不同降雨过程特征下的库区滑坡稳定性

阚 露， 胡 鹏

（核工业西南勘察设计研究院有限公司，成都610000）

不同降雨过程特征下的库区滑坡稳定性

阚 露， 胡 鹏

（核工业西南勘察设计研究院有限公司，成都610000）

降雨是滑坡的主要诱发因素之一。根据降雨强度随着降雨历时的变化特征划分了五种降雨过程。以澜沧江某水电站库区一典型土质滑坡为例，模拟滑坡体在不同工况下的渗流场，分析降雨过程对库区滑坡稳定性的影响。结果表明：在库水位不变的情况下，五种降雨过程对滑坡稳定性的影响由大到小的顺序为递增型、先强后弱型、先弱后强型、稳定型、递减型。在降雨过程不变的情况下，随着库水位的上升，滑坡稳定性会先减小再增大。水库蓄水前期及递增型降雨过程，滑坡处于最危险状态。该研究为库区滑坡稳定性评价提供了依据。

滑坡；稳定性；降雨过程；蓄水阶段；渗流场

0　引 言

滑坡灾害不仅威胁人民生命财产安全，而且严重影响交通、水利等基础设施的正常运营，给经济建设和社会发展造成了极大的损失。滑坡破坏特别是残积土区域的滑坡破坏主要由降雨引起［1］。目前，国内外学者主要从降雨历时、强度、土层类型、性状及非饱和土渗透性等方面考虑，研究降雨诱发滑坡的作用机制。杨志法等［2］提出了“以天预报地”的理论，将降雨划分为小雨、中雨、大雨、暴雨四种类型，根据降雨变化规律和雨水入渗时间，并结合边坡的易滑度对滑坡灾害进行预测。谢守益等［3］利用阀值概念分析降雨诱发滑坡的概率，从降雨历时方面考虑将降雨划分为久雨和暴雨两种工况，通过计算得到典型滑坡发生滑动破坏的临界雨量和强度。刘新喜等［4］从降雨历时、强度及土的渗透性方面考虑入渗对填土边坡稳定性的影响。刘俊新等［5-6］利用饱和与非饱和渗流有限元模拟模型的瞬态渗流场，并且考虑了基质吸力对非饱和土力学参数的影响。

学术界已对降雨历时、强度及入渗情况进行了较为深入的研究，但往往假定一次降雨过程中降雨强度是恒定的，从而忽视了对降雨过程特征的分析。然而，实际生活中，随着降雨历时的增加，降雨强度并不总是保持不变的，不同降雨过程对雨水的入渗、浸润线变化的影响也是不同的。水电建设过程中，水库蓄水期，特别是雨季，为滑坡多发阶段，这是降雨和库水位变动共同作用的结果，所以，研究不同降雨过程对滑坡体稳定性的影响在库区滑坡灾害的预测和治理方面具有重要的现实意义。

笔者在文献［7］有关暴雨模式研究的基础上，根据一次降雨过程中降雨强度随着历时变化的规律，将降雨划分为五种类型，研究降雨过程特征和水库不同蓄水位两个因素对滑坡的影响，为库区滑坡稳定性评价提供了依据。

1　降雨过程的划分

根据降雨强度（I）随着时间变化规律的不同，在总降雨量和降雨历时（t）不变的前提下，将降雨过程划分为先强后弱型、先弱后强型、递增型、递减型和稳定型五种类型，如图1所示。

水头边界（一类边界）和流量边界（二类边界）是地下水渗流场最常见的两类边界条件。如果降雨强度大于表层土体渗透率，一部分降雨会入渗，另一部分会在坡表面形成径流及一薄层水膜。边界条件采用定水头边界，表层压力取零。如果降雨强度小于表层土体渗透率，降雨会全部入渗，此时边界条件应为流量边界，土体渗透率等于降雨强度［8］。

