大型堆积体滑坡持续降雨条件下破坏机制研究*

程鹏翔，李宗发

(1贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2贵州省地质矿产勘查开发局 111地质大队，贵州 贵阳 550081；3贵州地质工程勘察设计研究院，贵州 贵阳 550081；4贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550081)

0 引言

西南地区多为山地丘陵地貌，山高谷深，相对高差较大且地质环境复杂，为地质灾害的发生提供了条件，所以成为地质灾害多发区，其中尤以滑坡地质灾害发生最多，造成大量的人员伤亡和经济损失。滑坡地质灾害绝大多数为土质滑坡，岩质滑坡相对较少。笔者统计了贵州省铜仁地区的163例滑坡和不稳定斜坡，其中岩质滑坡9例，占比5.5%，土质滑坡154例，占比94.5%，且所有土质滑坡均为堆积体滑坡。由此可见，滑坡地质灾害中绝大多数为堆积体滑坡。

笔者在统计中发现，堆积体滑坡的主要诱发因素是持续性降雨或暴雨。这是贵州地区湿润多雨的气候条件及堆积体滑坡自身力学性质决定的。利用Geo-studio软件中的SEEP/W模块与SIGMA/W模块对坡体内二维渗流场及应力场进行数值模拟耦合分析，进而从理论上分析其变形破坏机制。

1 滑坡特征

院子岩滑坡位于贵州省沿河县，滑体总体积为63×104m3，滑体厚度为3.5～17.1 m，为大型堆积体滑坡。

滑体；主要是古滑坡形成的大型堆积体，主要成分是粉质粘土、亚粘土夹砂岩、泥灰岩及泥页岩风化碎块石，表面分布少量的人工填土以及泥岩、砂质泥岩的风化物碎块石、粉质粘土等。滑体整体结构松散，力学强度低，组分粒径差异性较大，透水性强[1]。

滑带：位于岩土接触带，主要成分是粉质粘土。滑带厚度较小，为5～20 cm，由于上部滑体重力作用下，相对较密实，透水性较弱。

滑床：主要为泥岩、粉砂岩、砂岩，弱透水性。

2 诱发滑坡的影响因素

2.1 不利的岩土体结构

由于该滑坡为古滑坡复活体，存在古滑坡面，古滑面为岩土接触面，且存在稳定的地下水位，导致滑带始终保持饱和状态，力学强度较低，容易沿古滑面发生滑动。

2.2 持续性强降雨

该滑坡受到持续性强降雨后导致坡体持续变形，滑坡体后缘和中部形成宽大裂缝，同时持续性强降雨加剧了坡体的冲刷，增大坡体自重，对坡体岩土体有软化作用，降低其力学性质，降雨条件下容易诱发滑坡。

2.3 人类工程活动

区内早期人类工程活动强烈，主要表现为修建公路、居民建房和耕种等，均对该斜坡体进行了不同程度的切坡和斜坡改造，大量的人类工程活动改变了斜坡岩体应力状况和地形地貌，使得滑坡前缘为高陡临空面，为滑坡的形成提供了滑动条件。

3 滑坡体变形特征

该地质灾害从2003年中下旬开始变形，滑坡后缘及中部产生多条拉张裂缝，特别是滑坡中部村民主要居住区地形相对平缓的地带，蠕滑变形最为严重，多数木房产生倾斜变形，多数砖结构房屋墙体转角处、窗台两侧、屋顶面等部位严重变形，墙体与基础已接断错裂，有水泥地坪的地段地面可见多条地裂缝。

4 数值模拟建模

4.1 模型建立

以贵州省沿河县院子岩滑坡为例，采用Geo-studio软件中的SEEP/W模块及SIGMA/W模块对该滑坡进行二维渗流场及应力场耦合模拟分析。

该滑坡坡高82 m，坡长263 m，滑体主要由人工填土、粉质粘土、碎块石等组成，滑带主要为粉质粘土，分布厚度5～20 cm，滑床为志留系中统秀山组灰绿色、紫红色泥岩，粉砂岩、砂岩，由于滑带土厚度太小，在模型中难以体现，故此次模拟不考虑滑带土的渗流特性，简化模型如图1。

模型中利用三角形网格精度高、可模拟任意几何形状等特点，以三角形单元为计算单元建立模型。模型边界条件设立左侧边界和底边界为不排水边界，坡体表面边界为自由渗流面。

图1 滑坡简化模型Fig.1 Simplified model of landslide

本次模拟渗流场采用SEEP/W模块中的瞬态渗流分析。降雨强度采用该地区最大降雨强度586 mm/d，即6.8×10-6mm/s[2]，分12步进行计算持续降雨24 h的渗流情况，每步2 h(7200 s)。应力场模拟采用SIGMA/W模块，主要模拟在上述渗流场中的坡体应力及应变特性，假设岩土层为线弹性体[3]。

根据坡体岩土物质组成将模型分为2个区域，上部滑体为第四系残坡积碎石土，下部滑床为志留系中统秀山组灰绿色、紫红色泥岩，粉砂岩、砂岩。

4.2 导出渗透系数函数

渗透系数又称为水力传导系数，表示流体通过骨架孔隙的难易程度。在饱和土体中渗透系数为常数，在非饱和土体中渗透系数为一变量，它随含水率的变化而变化。通常根据土-水特征曲线来估计渗透系数函数，基质吸力与含水率之间的变化关系称为土-水特征曲线[4]。

