福建永泰上新厝滑坡发育过程及形成机理分析

林 荧

(1.福建省地质灾害重点实验室，福州，350002；2.国土资源部丘陵山地地质灾害重点实验室，福州，350002)

降雨是目前普遍认为诱发滑坡灾害的最主要因素[1]。一个多世纪以来，大量的学者投入到降雨对滑坡的稳定性研究中，提出了大量降雨对滑坡的影响机制模型[2]。20世纪90年代，陈守义[3]在非饱和土力学理论的基础上，提出了考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法，运用常规的稳定性分析方法求得瞬态条件下的边坡稳定性系数。吴宏伟等[4]采用有限元法对典型非饱和土斜坡开展分析，模拟雨水入渗条件下斜坡体内暂态渗流场变化情况，采用极限平衡法对暂态孔隙水压力分布进行分析。李兆平等[5]以试样体积含水率作为控制变量，建立了基于非饱和土水分运动基本理论的降雨入渗过程中土体瞬态含水率的计算模型；同时采用非饱和土强度理论和极限平衡方法，得出了非饱和状态下边坡安全系数计算公式。王叶娇[6]运用分形模型预测非饱和土的水理特性，从土质特性参数、降雨强度、边坡集合特性参数及数值地下水位深度等参数，以最小安全系数为指标，分析对斜坡稳定性的影响。此外，还有大量学者[7-9]对岩土体形状及参数对边坡的可靠度进行分析，以达到稳定性求解的目的。

虽然对于降雨诱发滑坡的影响机制已经研究较多，但针对台风暴雨条件下(极端强降雨)的滑坡成因机制研究相对较少。为此针对永泰上新厝滑坡开展研究，在获取地质灾害研究区地质环境特征的基础上，以非饱和渗流理论为基础，结合滑坡发生前后的应力场、渗流场，计算得出降雨、地下水条件下滑坡的致灾机理。该滑坡受强降雨诱发，运动过程中遭到解体破坏，有东南沿海台风暴雨型滑坡的典型破坏特征，具有一定的研究价值，可为台风暴雨型滑坡的研究提供参考。

1 研究区地质环境概况

1.1 地形(地貌)

永泰上新厝滑坡区域地貌类型属于低山地貌，西南高东北低，斜坡自然坡度30°～45°。选取典型滑坡位于洋里村上新厝境内，宽度约105 m，高度18～25 m，坡度40°～60°，坡向南西240°。坡脚距房屋0.5～2 m，房后有2处泉眼出露。中上部原始坡面植被茂盛，杂草遍布，以松树为主。

1.2 地质及岩土体特征

滑坡场地原状岩土体包括表层的残坡积黏性土(以下简称残坡积黏性土)，呈灰黄色，稍湿-湿，可塑-硬塑，土层残余结构较明显。下伏基岩为侏罗纪南园组凝灰熔岩，根据钻探揭露，由上至下依次为全风化凝灰熔岩、散体状强风化凝灰熔岩、碎裂状强风化凝灰熔岩和中风化凝灰熔岩。根据室内试验成果，场地岩土体强度参数(表 1)。

表1 场地岩土体强度参数

1.3 气象水文

滑坡区域属亚热带季风区，气候温暖湿润，年平均气温19.3℃，年平均降水量为1 639 mm，其中6～9月份为台风季节，台风往往会造成局部高强度降雨，易诱发地质灾害。

该场地边坡A汇水面积约为2.5万m2,汇水面积较大。地下水主要以孔隙水和基岩裂隙水为主。在滑坡所在边坡坡底见2处泉点出露，涌水量为0.02～0.10 l/s，涌水量主要受季节控制。

2 滑坡基本特征

在2015-08-08T17：30，受强台风“苏迪罗”影响，福建东南部山区过程降雨量达到356 mm。受极端强降雨影响，永泰境内发生大量滑坡地质灾害。据气象资料显示，滑坡发生前1 h降雨量达到50 mm/h,滑坡发生期间降雨量达155.1 mm/h。

在大量滑坡中，具有代表性的为上新厝滑坡。上新厝滑坡宽约35 m，主轴长约30 m，厚度2.5～4.0 m，土方量约4 000 m3,滑向北东65°。从现场滑坡及崩塌后坡面岩土体出露情况，结合现场调绘及钻探揭露的地层情况，滑坡及崩塌体主要由上部残坡积黏性土和全风化凝灰熔岩及部分散体状强风化凝灰熔岩组成，据此推测滑坡主要沿残积黏性土滑坡堆积体堆积于坡脚，由于滑坡坡面上有泉水渗出(原边坡坡脚2处泉眼处)，堆积体处于相对饱和状态。

根据滑坡滑移前出现多级裂缝情况，推断滑坡模式为牵引式。土方堆积至坡脚下方，冲毁2幢砖砌结构民房(图1)。

图1 永泰上新厝滑坡平面图(a)及剖面图(b)Fig.1 Shangxincuo landslide plan (a) and section (b) map in Yongtai county