图1　五种降雨类型Fig.1 Five representative rainfall patterns

五种降雨类型的水力边界条件如下：

（1）先强后弱型。随着降雨历时的增加，降雨强度先递增再递减。整个过程中，边界条件为流量边界→水头边界→流量边界。

（2）先弱后强型。降雨过程中，降雨强度先减小再增大。边界条件为水头边界→流量边界→水头边界。

（3）递增型。降雨强度持续增加。边界条件为流量边界→水头边界。

（4）递减型。降雨强度持续减小。边界条件为水头边界→流量边界。

（5）稳定型。降雨强度保持不变。边界条件为水头边界或流量边界。

2　计算理论

2.1饱和-非饱和土渗流原理

描述非饱和土的应力状态时应将基质吸力考虑在内。基质吸力会随着土体渗透性的改变而改变。若饱和度不同，则非饱和土的渗透性会出现很大差别。在渗流过程中，随着非饱和土区域不断变成饱和土区域，基质吸力会降为零。为使非饱和区渗流与饱和区渗流耦合起来，设定压力水头在饱和区域为正值，在非饱和区域为负值，零压力面就是自由水面，即饱和区与非饱和区的分界面。

非饱和土中渗透系数不是常数而是与体积含水率有关的函数。当体积含水率减小时，空气填充土中孔隙，使得过水面积变小，渗流流径弯曲度增大，造成渗透系数减小。因此，基于质量守恒原理与达西定律，在等热条件下可以推导出非饱和土水分运动的基本方程［9］：

式中，H为全水头，H=h+h1；h为压力水头，在饱和区为正，非饱和区为负；h1为位置水头；kx、kz分别为土体沿x、z方向的渗透系数，在饱和区等于饱和土的渗透系数，与水头h无关，在非饱和区与水头h有关；C为容水度，表示单位基质势的变化引起的含水量的变化，由土水特征曲线斜率的倒数求得。

饱和-非饱和渗流的初始条件为

水头边界（一类边界）与流量边界（二类边界）条件分别为：

计算中，程序会根据降雨强度与土体渗透性、流量边界结点孔隙水压力的大小自动选择边界条件。

2.2极限平衡理论

通过SEEP/W模块，运用有限元方法对坡体内部渗流进行瞬态计算，求解不同蓄水阶段和不同降雨过程下滑坡体中渗流场以及压力水头，在此基础上，运用极限平衡方法中的摩根斯坦-普赖斯法对滑坡进行稳定性分析，滑坡稳定系数F计算方程如下：

其中，c′为有效黏聚力强度，β为条块底面长度，R为圆弧形滑面半径，N为条块底部法向合力，φ′为有效内摩擦角，φb为吸力强度增量引起的抗剪强度增量角，ua为孔隙气压力，uw为孔隙水压力，W为条块重量，x为条块中心至滑面圆心的水平距离，f为法向力距离滑面圆心的竖直距离，kW为作用在条块质心的水平地震荷载，e为条块质心至滑面圆心的竖直距离，P为外部集中荷载，d为外部集中荷载作用点至滑面圆心的垂直距离，FA为外部水压力合力，a为外部水压力合力作用点至滑面圆心的垂直距离。

3　工程实例

3.1地质概况

该滑坡位于澜沧江左岸，滑坡沿河长度为150 m，滑坡所临澜沧江走向为NE30°，岸坡为阳坡。滑坡形态明显，前缘高程650 m，后缘高程930 m，主滑方向为NW60°，滑向河床略偏上游方向，主滑方向长度为500 m。滑坡边界清晰，两次活动迹象明显，一级平台仅局部保留，第二次坍滑物质已滑入江中，滑坡物质保留较少，滑体中小冲沟发育（图2）。总体坡度较缓，为20°～25°，但前缘较陡，大于30°。基岩岩性为T2m粉砂质泥岩，夹钙质泥岩、砂岩。滑坡体物质主要为碎石土堆积物，其母岩为T2m砂岩。土体易于饱和、渗透性强。

图2　滑坡形态Fig.2 Landslide con figuration

3.2计算模型

根据实地勘察资料，将滑坡分为基岩、滑带和滑坡体三层，建立二维模型，如图3所示，其中，HA为海拔高程，xA为水平距离。根据库区地质和气候条件，水库计划经过三个蓄水阶段达到正常蓄水位，水位分别为670、750和810 m。库区所处的澜沧江下游滇西南地区属于亚热带、热带气候，水汽充沛，降雨量较大，多年平均降水量为900～1 700 mm，日最大降水量为221.2 mm［10］。文中假定五种降雨过程的总降雨量为200 mm，降雨历时24 h。在降雨总量和降雨历时相同的条件下，将三种蓄水位和五种降雨过程两两结合，确定了15种工况，分别进行计算。

