云南地区降雨诱发堆积体边坡失稳的力学机理研究

王建洪， 田 明， 邹云丽， 王 进， 付晓东

(1.云南大永高速公路有限公司， 云南 大理 671000；2.云南省交通投资建设集团有限公司， 云南 昆明 650200； 3.成都兴城建设管理有限公司， 四川 成都 610011；4.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430071)

云南是我国滑坡地质灾害最严重的省份之一。云南之所以地质灾害活动频繁，是因为在漫长的地质演化过程中，地壳大幅度抬升，形成了群山起伏、江河深嵌、斜坡高陡的地貌特点，使得该地区成为地质灾害孕育的理想场所[1]。大量文献曾报道，降雨作用下该地区的欠稳定坡体极易演化为地质灾害[2-4]。

国内外学者通过原位监测、模型试验和数值模拟等手段分析了降雨过程中边坡的力学响应规律，研究了边坡失稳力学机理[5-7]。詹良通等[8]对非饱和膨胀土边坡进行了原位人工降雨试验和综合监测，发现降雨使浅层土体含水率大幅度增大，基质吸力降低，从而造成土体强度降低，水平应力和竖向应力的比值接近极限值。Okura等[9]通过模型试验发现降雨导致边坡孔隙水压力的上升是诱发滑坡的主要原因。田海等[10]采用新型介质雾化喷嘴离心场降雨模拟设备开展了松散堆积体边坡试验，指出随降雨量的增大，边坡顶部沉降及坡面水平位移逐渐发展，坡面逐层产生破坏，最终形成泥石流形态。戚国庆等[11]和荣冠等[12]运用有限元方法开发了边坡非饱和渗流计算程序，并研究了降雨作用下滑坡基质吸力和暂态饱和区的响应规律。刘礼领等[13]和吴火珍等[14]都运用GeoStudio软件对降雨作用下的滑坡响应过程进行了研究，获得了有益的结论，但目前对降雨作用下的滑坡响应规律研究缺乏系统性。

由于云南地区降雨条件的复杂性和独特性，使得边坡失稳力学机理具有其自身的特殊性。针对云南地区具有代表性的堆积体边坡，在分析云南地区降雨特征的基础上，采用GeoStudio软件的SEEP/W、Sigma/W模块开展饱和非饱和渗流-应力非耦合分析，模拟了均匀与波动性降雨下边坡的响应过程，揭示了降雨诱发堆积体边坡失稳的力学机理。

1 典型滑坡与降雨的相关性

通过对21世纪以来云南地区29起典型滑坡地质灾害的调查，基于中国地面气候资料日值数据集对灾害发生当天及前9天内每天的降雨量进行了统计分析。根据中国气象局根据不同的日降雨量发布了的降雨类型标准(见表1)，对9天内的降雨类型进行分类，研究滑坡与降雨之间的关系。

表1 不同雨型的日降雨量

图1统计了滑坡发生前9天内每天的降雨类型，小雨和无雨在滑坡发生前的4 d～9 d内出现的比例相对较高，合计比例约占所有滑坡数量的80%。中雨及其以上降雨在滑坡发生前1 d～3 d内出现的比例相对于后几天来说，有所提高，约为30%。由此说明，滑坡发生前的降雨以无雨和小雨为主，中雨及其以上降雨发生的概率在滑坡发生前1 d～3 d内有所提高，在滑坡发生当天最高，上升为52%。

图1 滑坡发生前每天的降雨统计

分析滑坡当天及前9天内的降雨情况，从滑坡发生的时间看，有86%的滑坡发生在雨季；从滑坡发生当天的降雨情况看，仅有10%的滑坡发生当天未下雨，有超过50%的滑坡当天下了中雨及以上级别的雨；从滑坡发生前的降雨天数看，所有滑坡在前9 d内都出现了4 d以上的降雨，有55%的滑坡出现了4天连续降雨的情况；从前9天的雨型看，滑坡发生前4 d～9 d内，以无雨或小于为主，前1 d～3 d内，中雨及以上级别降雨的概率上升为30%，当天降雨上升为52%。上述分析表明，降雨是引发云南地区滑坡的主要因素之一，滑坡的发生是前期降雨和当天降雨共同作用的结果。

2 云南地区的降雨特征

西部横断山区是云南省降雨引发型滑坡的典型发育区，选取丽江、香格里拉两个气象站在2010年—2014年的逐日降雨量进行统计分析，一次极端降雨事件(大雨或暴雨)的持续时间为2 d～16 d，累积降雨量为34.4 mm～223.1 mm。

一次降雨事件的雨量分布统计表明该区的降雨时程由一次或多次中雨以上的降雨与若干次小雨组成，中雨以上的降雨在降雨事件中多为峰值，按照峰值的数量，可将降雨事件分为多值型和单值型，分别见图2、图3。多值型的主要特征为降雨时程曲线多次取得局部峰值；单值型的主要特征为降雨时程曲线只存在一次峰值，其他时间降雨量向峰值两侧逐渐减小。两地共发生极端降雨事件24次，其中单值型降雨事件13次，占全部极端降雨事件的57%，所有单值型的降雨事件持续时间都在7 d以下；多值型降雨事件11次，其中持续时间在7 d以上的共10次，占全部单值型降雨事件的90%。因此，研究区的极端降雨类型主要为单值型和多值型，单值型降雨事件的持续时间一般小于7 d，而多值型降雨事件的持续时间一般大于7 d。

