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摘要：嵩县白河滑坡是受2010年7月强降雨影响诱发的上部顺层、下部微切层的大型古基岩滑坡。根据现场调查资料，阐述了滑坡区基本地质条件及滑坡基本地质特征，分析了滑坡变形牲征与成因机制。指出：白河滑坡的发生是其独特内外因共同作用的结果，坡体临空、岩层产状上陡下缓、顺向坡地质结构、岩性软硬相间、棋盘格式的裂隙网络、不良的地表排水条件等为内因，长期持续的强降雨入渗则是其外部诱因。斜坡变形破坏模式属于孔隙水压力诱发的平推式地质模式，强降雨是滑坡的触发因素。为此，本文重点从动态分析和数值模拟两个方面讨论降雨对白河滑坡的作用机理，建立了二维极限平衡状态下的临界水位高度模型并对临界水位高度进行推导，以此做为初始渗流边界条件，研究地下水水位和渗流场的时空演化过程，揭示降雨过程对滑坡稳定性的影响。
关键词：白河滑坡；成因机制；降雨；数值模拟；稳定性分析
0 引言
白河滑坡位于河南省嵩县白河乡白河街南山北坡上，为一古滑坡。在上世纪20年代曾发生过滑动，随后在70~80年代又相继出现裂隙与变形。受2010年7月3日~24日强降雨的影响，斜坡中下部古滑坡复活。整个滑坡直接威胁乡初级中学，乡政府、乡小学，乡卫生院乡等乡直单位13个、居民302户，人口2268人、屋近2000间、街道4条、水渠1条及城乡公路，潜在经济损失约3000万元[1]。
滑坡发生的最主要诱发因是降雨，降雨对滑坡的作用是一个动态的过程，一次降雨过程滑坡运动的特点是有变化的。在地下水有关的滑坡稳定性计算中及滑坡工程实践领域大多以潜水位或观测的地下水压力值来简化计算，忽略了降雨诱发滑坡的动态作用机理[2-4]。本文在对白河滑坡发育的地质特征进行分析的基础上，讨论滑坡失稳的主要因素，进而阐述其变形破坏机制。鉴于降雨对滑坡失稳影响作用之大，在二维极限平衡状态临界水位高度模型的基础上，确定滑坡临界水位高度，通过数值模拟手段，重点研究了白河滑坡因降雨入渗而引起的地下水动力场时空分布特征，分析降雨影响滑坡稳定性的变化过程。
1 滑坡地质特征
1.1 滑坡空间形态及规模
滑坡体平面总体上呈圈椅状，后缘呈弧形，侧缘呈扇形展开，前缘呈弧形，见图1。滑坡后缘高程约720m，前缘剪出口高程约551m，滑坡前缘宽200m（不包括影响区），后缘宽600m。滑坡平均坡度约30°，滑动主滑方向45°，纵向长度约710m，，面积40426m2，厚度7～25m，按平均厚度15 m计算，滑坡体积约580000×104m3。
1.2 滑坡体物质组成及结构
滑体物质组成包括两部分，上部为残坡积粉质黏土夹碎块石和老滑坡堆积体，下部为上元古界宽坪群角闪片岩。按物质组成和结构差异，自上而下在平面上将滑体分区划分为：
（1）块石堆积区。分布在滑坡后壁的斜坡地带，高程约650~670m，分布面积约2200m2，块石直径为1～3m，最大直径达4m，块石成分为上元古界宽坪群大理岩、角闪片岩。结构松散，易出现滚落，属滑后危险区。
（2）基岩裂解块体区。分布于块石堆积区之下，高程约540~650m，分布面积3万m2，主要为基岩整体下滑解裂而成，岩体虽解裂，但仍基本保持原岩层理及产状，倾向由26°→34°，倾角37°→28°→18°（如图1），地表原始地貌貌及地物受破坏很严重。
（3）粉质黏土夹碎块石区分布于前缘缓坡地带，高程551~585 m，分布面积5万m2，估计厚度1.0~25.0 m，粒径2~8cm，最大粒径50cm。土夹碎块石一部分来自由原有残坡积层；另一部分则源自滑动基岩强烈撞击碾磨破碎形成的碎块石、岩屑等。
