降雨作用下泥岩老滑坡渗流特征及稳定性分析——以互助张家村滑坡为例

张俊才，马 涛，周 保，王仲复，张 睿，张永艳

（青海省地质环境监测总站，青海西宁 810008）

青海东部地区广泛分布着以黄土、泥岩、砂岩等构成主体的黄土—红层丘陵，地形复杂，年降水量较少但主要分布于汛期，水土流失严重，崩塌滑坡泥石流地质灾害十分发育，是全省乃至全国范围内崩塌滑坡泥石流地质灾害的高易发区。降雨是区内滑坡产生的主要诱发因素之一，特别是近年来青海东部地区汛期极端降水天气较多，例如2018年6月初青海东部地区普遍出现持续降雨，其中3—4日两天内乐都中坝乡连续降雨量高达250.3 mm，引发了诸多滑坡隐患和灾害。降雨入渗过程是斜坡土体饱和—非饱共同作用的过程，降雨条件下滑坡的渗流情况、成因机理、稳定性等方面的研究成果较多。例如，颜斌等［1］认为黄土边坡在强降水条件下水分入渗的深度有限，对边坡整体稳定影响不大；喻兴等［2］分析了降雨入渗条件下滑坡堆积层中孔隙水压力的变化以及滑坡稳定性系数的变化；冯卫等［3］采用Geostudio软件中的SEEP/W模块和SLOPE/W模块耦合，分析了降雨入渗情况下坡体非饱和渗流场的变化，探讨了不同降雨强度条件下滑坡体的稳定性变化情况；朱文彬等［4］对降雨条件下堆积层滑坡的滑动机制进行了分析；钟灿书［5］采用模型试验深入分析了堆积层滑坡位移变化特征及其与降雨之间的响应关系；乔朋腾等［6］以非饱和土渗流理论为依托，分析了不同降雨持续时间下坡体内部孔隙水压力的变化规律，揭示了黄土滑坡的降雨入渗机理；张祥祥［7］研究了坡顶垂直裂隙对黄土边坡降雨入渗和稳定性的影响；Ran等［8］开展了不同降雨条件下浅表层滑坡的研究，认为饱和水文传导率的显著垂直变化导致渗透水的积聚，进而导致非饱和土层的孔隙压力增大和滑坡发生；Tran等［9］采用基于瞬时降雨入渗和网格的边坡稳定模型模拟分析了暴雨引起的边坡内的动态水文条件，在此基础上采用Scoops3D评价了其三维稳定性。但是，国内对降雨入渗条件下泥岩老滑坡堆积体内地下水的渗流特征及其作用下滑坡体稳定性方面的研究成果较少。为此，本文以互助张家村滑坡为例，在开展资料收集、现场调查、渗透试验等确定其基本特征的基础上，利用Geostudio软件建立了老滑坡渗流计算模型，采用SEEP/W、SLOPE/W模块分析了降雨条件下老滑坡的渗流特征和稳定性，对青海东部地区泥岩老滑坡灾害防灾减灾具有较好的理论和现实指导意义。

1 滑坡基本特征

互助县张家村滑坡位于湟水一级支流红崖子沟右岸，滑坡南、北侧分别以山梁、冲沟为界，前缘为张家村（图 1），地理坐标东经 102°05′41″，北纬36°39′02″，滑坡上分布有乡村公路及电信设施。滑坡体原岩主要由近水平的新近系泥岩组成，其形态在平面上呈半圆形，整体倾向北东，东西纵长1 500 m，南北宽 950 m，平均厚 65 m，体积约9.3×107m3，为一大型泥岩老滑坡。滑坡体表面经雨水汇集后冲刷与改造作用，冲沟及落水洞发育。滑体在剖面上呈阶梯状，上陡下缓，上部坡度35°，下部坡度25°，滑坡后壁呈圈椅状，高45 m，滑壁倾向北东，倾角73°，滑壁下分布有崩积物，滑坡共发育三级较大平台［10］。

一级平台分布于滑坡后壁底部，平面形态不规则，长150 m，宽70～80 m，平台前缘陡坎高72 m，滑面深度为91.0 m。二级平台长180 m，宽60～80 m，平台前缘陡坎高65 m，平台后缘发育有拉裂槽（图2），坡面多处发育拉张裂缝，最大长度10 m，深度20～60 cm，宽度5～300 cm，同时，坡体边缘也发育有剪切裂缝，深度50～200 cm，宽度5～50 cm，平均长度20～50 cm，最大长度3 m。钻孔揭露此处滑面深度71.0 m。三级平台长100 m，宽50～70 m，前缘陡坎高5.0 m，揭露滑面深度50.0 m。滑坡南侧曾于2002年农历正月十四日发生滑动，形成的新滑体纵长1 500 m，宽250 m，平均厚30.0 m；滑体中下部受挤压形成约20 m高的反翘隆起，坡体破碎，坡度30°，在滑坡后缘形成南北向长380 m，宽8 m，深5～8 m的大裂缝，将原乡村公路摧毁。新滑体西侧可见滑坡下滑时形成的擦痕，新滑体表部发育众多长30～250 m，宽0.1～3.5 m，深0.4～3.5 m拉张裂缝，裂缝面均内倾，倾角约60°。2002年6月26日，新滑坡前缘再次发生滑动，方量约1×103m3。该次滑动后至今，滑坡未产生明显的滑动变形。