图2 多值型降雨类型的时程曲线

图3 单值型降雨类型的时程曲线

3 降雨诱发堆积体边坡失稳机理

3.1 分析模型与降雨工况

云南省降雨型滑坡地质灾害的调查统计表明，灾害易发于第四系松散堆积物较厚的区域，结构松散，以粉质黏土夹碎石为主要成分，称之为碎石土。根据该特点，建立了图4的数值分析模型，x方向的范围为0 m～35 m，y方向的范围为0 m～20 m，坡度为45°；模型上部为碎石土，下部为基岩。模拟采用GeoStudio软件，碎石土的土水特征曲线和渗透性函数曲线采用Fredlund-Xing模型；上覆堆积体基质吸力初始值为50 kPa。进行渗流分析时，坡体左右两边和底边为不透水边界，坡面为流量边界，流量大小受降雨强度函数控制，见图5，降雨工况采用均匀型、单值型与多值型三种降雨模式的，研究波动性对降雨诱发滑坡的影响。

图4 堆积体边坡的概化模型

图5 降雨时程曲线

3.2 计算结果分析

3.2.1 渗流

图6给出了深度0.2 m、2.2 m、4.2 m处渗流速度随时间的变化曲线。0.2 m处，在整个降雨过程中，均匀型降雨的流速曲线变化较平缓，单值型降雨的流速曲线呈现先增大后减小的单峰值特征，多值型降雨的流速曲线则波动出现了三次峰值，与降雨时程曲线变化规律一致；渗流均在24 h时发生，发生时单值型和多值型的流速相同，小于均匀型的情况，渗流在216 h时基本结束。最大流速出现在96 h时，单值型略大于多值型，而均匀型最小。2.2 m处，均匀型降雨渗流发生在72 h时，而对于单值型和多值型降雨，渗流则出现在96 h时，晚于均匀型降雨；对于单值型和多值型降雨，峰值流速出现在120 h，单值型略大于多值型，相对于0.2 m处的峰值要小的多，而均匀型降雨的峰值出现在144 h，峰值较多值型降雨小。4.2 m处三种降雨类型的渗流速度曲线形状趋于一致，由棱角向圆滑变化的趋势。对于渗流出现的时间，单值型和多值型出现在144 h，而均匀型则出现在168 h。

图6 不同深度渗流速度随时间的变化

综上，从流速曲线形状的变化及峰值的大小可以发现，流速曲线与降雨过程曲线吻合度随深度的增加而降低，流速的峰值随着深度的增加也在被削弱，因此，说明降雨模式对于边坡渗流场流速的影响随深度的增加而降低。从渗流发生时间的差异来看，随着深度的增加，渗流场由同时发生变为均匀型先发生，反转为单值型和多值型先发生，因此，说明雨型对渗流场的发展速度有一定的影响，均匀型对渗流场的浅层扩散速度有明显的促进作用，单值型和多值型对于渗流场的深层扩散有明显的扩散作用。

3.2.2 基质吸力

通过研究不同降雨模式下基质吸力随深度和时间的变化曲线发现，均匀型降雨作用下，受影响土体基质吸力变为6.3 kPa并且在整个降雨过程中维持不变，随着降雨的结束，8 d时，2.2 m范围内的土体由于雨水的停止供给和自由水的流失，基质吸力开始逐步恢复。单值型降雨作用下，表层土体含水率不断升高，基质吸力降低，到第4天结束时，1 m范围内的土体基质吸力将至最低值4.6 kPa，此时，降雨峰值已结束。随着降雨的继续，湿润锋继续下移，深部土体的基质吸力继续降低，降低幅度没有之前大，虽然此时降雨仍在继续，但浅层的土体的基质吸力在逐步恢复，第7天降雨结束时，0.2 m处土体的基质吸力已恢复致7.9 kPa，4.7 m处土体的基质吸力也为7.1 kPa。多值型降雨作用下，一定范围土体的基质吸力随降雨的波动发生明显的波动，降雨强度增加时，基质吸力降低，降雨强度降低时，基质吸力增加，但影响深度有限。

3.2.3 位移

图7绘制了不同时刻边坡不同深度的位移曲线。可见第2天结束时，均匀型的位移值较大，而在第7天和第10天结束时，单值型和多值型的位移已远超均匀型，且多值型的变形量最大。

图7 不同降雨模式下的边坡位移曲线

塑性区是判断边坡失稳最直观的依据，通过观测边坡在降雨作用下的塑性区发展规律，图8—图10分别绘制了均匀型、单值型与多值型三种降雨模式下边坡的塑性区发展。单值型降雨仅在坡脚位置发生微量塑性区，单值型降雨在77.5 h时，坡脚已完全进入塑性状态，91.5 h时，塑性区基本沿滑面贯通。多值型降雨在68.5 h时，坡脚已完全进入塑性状态，早于单值型降雨，同样在80 h时塑性区基本沿滑面贯通，同样早于单值型降雨。

图8 均匀性降雨作用下的塑性区发展

图9 单值型降雨作用下的塑性区发展

图10 多值型降雨作用下的塑性区发展

4 结 论

(1) 滑坡的发生是前期降雨和当日降雨共同作用的结果，云南地区降雨具有多值型和单值型特征。

(2) 通过均匀型、单值型与多值型降雨条件下堆积体边坡的力学响应分析，揭示了波动性对降雨诱发滑坡的影响机制：波动性降雨的影响范围大，坡脚的应力集中程度高，更容易导致滑坡的发生；多值型降雨比单值型降雨影响范围更广，形成的滑面更深，边坡塑性发展阶段产生的位移更大，降雨诱发滑坡所需的时间更短。

(3) 降雨致滑机理可以归纳为：雨水入渗使得碎石土饱和，基质吸力降低；坡内应力状态调整，坡脚出现剪应力集中现象；剪应力的增加造成土体屈服，使得坡脚土体进入塑性状态，产生较大的塑性变形；随着坡脚土体的破坏，滑坡前缘阻滑能力丧失，造成塑性区不断向上发展；当塑性区贯通后，滑动面形成，发生失稳破坏。