基于不同氣象條件滑坡失穩(wěn)破壞機(jī)理研究

王君峰

（南北水調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊 050000）

1 引言

據(jù)有關(guān)資料顯示，滑坡是我國(guó)較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)于人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生了較大的威脅，因而，對(duì)于滑坡地質(zhì)災(zāi)害的防治是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。近些年來(lái)。隨著電子計(jì)算機(jī)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于解決滑坡的災(zāi)害，Geostudio 軟件具有較好的工作性能。

基于Geostudio 軟件對(duì)滑坡體的研究也逐漸成為研究和治理滑坡較為重要的工作，越來(lái)越多的專家學(xué)者也開始了這方面的研究：郭方琴等[1]利用Geostudio 軟件對(duì)滑坡體的滲流進(jìn)行了研究，得到了滑坡體與降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間的關(guān)系；陳浩等[2]利用Geostudio 軟件對(duì)滑坡體的滲流特征進(jìn)行模擬，分析了滑坡體與地下水位的關(guān)系；李全文等[3]研究了采用Geostudio 軟件分析滑坡體時(shí)邊界條件的最佳選用；馮衛(wèi)等[4]將Geostudio 軟件中的SEEP /W 和SLOPE /W 計(jì)算模塊結(jié)合起來(lái)，分析了降雨對(duì)滑坡體位移的影響；喻興等[5]模擬了滑坡體變形破壞過(guò)程中，坡體的孔隙水壓力與坡體穩(wěn)定系數(shù)變化特征；王世通[6]通過(guò)監(jiān)測(cè)與模擬相結(jié)合的方法，分析了堆積層滑坡降雨滲流的特征，并結(jié)合研究結(jié)果知道實(shí)際滑坡防止取得了較為可觀的成果；張俊才等[7]通過(guò)模擬某老滑坡體內(nèi)垂直入滲特征，分析了老滑坡體解體變形破壞特征；麻超超[8]對(duì)不同降雨條件下的滑坡體進(jìn)行模擬，分析了坡體的含水率、孔隙水壓力以及穩(wěn)定性系數(shù)。

結(jié)合前人的研究基礎(chǔ)，本文基于Geostudio軟件擬對(duì)某地區(qū)的長(zhǎng)條狀滑坡體結(jié)構(gòu)建立數(shù)值分析模型，分析在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性、持續(xù)降雨條件下坡體的滲流特征和穩(wěn)定性能，并結(jié)合滲流特征和穩(wěn)定性能對(duì)坡體的失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

2 工程概況

以某地區(qū)的長(zhǎng)條狀滑坡體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，該區(qū)域處于高原大陸性氣候，近20 年平均降雨量為423.1 mm，降雨豐富的月份主要為6月～9月四個(gè)月份，在此期間降雨量約占全年降雨量的82%左右。

該區(qū)域的滑坡體為一巨型老滑坡體，該滑坡體的坡度為30°，該老滑坡體呈臺(tái)階狀分布，表面土體為粉質(zhì)粘土，根據(jù)勘測(cè)資料，老滑坡體下共計(jì)有四層巖體組成，巖層分布見表1，區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造主要為東西、北東向構(gòu)造帶。

表1 巖層分布圖

由歷史資料記載，2011年7月3日20時(shí)許，由于人類對(duì)植被保護(hù)及降雨的影響，老滑坡體前緣位置處產(chǎn)生鼓脹裂縫，裂縫長(zhǎng)約15.0 m寬約10.0 cm，引起周邊道路產(chǎn)生裂縫和錯(cuò)動(dòng)，裂縫寬度約為1.5 cm左右，長(zhǎng)度約為10.0 m，同時(shí)周邊4 間民房倒塌；2015 年6 月期間，受強(qiáng)降雨的影響，老滑坡體后緣位置處產(chǎn)生了多條寬度、長(zhǎng)度不一的張拉裂縫，在2015年7月～2020 年7 月期間，老滑坡體變形持續(xù)加劇，后緣位置處的裂縫長(zhǎng)度、寬度不斷增大；2020年8月15日13 點(diǎn)左右，該老滑坡體發(fā)生了一次較為嚴(yán)重的地質(zhì)滑坡，主要為該老滑坡體的東北段中前緣位置處，引起了路面結(jié)構(gòu)隆起、塌陷嚴(yán)重以及滑坡體后緣位置處的大變形以及較高的隆起，滑坡體下多處房屋倒塌以及較大面積的裂縫，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活。