图1 滑坡工程地质剖面图
Fig.1 Landslide engineering geology section
1.3 滑带土组成及特征
地质勘探工程证实，滑动带位于上元古界宽坪群角闪片岩顶部的软弱夹层内，其物质成分为粉质黏土夹碎石，可塑~软塑，稍湿，所勘查的岩芯有揉皱挤压现象，其原岩结构面已破坏，现有结构面上见磨光镜面和微弱擦痕。据颗粒分析资料，其颗粒组成为：粒径大于2 mm颗粒约占55%~61%，2~0.075 mm颗粒含量约占41%~49%，小于0.075mm粉粘粒含量仅占7%左右。其物理性质试验指标均值：湿密度（ρ）/干密度（ρd）为2.03/1.79 g/cm3，天然含水量（ω）13.5%，饱和含水率27.1%，比重（Gs）2.72，孔隙比（e）0.5~0.84，饱和度（Sr）67.1%，液限（WL）/塑限（WP）35.5%/20.6%，塑性指数（IP）13。
1.4 滑坡牵引拉剪变形区特征
白河滑坡滑动引起的拉（剪）变形区主要在滑坡中下游侧缘的斜坡上。据地表裂缝分布大致圈定其范围：拉（剪）变形区以滑坡体下游侧缘为界，拉剪后缘高程与滑坡体上一条大路高程一致，最下游侧边界以白河冲沟为界。拉（剪）变形区总体上呈长条形（长380 m、宽165 m），分布面积约7万m2。其特征主要为在坡体上松散堆积物中产生拉（剪）裂缝，张开宽度0.03~0.4 m不等，越靠近滑坡体裂缝张开宽度越大；裂缝走向主要为近东西向，一般与滑坡侧缘线呈小锐角斜交。
2 滑坡成因与机制分析
2.1 滑坡失稳因素分析
2.1.1 内 因
（1）地形地貌。①滑坡发生于三面临空的斜坡部位，除北东方向延伸较远之外，西南侧被白河河谷切割，无侧向约束，北侧为乡镇教学楼，三面临空的地貌条件为斜坡发育提供了有利地形；②滑坡区的地貌单元属中、低山区，于中、低山区，地形多为深切割或强切割高山陡坡深谷，斜坡坡度一般在34°左右，陡坎较多，为斜坡的变形提供了空间；③斜坡上农田分布面积大，冲沟不发育，不利于地表水排泄，从而为地表水的入渗创造了条件。
（2）岩性组合。滑坡体物质的组成主要是第四系残坡积物质，主要岩性为粉质黏土夹碎块石，块石直径约1~4m左右，结构松散，裂隙发育，有利于降水入渗，工程地质力学强度低，同时亲水性物质含量高，遇水极易软化；滑动带分布于松散覆盖层与强风化角闪片岩的接触面上，岩层软硬相间为底滑面形成创造了条件。
（3）构造条件。坡体基岩呈单斜构造，总体向白河缓倾，且倾角由上向下渐缓（37°→18°），构成典型的“靠背椅状”顺向坡地质结构，加之其中的软弱岩层受到层间剪切破坏，再叠加上风化营力作用，形成性状较差、分布连续的剪切带，为斜坡岩体重力式下滑“底滑面”的形成奠定了基础；同时，基岩中发育的两组裂隙也极易构成滑坡形成的侧缘、后缘切割边界，并为坡体下部“微切层”段“滑动带”的形成与贯通提供了前提。
2.1.2 外因
（1）持续的降雨。古滑坡部分复活，发生于2010年7月份，正值雨季，7月3日至24日降水（降水量累计612.4mm），与历年同期相比增加55mm。降雨入渗地滑坡的发生起到重要作用：①增加了坡体自重，增大了下滑力；②形成了裂隙、孔隙水渗透压力，对滑坡滑动起到平推作用；③使层间剪切带的性状进一步软化、力学参数降低；④滑坡体物质物质破碎，雨水易入渗。因此，降雨是诱发滑坡的主要因素。
（2）河水冲刷与掏蚀作用
滑坡体前缘受白河河水的侧向冲刷和掏蚀作用，致使滑坡前缘岸坡坍塌，不仅降低滑坡前缘土体的支撑和阻滑作用，同时增加了滑坡滑动的临空面，形成剪出口，为滑坡剪切破坏提供了有利条件。
（3）人类工程活动
