，　，，,2，

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，成都　610059；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院 勘察技術(shù)與工程學(xué)院，石家莊　050031)

1　研究背景

各種自然因素引發(fā)的滑坡中，以降雨誘發(fā)的滑坡，即降雨型滑坡分布地域最廣、頻度最高、造成的災(zāi)害最為嚴(yán)重[1]。2011年“9·16”特大暴雨觸發(fā)了南江縣1 162處淺層土質(zhì)滑坡，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和文獻(xiàn)資料可知：南江縣淺層土質(zhì)滑坡滑體厚度薄，大多數(shù)在1～5 m范圍內(nèi)，滑體物質(zhì)組成多為粉質(zhì)黏土或粉質(zhì)黏土夾碎石，坡度較緩，主要集中在10°～30°之間；受坡厚、坡度、入滲深度等因素的影響，破壞大多沿著堆積層和基巖面的交界面整體滑動(dòng)[2-3]。降雨是誘發(fā)紅層區(qū)淺層土質(zhì)滑坡最主要的外界因素，其中強(qiáng)降雨是誘發(fā)滑坡變形破壞的重要因素[4-6]。

目前，研究降雨型滑坡的方法主要分2種：一種是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究區(qū)域性滑坡發(fā)生的相關(guān)規(guī)律[7-8]；另一種是從致災(zāi)機(jī)理的角度出發(fā)，分析入滲過程中坡體內(nèi)部滲流場(chǎng)及巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律[9-11]。而針對(duì)單積滑坡，大多是通過室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方法，結(jié)合簡(jiǎn)單的地質(zhì)資料和雨量數(shù)據(jù)，對(duì)坡體的入滲過程進(jìn)行分析。但模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中人為因素的影響較大，尺寸效應(yīng)明顯，難以再現(xiàn)真實(shí)情況，有必要結(jié)合具體的工程實(shí)例對(duì)斜坡入滲規(guī)律及其對(duì)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。

本文以南江縣古墳坪滑坡為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算，分析滑坡的入滲規(guī)律及降雨對(duì)其穩(wěn)定性影響，從而了解滑坡中水-土相互作用的致災(zāi)機(jī)理，為降雨誘發(fā)該類典型滑坡的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、危險(xiǎn)性評(píng)估及災(zāi)害治理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2　古墳坪滑坡概況

2.1　基本工程地質(zhì)條件

古墳坪滑坡地處米倉(cāng)山南麓，地理坐標(biāo)為106°46′33.30″E，32°21′46.45″N。地勢(shì)總體上北高南低，地貌形態(tài)為淺中切割剝蝕(侵蝕)中(低)山地貌，地層巖性為侏羅系下統(tǒng)白田壩組(Jb)長(zhǎng)石砂巖，中厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀133°∠23°，裂隙發(fā)育。斜坡表面被開墾為大量階梯狀的水田和耕地，坡向132°，坡度較緩。地下水類型為孔隙水和基巖裂隙水，并以基巖裂隙水為主。研究區(qū)巖土層自上而下依次為耕植土、粉質(zhì)黏土夾碎(塊)石、基巖，各層與坡面平行。圖1為南江縣永紅村1社古墳坪滑坡工程地質(zhì)平面圖及其1-1′工程地質(zhì)剖面圖。

圖1　南江縣永紅村1社古墳坪滑坡工程地質(zhì)平面圖 及其1-1′工程地質(zhì)剖面圖

2.2　滑體特征

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，滑坡處于山體中下部，整體形態(tài)呈后緣寬，前緣窄的特點(diǎn)。縱向上呈臺(tái)階狀，滑坡前緣高程為630 m，后緣高程為731 m，相對(duì)高程約99 m，滑坡前緣寬度約 50 m，后緣寬度120 m，軸向縱長(zhǎng)250 m，滑移變形主要方向?yàn)?31°，滑體厚度3.8～7.2 m，平均厚度3.5 m，總體積約5.81×104m3，為一淺層牽引式小型滑坡?；w物質(zhì)成分主要為粉質(zhì)黏土夾碎塊石，黃褐色，稍濕，可塑，強(qiáng)度中等，塊石含量達(dá)20%～30%，巖質(zhì)為長(zhǎng)石砂巖，粒徑為10～80 cm，中風(fēng)化。碎石多為砂巖角礫，呈棱角狀，含量10%～35%，粒徑1～10 cm。滑坡前緣隆起，后緣大面積出露基巖，巖性為炭質(zhì)泥巖?；掠覀?cè)為沖溝，沖溝深1.5 m，滑坡左側(cè)后半部為陡坎，高差約1 m，前半部分為沖溝，沖溝延伸方向與滑坡滑動(dòng)方向一致。