3 建立模型

基于對(duì)某地區(qū)的長(zhǎng)條狀滑坡體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)考察以及降雨量的測(cè)定，結(jié)合歷史相關(guān)記錄資料以及地質(zhì)參數(shù)，采用Geostudio軟件建立該滑坡的數(shù)值計(jì)算模型見圖1。根據(jù)滑坡的地質(zhì)參數(shù)共將滑坡體劃分為四個(gè)地質(zhì)區(qū)域，四種巖層的物理性質(zhì)參數(shù)見表2。

圖1 滑坡體數(shù)值分析模型

表2 滑坡體計(jì)算參數(shù)

4 滑坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性

采用Ordinry、Morgenstern-price、Bishop、Janbu四種方法分析滑坡體結(jié)構(gòu)在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性，計(jì)算所得滑坡體相關(guān)的相關(guān)狀態(tài)信息見表3。

表3 天然狀態(tài)下的滑坡體穩(wěn)定性能

分析表3中的數(shù)據(jù)，Ordinry、Morgenstern-price、Janbu三種方法計(jì)算所得的滑動(dòng)面進(jìn)出口的位置完全相同，均為（164.253， 190.502）m～（514.771， 68.082）m，三種方法計(jì)算所得的穩(wěn)定性系數(shù)相差較小，分別為0.906、0.956、0.922，三種方法計(jì)算所得安全系數(shù)均小于1，因而該滑坡土體的安全性能較低；而通過(guò)Bishop法計(jì)算所得的滑動(dòng)面進(jìn)出口的位置與前述方法有所不同，為（166.795， 190.373）m～（517.884， 67.552）m，穩(wěn)定系數(shù)為0.984，四種方法計(jì)算的安全系數(shù)均小于1，說(shuō)明該滑坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于實(shí)際的滑坡體，滑坡體處于較不穩(wěn)定的狀態(tài)，有較小的蠕動(dòng)變形，模型與實(shí)際滑坡體的狀態(tài)較為吻合，說(shuō)明了該模型的有效性。

5 滑坡在降雨條件下的穩(wěn)定性分析

根據(jù)降雨量的記載，該地區(qū)的8 月份連續(xù)降雨條件下，連續(xù)降雨5日的平均降雨量為51.6 mm，因而該模擬的降雨量為51.6 mm/（5 d）的條件進(jìn)行模擬，平均每期的降雨量為8.6 mm，進(jìn)而分析降雨條件下的滑坡體穩(wěn)定性。

5.1 降雨條件下的坡體滲流特征

在模型表面選取了10 個(gè)特征點(diǎn)分析在6 天時(shí)間內(nèi)降雨條件下的坡體滲流特征，選用孔隙水壓力作為評(píng)價(jià)滲流作用的指標(biāo)，10 個(gè)特征點(diǎn)分別采用Nodel節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，為了更客觀地體現(xiàn)特征點(diǎn)的位置，代以坐標(biāo)表示特征點(diǎn)的分布特征，測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 特征點(diǎn)孔隙水壓力-時(shí)間變化特征