3 滑坡变形过程模拟及机理分析

3.1 数值计算方法

研究采用Geo-Studio软件进行分析。根据实测的区域地形地貌、场地岩土体特征汇总参数、地下水等条件建立计算模型，在初始模型确定后，通过软件中的边坡稳定性模块计算滑坡初始稳定性(滑移前)。稳定性计算采用条分法，计算模型采用计算假定最少的Mongenstern-Price模型。对于降雨过程的考虑，主要采用软件中的渗流模块进行非饱和渗流分析，非饱和渗流模型采用Van Genuchten的基于统计法所建立的水力传导函数模型，即如下非饱和土水力传导函数闭形解析表达形式。

式中：a、n和m分别为Van Genuchten( 1980)土水特征曲线模型中的拟合参数。

该计算式中的拟合参数可通过土水特征曲线数据拟合得出，但拟合过程较为复杂，且无实测土水特征曲线。因此，研究将在该模型基础上利用软件的估计功能，根据土体材料特性的一般经验特性、实测饱和含水率、体积压缩系数估计土体渗透系数体积含水率-基质吸力函数，在得出含水率-基质吸力函数的基础上，根据实测土体残余水饱和度、饱和渗透系数等条件估算土体的基质吸力-传导系数函数。

针对上新厝滑坡，土体材料和渗透系数为已知条件，土体天然状态饱和度根据土体状态(稍湿)，取0.3 m3/m3的经验值，饱和状态含水率取0.9 m3/m3。最终得出体积含水率-基质吸力、基质吸力-传导系数函数曲线(图2)。根据上述函数体现出的土体非饱和渗流特性，结合滑坡发生时的降雨条件，可模拟出不同降雨工况下土体渗流场，进而得出土体孔隙水压力分布及变化情况，借助有效应力原理，获得降雨条件下土体强度特征，从而计算出降雨条件下滑坡稳定性情况，得出最终滑坡失稳机理。

图2 体积含水率-基质吸力函数(a)及基质吸力-传导系数函数(b)Fig.2 Bulk moisture content-matrix suction function (a) and matrix suction-conduction coefficient function (b)

3.2 滑坡稳定性分析计算结果

3.2.1 天然工况下滑坡稳定性分析

该区天然状况下，地下水位较高，尤其在坡脚处地下水位高出地表形成渗流。坡脚土体长期处于饱水状态，对斜坡稳定性不利。计算过程中，岩土体强度在地下水位以上取天然值，地下水位以下取饱和值。通过计算得出的滑坡在天然状态下稳定性系数为1.15(图3-a)，处于欠稳定状态，符合滑坡滑移前边坡实际情况。

3.2.2 降雨工况下滑坡渗流场分析

根据滑坡发生时的降雨资料，滑坡前1 h降雨量约为50 mm，滑坡发生过程中1 h降雨量为155.1 mm。将该降雨量转化为坡面流量作为附加边界条件开展模拟，模拟结果(图 3-b、图3-c)。从模拟得出的渗流情况看，在经过50 mm/1 h的降雨后，滑坡表层残坡积黏性土含水量明显增加，表层局部出现小范围的暂态饱和区，此时坡面水体并未完全入渗，但值得一提的是，此时坡体局部甚至出现超孔隙水压力，产生这种现象的原因为土体在初期干燥状态下表现出较强的基质吸力，使得土壤渗透性较差，降雨入渗率低，使得大部分水体未来得及入渗，而以地表径流或积水的形式存在，形成局部的超孔隙水压。而经过第二阶段155.1 mm/1h的降水，渗流趋于稳定，滑坡表层土体大部分已饱和，地下水位也明显增高，从边坡坡脚渗流条件上看，地下水在坡脚渗流溢出，在坡脚处形成向上的渗透压力，这对于滑坡体的稳定性也是极为不利的。

3.2.3 降雨工况下滑坡稳定性分析

经过2 h强降雨后，上部土体基本处于饱和状态，土体强度降低明显，土体容重增加，滑坡稳定性急剧降低。另外地下水的抬升也对滑坡形成向上的渗透压，形成扬压力，对斜坡稳定性不利。通过计算得出，滑坡在2 h降雨条件下，稳定性系数下降为0.86(图3-d)，处于不稳定状态，滑坡将会发生失稳破坏，这与实际情况一致。

图3 滑坡稳定性分析数值计算成果Fig.3 Numerical calculation results of landslide stability analysis

4 结论

(1)永泰上新厝滑坡发育于丘陵山地的低山地貌区，滑坡形成于台风暴雨期间，具有典型台风暴雨型滑坡特征。滑体沿上部覆盖层和下部基岩面滑移，涉及土方量约 4 000 m3。

(2)滑坡在降雨过程中，首先土体含水率升高，并在地表形成暂态饱和区。随着降雨历时和强度增加，土体逐步趋于全面饱和。模拟得出的滑坡渗流特征符合实际情况。

(3)滑坡在天然工况下处于欠稳定状态，在降雨工况下，表层土体基本饱和，地下水位升高，滑坡处于不稳定状态，滑坡的稳定性特征也与实际相符。

(4)滑坡形成的主要原因包括内因和外因2种。内因主要为前期人工开挖边坡使坡脚地下水溢出，形成向上的渗透压，并使坡脚土体强度降低，边坡在天然工况下便处于欠稳定状态。外因主要为台风带来的强降雨导致的土体饱和以及地下水位升高，进一步降低了滑坡稳定性。