3　儀器布置

為分析含水率和基質(zhì)吸力對(duì)于坡體穩(wěn)定性的影響，筆者對(duì)南江縣古墳坪滑坡進(jìn)行了體積含水率和基質(zhì)吸力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。由于滑坡已經(jīng)發(fā)生，其結(jié)構(gòu)和地形地貌已經(jīng)改變，為了準(zhǔn)確描述滑坡前坡體的入滲情況，分別在滑坡區(qū)(1#監(jiān)測(cè)點(diǎn))及其鄰近區(qū)域后緣(2#監(jiān)測(cè)點(diǎn))分別設(shè)置了1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)為106°46′27.67″E，32°21′47.82″N，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)為106°46′26.27″E，32°21′45.73″N?；聟^(qū)及其鄰近區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置情況如圖2所示。

圖2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

監(jiān)測(cè)點(diǎn)都布置了由3個(gè)土壤水分傳感器、2個(gè)土壤水勢(shì)傳感器和1個(gè)數(shù)據(jù)采集儀組成的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。傳感器均選用美國(guó)Decagon公司研制的電介質(zhì)型EC-5土壤水分傳感器和MPS-6土壤水勢(shì)傳感器。MPS-6的測(cè)量范圍：濕潤(rùn)土壤(-9 kPa)到風(fēng)干土(-100,000 kPa)都可測(cè)量，測(cè)量精度：0.1 kPa。EC-5的測(cè)量范圍：0～100%，精度：±(1～2)%。為方便數(shù)據(jù)采集，傳感器的數(shù)據(jù)均由EM50進(jìn)行自動(dòng)采集，采集儀安裝在密封防雨的防護(hù)箱內(nèi)(圖3)。EM50采集時(shí)間間隔為5 min，采集完成后可通過USB線直接讀取。為了監(jiān)測(cè)邊坡每個(gè)層面的入滲情況，傳感器的埋深按照耕植土層、黏土夾碎(塊)石層、基巖分別埋置在各層中，埋置深度為0.3,0.7,1.3 m(圖4)。

圖3　數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)

圖4　監(jiān)測(cè)儀器埋深

4　監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)2016年3月10日至2016年7月16日之間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)4月14日以前降雨較為集中，但降雨量較小，最大降雨量為23 mm。4月14日以后降雨相對(duì)比較分散，日降雨量大多超過15 mm，且期間發(fā)生了3次日降雨量超過100 mm的大暴雨，這3次強(qiáng)降雨對(duì)于坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的影響。降雨量較小時(shí)斜坡以垂直入滲為主，降雨量較大時(shí)斜坡以基巖面匯水入滲(或裂隙匯水入滲)和垂直入滲為主。

4.1　監(jiān)測(cè)區(qū)初始含水率分析

圖5為1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)與2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始體積含水率隨深度的變化曲線，從圖中可以明顯的看出在滑坡區(qū)及其鄰近區(qū)域初始體積含水率的分布明顯不同。

由圖5可知：

圖5　各測(cè)點(diǎn)初始體積含水率隨深度的變化關(guān)系

(1)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于滑坡區(qū)域內(nèi)，其0.3,0.7,1.3 m深度處初始體積含水率分別為11.2%,25.3%,30.7%，體積含水率隨深度的增加而增加。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，由于該滑坡在整體滑動(dòng)的過程中，在滑坡的后緣逐漸形成拉陷槽，導(dǎo)致后緣基巖面出露。降雨時(shí)雨水沿著出露的基巖面入滲，使得基巖面最先達(dá)到飽和。且基巖匯水點(diǎn)與1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在的高差形成了壓力水頭使得水流從下往上滲流，因此初始體積含水率表現(xiàn)為隨深度的增加而增加。1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)降雨入滲方式主要是垂直入滲和基巖面匯水入滲。

(2)2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于滑坡區(qū)的鄰近區(qū)域，坡體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生擾動(dòng)，初始體積含水率與1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)明顯不同，0.3,0.7,1.3 m深度處體積含水率分別為26.1%,20.3%,18.8%，初始體積含水率隨深度的增加而減小?？紤]到斜坡后緣存在可能延伸至基巖面的裂縫，斜坡降雨入滲的方式為裂隙匯水入滲和垂直入滲，主要以垂直入滲為主。

4.2　體積含水率變化分析

圖6　體積含水率和日降雨量關(guān)系

通過分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)2016年3月10日至2016年7月14日期間體積含水率(VWC)與日降雨量隨時(shí)間的變化(圖6)，可得如下結(jié)論：

(1)斜坡的入滲規(guī)律受坡體結(jié)構(gòu)的影響較大，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于滑坡鄰近區(qū)域，該處坡體并未發(fā)生滑坡，與一般情況下降雨入滲規(guī)律相同，斜坡淺層體積含水率對(duì)雨水的響應(yīng)最為迅速。但1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)深層體積含水率卻先于淺層響應(yīng)，說明在基巖面處存在一個(gè)入滲的優(yōu)勢(shì)通道，雨水通過該優(yōu)勢(shì)通道優(yōu)先到達(dá)1.3 m深度處。