分析圖2中的數(shù)據(jù)可得，初始孔隙水壓力值主要是由節(jié)點(diǎn)的縱坐標(biāo)位置決定的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)越靠近滑坡體底部位置時(shí)，即節(jié)點(diǎn)的縱坐標(biāo)越小時(shí)，初始孔隙水壓力值越大；當(dāng)降雨出現(xiàn)后，在前兩天降雨過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力均有較大幅度的增大，尤其是第一天，這主要是由于未降雨的條件下，突發(fā)降雨回引起滑坡體吸水能力增大，進(jìn)而產(chǎn)生孔隙水壓力驟增；當(dāng)在第2天～6天時(shí)，各特征點(diǎn)的孔隙水壓力增幅減緩，且各特征點(diǎn)的孔隙水壓力值趨于相同，但坡頂位置和坡腳位置處的139、1019特征點(diǎn)的孔隙水壓力仍有較大幅度的增加；在第六天時(shí)坡頂位置處的139 號(hào)特征點(diǎn)孔隙水壓力值為0 kPa，表明該點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，因而對(duì)于整個(gè)坡體，仍有縱向的孔隙水壓力差，進(jìn)而引起土體中雨水的垂直方向上的下滲，該滲流特征與實(shí)際相符。

5.2 降雨條件下的坡體穩(wěn)定性分析

利用Geostudio中的SEEP /W與SLOPE /W兩個(gè)模塊，計(jì)算前述的土體中雨水垂直方向上滲流特征的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算方法采用Morgenstern-price法，能夠有效反映連續(xù)降雨6天的狀況下，滑坡坡體的穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn)而反應(yīng)滑坡體的穩(wěn)定性性能。在該滑坡的計(jì)算中，相關(guān)參數(shù)取值依據(jù)該滑坡體的相關(guān)記錄數(shù)據(jù)及該地區(qū)的氣候資料，土體的參數(shù)取值依據(jù)非飽和區(qū)域巖土的相關(guān)參數(shù)、結(jié)合滲透函數(shù)的取值。天然狀態(tài)下的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置處（即H1位置處）穩(wěn)定系數(shù)模擬結(jié)果見表3，在降雨量為8.6 mm/d的降雨條件下，降雨期為6 d，在天然狀態(tài)下的H1位置處發(fā)生解體破壞，這主要是由于在降雨條件下，滑坡體上部的土體自重不斷增大，進(jìn)而拉動(dòng)土體產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致上部土體穩(wěn)定系數(shù)降低。根據(jù)模型分析可知，穩(wěn)定系數(shù)降低的直接影響就是上部土體產(chǎn)生較大變形，呈現(xiàn)失穩(wěn)的趨勢(shì)，隨著降雨的延長(zhǎng)，上部土體的推力逐漸增大，推動(dòng)下部土體向下位移，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)滑坡體的非穩(wěn)定性變形破壞。這也解釋了在原有降雨條件下，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置處出現(xiàn)中部鼓脹隆起、扇形裂縫破壞的原因。模型中H1位置滑動(dòng)面穩(wěn)定性系數(shù)分布規(guī)律見圖3。

圖3 第6天H1位置穩(wěn)定性系數(shù)分布規(guī)律

6 結(jié)論

基于Geostudio軟件對(duì)某地區(qū)的長(zhǎng)條狀滑坡體結(jié)構(gòu)建立數(shù)值分析模型，分析在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性、持續(xù)降雨條件下坡體的滲流特征和穩(wěn)定性能，并結(jié)合滲流特征和穩(wěn)定性能對(duì)坡體的失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行分析與研究，主要得到以下結(jié)論：

（1） 采用Ordinry、Morgenstern-price、Bishop、Janbu四種方法分析滑坡體結(jié)構(gòu)在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)均小于1，驗(yàn)證了坡體結(jié)構(gòu)的蠕動(dòng)變形特征。

（2）滑坡土體孔隙水壓力值隨著降雨均呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，降雨的第六天在縱向存在孔隙水壓力差，進(jìn)而引起土體中雨水垂直方向上的下滲。

（3） 降雨后易滑面土體穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，上部土體的推力逐漸增大，推動(dòng)下部土體向下位移，驗(yàn)證了實(shí)際工程中的危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置處出現(xiàn)中部鼓脹隆起、扇形裂縫破壞等現(xiàn)象。