滑坡体前缘正下方为一处教学楼，滑体下游临空，人类工程活动改变了滑坡的荷载状态，加速了滑坡变形破坏；同时农田灌溉用水以及居民生活用水入渗补给滑坡地下水位，不利于滑坡的稳定。
2.2 滑坡变形破坏机制分析
滑坡是一个复杂的动力学系统，其变形受内外因因素的影响，白河滑坡具有“推落式”力学性质与特点，表现在以下方面：
（1）坡体的变形最先发生于坡体的上部，而后逐渐由上向下传递或扩展，最终导致整体性滑坡事件的发生。斜坡在上世纪20年代曾发生过滑坡，随后在70～80年代又出现裂缝与变形，根据监测资料，后缘裂隙不断扩展。
（2）坡体发育于“靠背椅状”顺向坡地质结构。滑坡的“动力”主要源自坡体下部“阻滑段”自重“丧失”、抗滑力“损失”及中上部“下滑段”的推动。
（3）从滑坡整体来看，滑坡区存在层间错动带和前缘缓倾角裂隙性断层，这些因素会使滑坡区形成贯穿滑动面，持续的降雨不断入渗滑体内，渗透水压力不断增大，对坡体起平推作用。
3 降雨诱发滑坡动态模拟分析
3.1 临界水位高度的确定
研究降雨作用下滑坡的稳定性，关键确定模型的边界条件。降雨作用下地下水空间渗流场的动态演化过程以地下水位作为渗流的初始水位条件，因此初始临界水位高度的确定至关重要[5]。
根据滑坡稳定性计算的极限平衡原理，设滑坡体断面单宽为1 m，如图1所示。滑面不透水，降雨条件下滑体全部或部分饱水，推导出的单体滑坡稳定性系数Fs的表达式如下：
（1）
图2 单体滑坡二维极限平衡模型
Fig.2 Simplified limit-equilibrium model of the landslide
式中：ρ为滑坡体天然密度（t/m3）；ρs为滑坡体饱和密度（t/m3）；ρw为水体密度（t/m3）；α为滑动面倾角（°）；φ为滑动面内摩擦角（°）；C为滑动面内聚力（t/m2）；h为滑坡体铅直厚度（m）；h0为滑坡体饱水部分铅直厚度（m）；L为滑坡断面水平方向上的长度（m）；
为动水压力。
对一具体滑坡，式（1）中除h0为动态参数外，其它参数都是定值，滑坡稳定性系数Fs与h0的动态变化相关，对（1）式求导
（2）
因为
，滑坡稳定系数Fs与地下水水位高度h0呈单调递减关系。令Fs=1，确定临界地下水位高度h0c。
（3）
采用（3）式可以确定滑坡发生运动变形的临界地下水位，做为地下水动态模拟初始渗流条件。
将滑带土工程地质物理力学参数带入式（3）中确定白河滑坡临界地下水位高度h0c=17.83m。
3.2 计算模型及参数选取
模型参数的选取主要通过现场渗透试验、工程地质类比、反演分析以及经验取值等方法综合确定。确定方法为：滑体滑带的天然、饱和容重等由渗透试验确定；饱和体积含水量和饱和渗透系数，首先根据附近滑坡已有的试验数据或经验数据，如魏家沟滑坡等，类比滑体或滑带的类型、物质组成及结构等地质特征的差异，确定出参数取值范围，然后根据某一时段的实际降雨过程，通过参数调整，，获取后续模拟的参数；对于非饱和渗透系数，采用Rocscience-slide提供的Van Genuchten经验曲线和饱和状态参数确定。
渗流模拟饱和状态参数及稳定分析各材料的本物理力学参数、非饱和参数土水特征参数及渗透系数见表1。
表1 白河滑坡渗流模拟及稳定性计算相关参数
Table1 Baihe landslide seepage simulation and stability calculation related parameters
3.3 滑坡非稳定渗流模拟
