降雨模式对广德破碎站西侧滑坡的稳定性影响分析

胡殿坤，缪 信，姚庆健，许 峰，邵 蔚

(中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队，安徽 合肥 230031)

降雨是滑坡形成的重要因素之一[1]，降雨影响滑坡的机制主要是雨水入渗导致滑坡地下水位上升、渗透压力增大，且降雨增加了坡体自重并导致其抗剪强度降低，进而诱发滑坡产生[2-4]。以往研究中，关于降雨强度、降雨时间对滑坡的影响比较成熟，林孝松、荣冠等研究了降雨作用下的边坡地下水入渗规律[5-6]；缪海波等基于Richards传导方程和案例得出降雨历时和降雨入渗率对浅层滑坡的稳定性均有显著影响[7]。马紫娟等对降雨强度、降雨历时和地震等组合工况下的礼县烂山滑坡稳定性变化特征进行了深入研究[8]。近年来，关于在不同降雨模式工况下滑坡的渗流和稳定性影响得到了诸多学者的关注和研究。刘艳辉等根据降雨实况与全国各地区地质灾害反馈资料，划分诱发地质灾害的降雨雨型，分析总结地质灾害的特点和规律[9]。邱战洪等基于国内南方地区七子山填埋场，研究降雨条件下山谷型垃圾填埋场的水分运移规律及其稳定性[10]。胡涛等运用泊松分布统计出不同累积降雨量和不同雨型的发生概率，分析滑坡体的地下渗流场和稳定性的变化规律[11]。马云彪等根据三峡库区水位年调度周期，选取对滑坡最不利的3个阶段，分析不同降雨开始时间和不同降雨形式对滑坡稳定性的影响[12]。

专家学者对降雨模式提出了多种形式，不尽统一。本文在前人研究的基础上，归纳总结五种降雨模式，并以广德破碎站西侧滑坡为研究对象，结合有限元分析软件Geo-studio，定量分析该滑坡在不同降雨模式下孔隙水压力和稳定性变化规律。研究成果对降雨型滑坡的稳定性评价和防治具有一定的指导意义。

1 滑坡基本概况

1.1 滑坡形态、规模

2020年7月，在连续强降雨作用下，广德破碎站西侧滑坡发生变形失稳。滑坡后缘运输道路形成数十米拉张裂缝，局部区域下挫1～2 m，严重影响当地老百姓生命财产安全。根据勘查，滑坡体主滑方向为319°，后缘高程约为103.5 m，前缘高程平均约90 m，高差约10 m。滑坡纵向长约36 m，宽约60 m，面积约2 160 m2，体积约1.08万 m3。坡体物质组成主要为第四系残坡积，成分主要为粘土夹碎块石，滑坡的潜在滑动面为浅层圆弧状土质滑面，滑床为第四系坡残积粘土夹碎块石，下伏基岩为三叠系下统和龙山组灰岩。滑坡工程地质平面图如图1所示。

图1 滑坡工程地质平面图

1.2 滑坡影响因素

根据滑坡区地质环境条件和发育特征分析，滑坡形成的原因主要有以下几个方面：

(1)地形条件：滑坡处位于低山丘陵区，堆积-侵蚀、剥蚀浅丘平原，总体地形较平缓，但滑坡后缘较陡，局部坡度达到52°，有利的地形因素是该滑坡形成主要因素之一。

(2)地质条件：滑坡堆积体第四系松散层厚度较大，为滑坡体形成提供了较丰富的物质基础。第四系松散层岩性软弱，强度低，易受降雨和水的影响。

(3)降水：降雨是影响坡体稳定的自然因素中最经常发生的和最活跃的因素，是该滑坡的主要诱发因素。广德区域7 月份持续性降雨，导致水流汇集后迅速渗入坡体或沿坡而下，增大了土体的容重和孔隙水压力，减小了坡体抗滑移能力。另外由于雨水渗入，对斜坡土体起到了软化作用，造成滑面的抗剪强度降低，从而使土层产生蠕动变形，形成裂缝，最终导致滑坡形成。

(4)人类活动：滑坡后缘为运输道路，车辆行驶过程中荷载、振动对滑坡稳定性也会产生不利影响。

2 计算理论

2.1 饱和-非饱和土体渗流理论

根据广义达西定理和质量守恒原理，二维渗流的一般控制微分方程(毛昶熙，1998)[13]为：

(1)

式中：kx、ky为水平和垂直方向的饱和渗透系数；mw为储水曲线的斜率；γw为水的容重；H为渗流的总水头；Q为边界流量。

2.2 非饱和土体的稳定性理论

稳定性计算是根据非饱和土抗剪强度场采用延伸的摩尔-库仑公式(F redlund et al，1993)

τf=c′+(σ-μa)tanθ′+(μa-μw)tanθb

(2)

式中：τf为土的抗剪强度；c′为饱和土的有效粘聚力，θ′为饱和土的有效内摩擦角；σ-μa为净法向应力；μa-μw为土体基质吸力；θb为相对于基质吸力的剪切摩擦角。

3 计算模型及降雨工况

3.1 滑坡计算模型

选取滑坡代表性剖面，建立二维数值模型。二维模型包含三种材料，分别为滑坡堆积物、第四系坡残积碎块石土和下部和龙山组灰岩。模型左右为水平约束边界，即地下水位线固定水头，底部边界为竖向不透水边界，坡表为降雨条件。计算模型如图2所示。