采用SEEP/W拟合出滑体的土-水特征曲线(图2)和渗透系数函数(图3)。

图2 滑体土-水特征曲线Fig.2 Soil-water characteristic curve of slide body

5 数值模拟结果分析

5.1 初始应力场

图3 滑体渗透系数函数Fig.3 Permeability coefficient function of a slide body

斜坡的初始应力状态在空间分布上有一定的规律，即滑带上的剪应力从上到下逐渐增大[5]，到某处达到最大值，后逐渐减小，最大总应力则是在垂向上逐渐增大，滑体后缘到中下部逐渐增大，后逐渐减小。最大剪应力和最大总应力的空间分布上具有相似性，都是在坡体中下部达到最大值。

图4 滑面最大剪应力分布图Fig.4 Distribution of maximum shear stress on slide surface

图5 滑面最大总应力分布图Fig.5 Distribution of maximum total stress on slide surface

5.2 渗流场分析

本次二维渗流场主要进行稳态和瞬态分析，稳态分析降雨前坡体渗流场，瞬态主要分析持续性降雨过程中的坡体渗流场。

图6模拟了天然状态下的孔隙水压力分布，图7～图8模拟了降雨4 h内不同时段(步时2 h)坡体内孔隙水压力的变化情况。根据上述模拟情况可得：

1)降雨入渗过程中，在坡体内浸润线以上主要为垂向入渗，在浸润线以下主要沿岩土接触面流动，滑带土受到冲刷、浸润、软化作用，力学强度降低；

图6 初始孔隙水压力分布图Fig.6 Distribution of initial pore water pressure

图7 降雨2 h(7200 s) 孔隙水压力分布图Fig.7 Distribution of pore water pressure after 2 hours (7200 s) of rainfall

图8 降雨4 h(14400 s)孔隙水压力分布图Fig.8 Distribution of pore water pressure after 4 hours(14400 s) of rainfall

2)降雨入渗过程中，地下水位以上不饱和区地下水位上升，坡体内的孔隙水压力逐渐增大(图9)，且在空间分布上看，坡体中下部孔隙水压力较大，这与应力场分布具有相似性；根据有效应力原理：

σ=σ′+μ

(1)

式中：σ′—土体有效应力；μ—土体中孔隙水压力；σ—土体总应力。

即土体中任意一点的总应力为有效应力与孔隙水压力之和，孔隙水压力升高，有效应力减小，按莫尔-库伦定理，土体中一点抗剪强度为：

τ=σ′tanφ′+c′

(2)

式中：τ—土体某点抗剪强度，kPa；σ′—土体有效应力，kPa；φ′—土体有效内摩擦角，(°)；c′—土体有效粘聚力，kPa。

图9 滑带各点孔隙水压力-时间关系Fig.9 Pore water pressure-time relation diagram of each point in the sliding zone

当地下水位上升时，滑面土体有效应力减小，同时土体有效内摩擦角和有效粘聚力也减小，土体抗剪强度降低，土体容易破坏失稳。

5.3 耦合分析

利用软件中的SEEP/W模块与SIGMA/W模块耦合分析持续降雨2 h后的坡体应力与位移状况，得到以下结论：

1)在持续性强降雨过程中，坡体应力场不断调整，初始应力最大值位于坡体中下部，持续降雨2 h后在坡体中下部和后缘均出现应力峰值(见图10)；

2)持续降雨2 h后，滑坡体中下部位移最大(见图12坡面转折部分)，最大值达到9 cm，位移最大区域与应力最大区域重合。

通过分析以上结论可以发现，初始应力在经过调整后滑坡中下部和后缘存在应力集中，应力较大，且坡体位移最大处同样位于应力集中部位，土体在该部位受到较大应力从而形成裂缝，这与现场调查坡体变形情况相吻合。同时坡脚处最大有效应力达到最小，因此坡脚处最容易发生破坏。

图10 降雨2 h后坡体最大应力分布Fig.10 Distribution of maximum stress on slope after 2 hours of rainfall

图11 降雨2 h后坡体最大有效应力分布Fig.11 Distribution of maximum effective stress on slope after 2 hours of rainfall

图12 降雨2 h后坡体位移分布图Fig.12 Distribution of slope displacement after 2 hours of rainfall

6 持续性降雨条件下变形破坏机制

1)由于坡体规模较大，物质成分及应力状态在分布上有较大差异，且在降雨过程中应力不断调整[6]，在局部产生应力集中，导致坡体不同部位产生不同规模的拉张裂缝[7]，在降雨条件下，水进入裂缝中产生静水压力，垂直于裂缝的静水压力促进蠕变发展，同时由于水的冲刷作用导致裂缝逐渐向下扩展。

2)在降雨入渗过程中，滑带孔隙水压力逐渐增大，抗剪强度降低；降雨入渗过程中形成沿基岩面的径流[8]，对滑带土进行冲刷、软化，降低其抗剪强度。

3)在坡脚处的有效应力在降雨过程中处于最小值，因此坡脚处土体强度较低，导致坡脚处可能会率先破坏，破坏面逐渐向后发展，与坡体内的拉张裂缝贯通后，该部分滑块失稳滑动；当前部滑块滑动后，后面滑块失去阻挡导致后面滑块相继滑动，形成后退式滑坡也叫做牵引式滑坡[9]。

7 结语

1)堆积体滑坡是结构松散的第四系残坡积物堆积于斜坡地形，坡体透水性好，降雨时雨水能快速入渗，增加坡体自重，降低土体力学强度指标，该类滑坡对降雨较敏感，降雨是诱发滑坡的主导因素。

2)在持续性降雨过程中，雨水沿岩土接触面流动，浸润、软化了滑带土，同时随时间的持续，坡体内的孔隙水压力和剪应力分布明显不均[10]，造成滑坡的失稳破坏。

3)数值模拟过程中，只探究不同的持续时间坡体内孔隙水压力的变化引起的坡体应力重分布，忽略了一些其他因素，因此建立的模型为简化模型，真实的情况往往较为复杂，本文旨在为研究降雨条件下的堆积体滑坡变形破坏机制提供参考。