采用Rocscience-slide有限元软件进行滑坡地下水非稳定渗流模拟和稳定性系数的计算。首先，在以上限定范围内对地质模型进行网格剖分，共剖分为4765个单元，3287个节点。渗流边界条件为：底部为隔水边界即零流量边界；左边界在初始渗流场模拟中为定水头边界（高程629m），在降雨过程中为已知流量边界；右边界在565m高程以下部分，为定水头边界，有降雨过程时为已知流量边界。白河滑坡发生于2010年7月一的次特大暴雨，从7月3日持续到7月24日，累计降水量612.4mm，最大时降雨量为19.8mm，根据降雨量测量数据记载，确定其入渗补给强度为16.8m/d。
在以上参数基础上，建立降雨入渗模型模拟分析在降雨1d，2d，3 d，5d时地下水水位分布和流动状态，模拟结果见图3-4。
图3 降雨1 d，2 d，3，5d地下总水头分布图
Fig.3 Total head water level after precipitation in 1，2，3，and 5 days
图4 降雨1 d，2 d，3，5d后地下水流速场分布图
Fig.4 Underground water flow after precipitation in 1，2，3，and and 5 days
从以上图件中可以看出，滑体中地下水分布随降雨持时的改变，流向不一致，地下水在滑体内分布不均匀。从图3（A~D）可看出，随时间增大，滑体上地下水总水头分布发生变化，入渗雨水流向由于近平行于坡面向垂直坡面转变，同时，入渗深度不断扩大；图4（A~D）中，随着降雨的持续，地下水流向由垂直逐渐向与滑动面倾向一致的方向发展。降雨达3天时，地下水水位等值线与坡体接近垂直，水流方向与滑动面倾向趋于一致。当降雨持续5d后，地下水流向与滑动面倾向比较一致，尤其是在滑体底部出现潜水流。这此表向与滑坡发生的时空特点基本一致。
将降雨入渗条件下得到的孔隙水压力用于考虑基质吸力的滑坡稳定性分析当中，降雨1 d，2 d，3 d，5d时，滑坡稳定系数对比结果见图5。
图5 稳定系数随降雨时间变化
Fig.5 Relation of precipitation time and the stability factor
4 结 论
本文在分析总结白河滑坡变形破坏机制的基础上，定义该滑坡变形破坏特征为降雨诱发型平推式滑坡，降雨是斜坡失稳的主导因素。从动态分析和数值模拟两方面分析了降雨作用下，地下水位渗流场演化过程，分析结果表明降雨期间滑坡体中地下水动力场的时空变化规律是明显的，当滑坡体中地下水流向与滑动面倾向基本一致，尤其是在滑体底部出现潜水流时，此时的地下水流动对滑坡稳定性最为不利，滑坡治理过程中，宜优先考虑地表水防渗和地下排水方案，在滑坡位移监测的同时更应考虑位移、降雨量、地下水动态三者的结合。
参考文献
[1] 河南省嵩县白河乡白河街村南山滑坡防治工程勘察报告[M]，2011.
[2] 张国炳，袁俊平，张立伟.考虑降雨对土体强度影响的公路高边坡稳定分析[J].公路，2005，（9）：107-110.
[3] 陈善雄.考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法.岩土力学，2001，（4）：71-75.
[4] 林鲁生，蒋刚.考虑降雨入渗影响的边坡稳定分析方法探讨[J].武汉大学学报，2001.34（1）：42~44.
[5] 殷坤龙，汪 洋，唐仲华[J].降雨对滑坡的作用机理及动态模拟研究.地质科技情报，2002，21（1）：77-78.
论文作者:樊涛,强林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：滑坡论文; 白河论文; 入渗论文; 地下水论文; 斜坡论文; 水位论文; 高程论文; 《基层建设》2019年第5期论文;