图3　计算模型Fig.3 Calculation model

3.3结果分析

3.3.1不同降雨过程对坡内浸润线的影响

以810 m水位为例，选取五种不同降雨过程下的计算结果进行对比，结果如图4所示。从图4可以看出，随着降雨历时的增加，坡内浸润线不断提高，然而五种不同的降雨过程引起的浸润线上升幅度不同，导致24 h后非饱和土区域大小不同，面积由小到大排列顺序为递增型、先强后弱型、先弱后强型、稳定型、递减型，也即浸润线上升速度由大到小的排列顺序。

图4　降雨24 h后不同降雨过程的非饱和区域Fig.4 Non-saturation zone after 24 h’s different rainfall patterns

降雨24 h后浸润线与渗流速度矢量如图5所示。从图中可以看出，渗流场中主要有三个方向的渗流发生：一是雨水从坡体表面垂直向下入渗；二是雨水入渗后沿着基岩顶面隔水板渗向坡外，此种渗流方向上渗流速度矢量最大；三是由于基质吸力的存在，水由饱和土区域渗向非饱和土区域，导致降雨过程中非饱和土区域不断减小，饱和土区域不断增大。

图5　降雨24 h后浸润线与渗流速度矢量Fig.5 Saturation line and velocity vector of seepage after 24 h’s rainfall

3.3.2不同降雨过程对滑坡稳定性的影响

以670 m水位为例，选取五种降雨过程的计算结果进行分析，如图6所示。从图中可以看出，随着降雨历时的增加，滑坡稳定性的变化规律不同。每种降雨过程下滑坡的稳定系数都在不断降低，但降低的速度不一。先强后弱型和递减型降雨过程的稳定系数降低速度先快后慢；先弱后强型和递增型降雨过程的稳定系数降低速度先慢后快；稳定型降雨过程曲线的斜率基本不变。

图6　稳定系数与降雨历时的关系Fig.6 Relation between stability coefficient and duration of rainfall

递减型在降雨2 h后稳定系数相比于其他过程低。因为在降雨初期其降雨强度最大，随着历时的增加，降雨强度逐渐减小，所以稳定系数降低速度也减小，在降雨末期其稳定系数反而为五种降雨过程中最大的。递增型在降雨2 h后的稳定系数是最大的，因为在降雨初期其降雨强度最低，而约16 h后，其稳定系数急剧降低，成为降雨末期中稳定系数最低的降雨过程。在降雨强度增加阶段，稳定系数下降的速度与降雨强度增加的速度成正比；在降雨强度减小的阶段，稳定系数下降的速度与降雨强度减小的速度成反比。稳定系数下降速度的变化规律和降雨过程中降雨强度的变化规律紧密相关。

降雨前，相同蓄水位下，滑坡稳定性不变。而经过24 h相同降雨总量的不同降雨过程后，滑坡稳定性从小到大的排列顺序为递增型、先强后弱型、先弱后强型、稳定型、递减型。由此可见，在相同蓄水位下，强度递增型降雨对滑坡稳定性影响最大，强度递减性降雨对滑坡稳定性影响最小。

3.3.3库水位对滑坡稳定性的影响

水库蓄水位上升会提高潜水位高度，从而使滑坡内部饱和区域增大，弱化了滑带、滑体的岩土力学参数，不利于滑坡的稳定。但是土体浸水后，其抗滑力减小，下滑力同样也会减小［11］，而且蓄水位的上升也增大了坡外表面的静水压力，有利于滑坡的稳定，所以这两方面因素影响大小，应取决于滑坡所处蓄水阶段。在库水位上升的基础上，降雨会进一步提高浸润线位置，增大坡内水向坡外的渗流力，降低滑坡稳定性。

在降雨总量和降雨历时相同、库水位不同的条件下，将24 h以后的稳定系数计算结果进行插值拟合，结果如图7所示。由图7可以看出，每一种降雨过程下，随着库水位的上升，滑坡稳定系数都会出现先减小再增大的现象。可见，在降雨条件相同的情况下，滑坡稳定性在蓄水前期逐渐变差，而随着水位的继续上升，滑坡会变得越来越安全。无论在何种库水位下，递增型降雨过程的稳定系数均是最低的，递减型的稳定系数均是最高的。所以，在水库蓄水前期若遇到了降雨强度随着历时不断递增的降雨过程，滑坡的稳定性会受到最严重的威胁。