滑坡体岩性组成较复杂，除母岩泥岩、泥砂岩混杂堆积外，还有滑坡后壁高处的黄土及底砾石介入，但总体以浅土黄色泥岩为主，因此定性为泥岩滑坡。滑坡后缘至前缘大多数堆积体混杂堆积，滑坡中后部局部地段块体完整性较好，无方向、无层次与其他堆积体混杂堆积。根据钻孔揭露的信息，滑带土依不同部位厚度亦有不同，滑坡中前缘滑带位于泥岩中，厚0.3～0.6 m，呈软塑状，稍湿，擦痕不明显；滑坡后部滑带厚0.6～1.0 m，结构破碎，呈碎裂状，见明显擦痕。其典型纵剖面如图3所示［10］。

2 降雨条件下滑坡渗流特征

张家村滑坡形成之后产生了局部解体，形成了三级较大平台，一定程度上释放了滑体的势能，增加了滑坡体稳定性。但是，由于滑坡堆积物结构松散，物理力学性质差，在滑坡自身重力作用、降雨入渗、坡面冲刷等因素作用下，特别是长时间持续降雨条件下，老滑坡体岩土体受雨水和地下水作用产生增重、软化、润滑以及静水压力、渗透力等作用，存在整体复活或再次局部解体的可能性。因此，本文在借助渗流计算软件Geostudio中的SEEP/W模块，对张家村滑坡在降雨条件下的垂直入掺和侧向渗流特征进行分析研究，以确定降雨及其入渗对老滑坡稳定性的影响。

2.1 渗透系数的现场测定

为开展张家村滑坡降雨入渗及渗流特征分析，采用单环法现场测定了滑坡体的渗透系数。根据单环法试验要求，现场试验时在坡体平缓处挖除表层土体，平整新鲜面；用锤缓慢敲击钢环，使其均匀进入土体20 cm（图4）；在钢环内平铺2 cm左右的砂砾层作为滤层，并倒水至10 cm的标记线；一旦钢环内水位出现低于标记线，立刻加水以保证渗透水压的稳定，水位长时间没有明显变化时停止试验，并记录试验时间和试验水量。从而，根据达西定律计算出滑坡体3个不同位置处的饱和渗透系数分别为5.62 ×10-5、4.50 ×10-5和3.50 ×10-4m/s。

2.2 降雨条件下滑坡的渗流特征

根据张家村滑坡典型纵剖面建立了二维渗流分析模型，边界条件为滑体表面为常流量边界（降雨边界），滑带与滑床界线为零流量边界。据1990—2012年的降雨资料，互助县一日最大降雨量为59.0 mm（2003年7月30日），因此将59.0 mm/d的降雨作为降雨边界的输入值，模拟研究该降雨条件下张家村滑坡降雨入掺和侧向渗流特征。滑体与滑带的渗透系数取值如下:滑体表层碎石土的渗透系数差异不大，由于滑坡表层结构较内部松散，其值在理论上大于滑体内部土体的渗透系数，因此取试验值的最小值5.62×10-5m/s（4.86 m/d）作为滑体的计算参数；滑带土因挤压揉皱其渗透能力较滑体低，渗透系数取4.0 m/d。滑床为相对隔水、透水性很差的泥岩，在渗流分析时认为其为不透水层。基于上述认识，采用经验数据估算法分别得到了滑体和滑带的体积含水量-基质吸力曲线和导水率-基质吸力曲线（图5和图6）。

