条件。黏土含量较 高的坡积物和洪积物相对隔水，遇水易软化减低强度形成滑面。降雨沿堆积物表面入渗，进 入相对不透水层或基岩岩面形成滞水，降低了滑面土体的物理力学性质。随着降雨及周边岩 土体渗流的不断补给产生动态浮托力。同时，雨水的淋滤作用及次生裂缝的存在也从一定程 度上加剧了滑动的发生。 1.4 次生破裂面的影响 受堆积土的形成原因的影响，堆积土大多较为松散，土体强度较低，在变形和蠕动的过 程中易因为强度不足产生拉张裂缝或剪切滑移。 从而在边坡变形发育的过程中沿较软弱的部 位形成次级破裂面从而影响边坡的地下水渗流条件。 地下水渗流条件的改变影响了斜坡土体 的应力分布。当某些次级破裂面随时间变化、受地震荷载或工程活动影响发育为次级滑面发 生滑移时，可能导致渗流系统的渗透性下降，局部水位上升，甚至在某些特定地层条件下形 成局部承压水， 改变主滑面的应力分布， 在一定条件下， 成为产生大规模的滑移的影响因素。
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工程活动引起的局部边坡岩土体破坏改变了这一地下水渗流条件， 导致强降雨等因素作 用下滑体内含水量上升，滑面处形成暂时浸润线，影响滑面处岩土体强度。
3 地下水对堆积层边坡稳定性的影响 3.1 降雨的宏观影响 降雨因素控制滑坡发育，表现在其改变了土体的物理力学性质。从静力学的角度出发， 降雨作用增加了土体的重力， 当坡面后缘某点拉应力增加到抗拉强度时就会发生拉裂缝进而 导致应力集中使拉应力进一步扩大；另一方面，根据太沙基的有效应力原理，孔隙水压力的 增大导致有效应力降低进而使滑动面土体抗剪降低。从动力学的角度出发，降水产生的持续 渗流作用和地表径流也加剧了拉张裂缝的形成。从土体自身性质出发，粘性土含水量的增加 导致粘聚力和内摩擦角的变化进一步降低了滑动面土体的抗剪强度。 滑坡空间的分布与降雨量具有密切的关系，以 800mm 等降水量为划分统计，滑坡数量 具有明显差异[1]。 根据 2009 年中国科学院成都山地灾害与环境研究所的统计数据， 如表 1 所 示，夏季强降雨与滑坡发生具有高度的吻合性。崔云等[2]以重庆黔江流水湾滑坡为案例并结 合理论分析认为多数滑坡的发生时空分布都与强降雨相对应， 强降雨是滑坡活动最重要的触 发因素和动力来源。
表 1 长江上游地区雨季(5-9 月)滑坡发生数量统计 地区 四川毕节地区 甘肃南部 重庆万州地区 四川凉山地区 金沙江下游 合计 全年滑坡数量 42 213 294 212 477 1238 雨季滑坡数量 40 203 256 203 458 1160 所占比率 96 95 87 95 96 94
3.2 淋滤作用 降雨引起的地下水淋滤作用受堆积层的成因结构特征所影响。 堆积层形成初期往往结构 松散，渗透性好，颗粒分选度较差。降雨过程带来的地下水下渗会同时冲刷沿程土体中的细 颗粒物质，使其在相对隔水层或基岩岩面附近聚集，使接触带成为潜在滑动面。孙红月等[4] 对新昌县下岩村滑坡的滑动带及周边土样的分析发现， 滑动带处土样的黏粒含量远高于离开
堆积土滑坡地下水渗流及其对边坡稳定性的影响
王谈
北京交通大学 土木建筑工程学院
摘
要：堆积土滑坡是自然界分布最广泛的一类滑坡。堆积土坡面的产生具有一定的工程地质条件，降
雨是诱发滑坡发生的关键因素。堆积土坡面的地下水渗流具有独特的渗流特性，降雨、淋滤作用、地下水 位变化、 渗流环境变化均对其坡面稳定性由一定影响。 以小旦滑坡为例， 运用水力学能量守恒方程分析了 局部渗流环境变化对边坡稳定性的不良影响。
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堆积土滑坡地下水渗流及其对边坡稳定性的影响
水文地质条件： 堆积土滑坡分布区地下水类型主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水。 其中， 滑体地下水多为松散层孔隙水，基岩区地下水多为基岩裂隙水。滑体后缘区地下水补给以大 气降雨、地表生活及农业生产用水为主，地下水动态变化较小，滑体后缘天然条件下的负沟 槽地形地貌，形成极有利的负地形汇水区，降雨条件下的集水和汇水面积较大。滑体前缘区 地下水受江、河水位变化影响较大，地下水动态变化较大，雨季期或涨水期滑体前缘常常以 下降泉形式溢出。 气象水文条件：堆积土滑坡多分布在降雨量较为充沛的南方地区，地下水活动较为活跃 的江、河的两岸斜坡区。地下水通过对滑体的物理、水理、化学和力学作用，大大降低滑带 土的抗剪强度，诱发堆积土滑坡的变形破坏。 1.2 降雨入渗的机制 降雨入渗降雨入渗过程与机制是极为复杂的。 影响入渗的因素主要包括岩土材料的入渗 性能、初始含水率；坡面处地形地貌、植被分布；降雨的强度和持续时间等。降雨入渗是雨 水从坡表渗入坡内孔隙中的运动过程。实质上是水分在岩土介质非饱和气带中的运动，是雨 水在下渗过程中逐渐驱替空气的过程。若地表上层湿度不大，在分子引力作用下降雨被地表 介质吸收为薄膜水。当薄膜水量达到最大值，入渗水则填充介质中的毛细管形成毛细水。 根据吴火珍等[3]对降雨条件下堆积层滑坡体滑动机制分析，可将降雨入渗随时间的变化 可分为三个阶段：在降雨的初期，滑体表层含水率较低，基质吸力大，吸水能力很强，入渗 量较大；随着含水率的增加，基质吸力和毛细作用减弱，入渗容量随时间迅速减弱，饱和度 和降雨产生的渗流量持续增加；当降雨达到一定的时间后，坡体中非饱和区域不断缩小，接 触面附近土体达到暂态饱和状态，负孔隙水压力趋于零，基质吸力基本丧失。此后，由于接 触面透水性很差， 降水将在此面上聚集， 从而使得孔隙水压力逐渐增大， 形成暂时的浸润线， 渗透比降逐渐增大，使得坡体稳定性大大降低。 1.3 滑坡滑动机制 滑坡破坏主要沿软弱层主滑面或基岩滑动。由堆积土斜坡的形成来源可知，其由河流、 沟谷两岸山坡、坡麓及沟谷中的堆积物组成。由于其成因不同，堆积先后顺序不同，物质组 成不同， 常倾向临空面形成不用层次， 如崩塌堆积物多为松散的块石、 碎石堆积， 孔隙比大， 透水性好；坡积物或洪积物多以碎石、砾石为主，具有上陡下缓的特性，常与上部残积物形