图7　稳定系数与蓄水位高度的关系Fig.7 Relation between stability coefficient and height of water storage level

4　结 论

（1）在蓄水位相同的条件下，五种降雨过程引起的滑坡内部浸润线提升速度由大到小顺序为递增型、先强后弱型、先弱后强型、稳定型、递减型。

（2）在降雨总量和降雨历时相同的情况下，降雨过程中稳定系数一直都在降低。一次降雨过程中，在降雨强度增加阶段，稳定系数下降的速度与降雨强度增加的速度成正比；在降雨强度减小阶段，稳定系数下降的速度与其强度减小的速度成反比。

（3）在降雨过程不变的情况下，随着库水位的上升，滑坡稳定性会先减小再增大。在库水位不变的情况下，五种降雨过程对滑坡稳定性的影响由大到小的顺序为递增型、先强后弱型、先弱后强型、稳定型、递减型。在水库蓄水前期要特别注意降雨强度随着历时递增的降雨过程，在这两个条件的综合影响下，滑坡会处于最危险的状态。

［1］ 黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（3）：433-454.

［2］ 杨志法，陈 剑.关于滑坡预测预报方法的思考［J］.工程地质学报，2004，12（2）：118-123.

［3］ 谢守益，张年学，许 兵.长江三峡库区典型滑坡降雨诱发的概率分析［J］.工程地质学报，1995，3（2）：60-69.

［4］ 刘新喜，夏元友，蔡俊杰，等.降雨入渗下强风化软岩高填方路堤边坡稳定性研究［J］.岩土力学，2007，28（8）：1705-1709.

［5］ 刘俊新，刘育田，胡启军.非饱和地表径流-渗流和流固体耦合条件下降雨入渗对路堤边坡稳定性研究［J］.岩土力学，2010，31（3）：903-910.

［6］ 刘海宁，刘汉东，王思敬.黄河下游堤防非饱和土边坡稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（20）：3788-3795.

［7］ TUNGLIN TSAI.The influence of rainstorm pattern on shallow landslide［J］.Environmental Geology，2008，53（7）：1563-1569.

［8］ 刘小文，耿小牧.降雨入渗对土坡稳定性影响分析［J］.水文地质工程地质，2006（6）：40-47.

［9］ FREDLUNDD G，RAHARDIOH.非饱和土土力学［M］.陈仲颐，译.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［10］ 邹 宁，王政祥，吕孙云.澜沧江流域水资源量特性分析［J］.人民长江，2008，39（17）：67-70.

［11］ 刘才华，陈从新，冯夏庭.库水位上升诱发边坡失稳机理研究［J］.岩土力学，2005，26（5）：769-773.

（编辑荀海鑫）

Study on stability of landslide in reservoir area under different rainfall processes

KAN Lu， HU Peng
（Southwest Geotechnical&Design Institute of China Nuclear Industry，Chengdu 610000，China）

This paper follows from the acceptance that rainfall occurs as a one of themain contributors tomost landslides and introduces the division of the rainfall process into five different types based on the different change laws underlying rainfall intensity through the rainfall duration.The paper goes further by analyzing a typical soil landslide occurring in a hydropower station’s reservoir on Lancang River，simulating the seepage field of the slope subjected to different conditions and investigating the effect of the rainfall process on the stability of the reservoir landslide.The investigation reveals that the constant reservoir water level suggests the occurrence of the five rainfall processes which tend to influence the stability of landslide in the order of the effects varying from big to small，such as，the increasing type，the first strong and then weak type，the first weak and then strong type，the constant type，and the decreasing type.In the case of the constant rain process，landslide would have such stability as first decreases and then increases，depending on the rise of the reservoir water level.The earlier stage of reservoir storage and the increasing type rainfall patternmean the greatest landslide danger.The study would provide a basis for a better evaluation of the stability of the reservoir landslide.

landslide；stability；rainfall process；water storage stage；seepage field

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.020

P642.22

2095-7262（2014）05-0529-05

A

2014-07-10

阚 露（1988-），男，安徽省明光人，助理工程师，硕士，研究方向：岩体结构与工程稳定，E-mail：442789662@qq.com。