在此基础上，开展降雨条件下不同降雨时长时张家村滑坡降雨入渗、侧向渗流特征分析。图7为59 mm/d的降雨条件下，降雨1～5 d后张家村滑坡的孔隙水压力云图和侧向渗流情况。可以看出，随着降雨时间的持续增加，滑坡体浅表层饱水区域的范围越来越大，而中下部几乎没有明显变化，4 d后入渗深度增加不明显，最大降雨入渗深度约16 m，只占滑坡厚度的四分之一左右；同时，随着降雨的持续进行，3 d后滑坡浅表层饱水并开始出现明显的向坡外和滑坡中前部的侧向渗流，降雨至4～5 d后，向坡外和滑坡中前部的侧向渗流强度越来越大，并在滑坡前缘局部区域泄出。从而说明，在持续的降雨作用下，老滑坡垂直入渗深度浅，仅限于滑坡体浅表层，降雨入渗至一定深度后基本不再增加，与此同时降雨入渗后形成的地下水向坡外和滑坡中前部的侧向渗流明显，滑坡体内存在明显的渗透动水压力，可能对斜坡浅表层稳定性影响较大。

3 降雨条件下滑坡稳定性分析

根据前述的渗流模拟分析，确定了张家村滑坡在降雨条件下降雨垂直入渗和侧向渗流特征，在此基础上采用Geostudio软件中的SEEP/W模块和SLOPE/W模块耦合，以常用的简布法（Janbu法）计算了老滑坡的稳定性系数。在滑坡稳定性计算过程中，依据张家村滑坡勘查测试资料［10］及经验参数，饱和状态下滑体参数取值为容重24.0 kN/m3，粘聚力25.0 kPa，内摩擦角27.0°；滑带土参数取值为容重23.8 kN/m3，粘聚力17 kPa，内摩擦角20.25°，用于饱和区域滑体和滑带的参数赋值；天然状态下滑体参数取值为容重19.8 kN/m3，粘聚力29.5 kPa，内摩擦角33.45°；滑带土参数取值为容重19.9 kN/m3，粘聚力20 kPa，内摩擦角29.36°，用于非饱和区域滑体和滑带的参数赋值；滑床为新近系泥岩，相对于松散破碎的滑坡堆积物而言，其力学性质显然好得多，因此将滑床视为稳定体。

计算结果表明，在59 mm/d的降雨条件下，降雨1、2、3、4 d后老滑坡体的稳定性系数分别为1.564、1.167、0.914、0.911，潜在破坏区域为滑坡后部、前部浅表层局部区域。可见，短时降雨对老滑坡稳定性影响不大，随着降雨时间的不断持续，老滑坡的稳定性逐渐降低，长时间降雨会导致滑坡浅表层产生进一步解体变形，但是滑坡整体的稳定性较好。这与老滑坡在降雨条件下的渗流特征反映的情况一致，老滑坡浅表层堆积物更加松散，降雨入渗深度相对于滑体厚度而言非常有限，长时间持续降雨条件下老滑坡体浅表层受降雨及其入渗形成的地下水作用，导致岩土体自重增加的同时，地下水对岩土体形成软化、润滑以及静水压力、渗透力等作用，因此老滑坡浅表层在长时间降雨作用下产生局部解体变形。

4 讨论与结论

青海东部地区因广泛发育黄土—红层丘陵，泥岩老滑坡较多，近年来随着汛期极端降水天气增多，引发了诸多滑坡隐患和灾害，降雨作用下泥岩老滑坡的稳定性评价成为地质灾害防灾减灾需重点关注的问题之一。对降雨条件下滑坡的渗流情况、稳定性等方面已有相关研究［2-6］，但降雨入渗条件下泥岩老滑坡堆积体内地下水的渗流特征及其作用下滑坡稳定性方面的研究成果较少。本文以互助县张家村滑坡为例，利用Geostudio软件的SEEP/W、SLOPE/W模块分析了降雨条件下老滑坡的渗流特征和稳定性，在59 mm/d的降雨条件下，短时降雨时滑坡体的入渗深度极浅，降雨对老滑坡稳定性影响不大，其整体或局部稳定性均较好；长时间降雨时老滑坡体的垂直入渗深度浅，降雨入渗至一定深度后基本不再增加，但向坡外和滑坡中前部的侧向渗流明显，对老滑坡浅表层稳定性影响较大，老滑坡浅表层可能会产生局部解体变形，但对老滑坡整体稳定性的影响小，该认识对青海东部地区诸多泥岩老滑坡防灾减灾具有较好的理论和现实指导意义。

需指出的是，模拟分析时采用了1990—2012年互助县一日的最大降雨量（59 mm，2003年7月30日），从传统降雨入渗研究角度考虑，该极端降雨强度下地表可能会形成泥膜进而限制降雨入渗；但是，张家村滑坡表层破碎，拉张裂缝带、反坡地形等大量分布，实际上有利于降雨入渗。考虑真实裂缝存在条件下的降雨入渗特征研究将非常困难，已有的成果也仅仅是采用简单的斜坡模型开展相关研究［11-12］，很难在复杂滑坡研究中运用，因此老滑坡表面裂缝存在对降雨入渗及坡体稳定性的影响还需进一步深入分析。