图2 滑坡计算模型

根据滑坡勘查报告及相关现场、室内物理力学试验数据综合确定滑坡体和滑床的相关计算参数，如表1所示。滑体土水特征曲线和对应的渗透系数曲线可根据Geo-studio软件中自带的Fredlund预测模型得出，如图3所示。

表1 物理力学参数表

图3 滑体土水特征和渗透系数曲线

3.2 降雨工况

降雨工况的设置是在天然工况的基础上，叠加降雨条件进行的，计算时水位线以上的土体采用天然重度进行计算，水位线以下的土体采用饱和重度进行计算。由于边坡破坏多发生在大雨、暴雨过后，参照我国气象部门的降雨强度标准，本次数值模拟采用的降雨强度为24 h的单位边界流量3.125 mm/h。

根据前人的研究，归纳总结五种降雨模式，分别为均匀型、递增型、递减型、峰值型、峰谷型，降雨强度在0～3.125 mm/h连续变化。具体降雨工况如表2和图4所示。

表2 计算工况表

图4 五种降雨模式

4 结果分析

4.1 孔隙水压力变化规律

在上述工况设置好的基础上，首先进行渗流分析。在滑坡体内选取某一节点为代表反映不同降雨模式下孔隙水压变化情况，如图5所示。

图5 不同降雨模式下节点的孔隙水压力

通过上图，可以得出：

(1)不同降雨模式工况下，滑坡体内的孔隙水压力变化显著。均匀型、递增型、递减型、峰值型及峰谷型降雨模式的最终孔隙水压力分别为17.67、15.71、9.54、10.69和14.46 kPa，初始孔隙水压力为7.35 kPa，最大差值10.32 kPa。由此可见，不同的降雨模式对滑坡体内的孔隙水压力有显著影响。

(2)从降雨时间来看，滑坡体内的孔隙水压力变化趋势明显。随着降雨时间的增加，降雨不断入渗，均匀型、递增型降雨孔隙水压力呈不断增大趋势；峰值型降雨孔隙水压力呈先增大后减小趋势，递减型、峰谷型降雨孔隙水压力呈先减小后增大趋势，都存在一定的滞后现象。如峰值型降雨在12 h时，降雨强度开始降低，孔隙水压力在14 h才出现减小的趋势。

(3)从降雨强度变化来看，孔隙水压力变化趋势基本与降雨强度变化情况相吻合。降雨强度不变阶段：均匀型降雨(0～24 h)，初期孔隙水压力不断增大，后期增幅减小趋势。分析原因是，随着降雨时间的增加，地下水位水头差逐渐减小，雨水入渗能力下降，孔隙水压力增幅减小。

降雨强度增长阶段：递增型降雨(0-24h)、峰值型降雨(0-12h)、峰谷型降雨(12-24h)，降雨强度不断增大，孔隙水压力不断增大。

降雨强度减小阶段：递减型降雨(0-24h)、峰值型降雨(12-24h)、峰谷型降雨(0-12h)，降雨初期，降雨入渗，孔隙水压力大幅增大，随着降雨强度的降低，孔隙水压力增幅减小，递减型降雨孔隙水压力甚至有下降的趋势。

4.2 稳定性变化及分析

在渗流分析的基础上，对滑坡进行稳定性模拟，采用极限平衡法进行稳定性计算，结果图6所示。

图6 不同降雨模式下滑坡的稳定性系数

通过图6，可以得出：

(1)滑坡的稳定性受降雨作用影响明显，稳定性系数均有所下降。均匀型、递增型、递减型、峰值型、峰谷型降雨工况下，稳定性系数分别下降了3.49%、2.78%、0.72%、1.11%、2.32%，可以看出均匀型降雨对滑坡稳定性影响最大，递增型次之，且有持续下降的趋势，递减型降雨影响最小。

(2)通过对比，滑坡稳定系数的变化规律基本上与孔隙水压力变化趋势成反比。即孔隙水压力不断增大，稳定性不断减小，孔隙水压力增幅减小或略有下降时，滑坡稳定性下降幅度减小，稳定性也有所回升。

(3)初期降雨强度越大，稳定性系数下降幅度越大。这是因为降雨初期，滑坡表面土体非饱和度高，土体入渗能力和保水性强，降雨强度小于滑坡土体入渗能力，雨水基本全部入渗，随着降雨的继续，土体的含水量逐渐升高，土体的入渗能力和保水能力率逐渐降低，使得滑体的含水量增加幅度变小，孔隙水压力边增幅也较小，因此土体的稳定性系数下降幅度小。同一降雨强度出现在降雨起始阶段对滑坡稳定性的影响与出现在其他阶段相比偏大，因此在强降雨初期要特别做好滑坡的防护措施。

5 结语

(1)不同的降雨模式对滑坡体内的孔隙水压力有明显影响，孔隙水压力随着降雨强度的变化呈现出相对应的趋势。降雨强度不断增大，孔隙水压力不断增大；降雨强度降低，孔隙水压力增幅减小，甚至有下降的趋势。

(2)滑坡稳定系数的变化规律基本上与孔隙水压力变化趋势成反比。即孔隙水压力不断增大，稳定性不断减小，孔隙水压力增幅减小或略有下降时，滑坡稳定性下降幅度减小，稳定性也有所回升。

(3)滑坡的稳定性受降雨作用影响明显，均匀型、递增型降雨对滑坡稳定性影响大，递减型降雨影响最小。

(4)降雨初期，坡体稳定性系数都有较大幅度降低，随着降雨时间增长，递增型降雨模式下滑坡体稳定性系数不断下降，且有持续下降的趋势。因此降雨初期和递增型降雨模式下，应加强度对滑坡的变形监测和必要的防范措施。