(2)日降雨量越大，影響深度越大。4月14日前降雨量較小，最大日降雨量不超過23 mm，除了淺層(0.3 m)及滑坡區(qū)的基巖面，深層體積含水率均未發(fā)生明顯的變化。 4月14日后，發(fā)生3次大暴雨，日降雨量均超過100 mm，降雨時(shí)各層體積含水率均迅速升高，降雨停止后，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)淺層體積含水率緩慢減小，深層體積含水率由于排泄、蒸發(fā)困難，體積含水率先維持了一段時(shí)間不變，然后才開始減小。但1#測(cè)點(diǎn)坡體結(jié)構(gòu)疏松，排泄相對(duì)較快，降雨停止后各層體積含水率就開始下降。

(3)淺層體積含水率曲線呈鋸齒狀，入滲前鋒到達(dá)時(shí)體積含水率迅速增加，體積含水率曲線的斜率變得非常大，前鋒過后體積含水率迅速回落至一定值，此后開始慢慢地下降，且回落值大于降雨開始前的體積含水率，反映了斜坡在表面無積水的情況下很難保持飽和狀態(tài)，土中水在重力作用下往下運(yùn)移。

(4)受深度的影響，強(qiáng)降雨后深層土體雨水排泄困難，土體形成暫態(tài)飽和區(qū)，體積含水率曲線表現(xiàn)為降雨時(shí)含水率先迅速增加，降雨停止后暫時(shí)維持不變，一段時(shí)間后緩慢減小。

4.3　基質(zhì)吸力變化分析

圖7為1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)與2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)基質(zhì)吸力(MS)和日降雨量的關(guān)系曲線。由于監(jiān)測(cè)過程中數(shù)據(jù)采集儀中連接0.3 m處基質(zhì)吸力接頭松動(dòng)，所以未采集到此處數(shù)據(jù)。

圖7　基質(zhì)吸力和日降雨量的關(guān)系

通過分析可知：

(1)降雨與基質(zhì)吸力變化存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)為降雨時(shí)基質(zhì)吸力減小，降雨停止后基質(zhì)吸力增加。

(2)斜坡在降雨量較小的情況下，深層基質(zhì)吸力曲線基本保持不變，說明降雨量較小時(shí)，降雨入滲深度有限，深層土體基本不受降雨控制。當(dāng)日降雨量>115 mm時(shí)，基質(zhì)吸力開始減小，直至減小到9 kPa左右，土體達(dá)到飽和。

4.4　邊坡穩(wěn)定性分析

降雨條件下淺層土質(zhì)滑坡的滑面通常與坡面平行，計(jì)算時(shí)可采用無限邊坡模型(邊坡長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于坡高)進(jìn)行分析[12-13]，模型如圖8所示。

圖8　無限邊坡模型

假設(shè)斜坡鉛錘高度為H，坡角為α，滑裂面深度為h的無限邊坡(圖8)，南江紅層地區(qū)的邊坡長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于邊坡高度，滿足無限邊坡模型，其穩(wěn)定性系數(shù)Fs可以表示為

(1)

式中：γ為土的總重度;c′為有效黏聚力;φ′為有效內(nèi)摩擦角;uw為孔隙水壓力。土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′,φ′均與基質(zhì)吸力無關(guān)。考慮基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，從非飽和土本身的力學(xué)特性出發(fā)，結(jié)合Fredlund提出的非飽和土雙變量強(qiáng)度公式[14-15]，假定孔隙氣壓力ua=0時(shí)，無限邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)可以表達(dá)為

(2)

式中φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角。

由式(2)可以定量地計(jì)算2016年3月10日至2016年7月16日降雨對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響。其中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)1.3 m深處基質(zhì)吸力土-水特征曲線的經(jīng)驗(yàn)擬合公式為[16]

(3)

式中：θ為體積含水率;θs為飽和體積含水率;us為基質(zhì)吸力;a,b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

坡度α=20°，土體參數(shù)如表1所示[17]。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在各深度處隨時(shí)間的變化的曲線如圖9。

表1　監(jiān)測(cè)區(qū)土體參數(shù)

圖9　穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

通過對(duì)監(jiān)測(cè)期間坡體的穩(wěn)定性分析可知：滑坡區(qū)雖然已經(jīng)滑動(dòng)過，但現(xiàn)階段處于穩(wěn)定狀態(tài)。斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨深度的增加而減小，但基巖面處穩(wěn)定性系數(shù)仍然>1，斜坡穩(wěn)定，與實(shí)際情況相符。淺表層土體受雨水沖刷、侵蝕等影響，降雨對(duì)于淺表層土體的穩(wěn)定性影響最大，曲線波動(dòng)較大，但穩(wěn)定性仍高于深部土體?；聟^(qū)土體較為松散，降雨對(duì)其穩(wěn)定性影響大于鄰近區(qū)域，且各深度處穩(wěn)定性系數(shù)低于鄰近區(qū)域。

5　結(jié)　論

通過對(duì)南江縣古墳坪滑坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和水文監(jiān)測(cè)分析，獲得如下結(jié)論：

(1)一般情況下，初始體積含水率隨深度的增加而減小。但滑坡區(qū)后緣基巖面出露，降雨時(shí)雨水沿著出露的基巖面入滲，使得基巖面最先達(dá)到飽和。且基巖匯水點(diǎn)與1#測(cè)點(diǎn)間存在的水頭差使得水流從下往上滲流，因此初始體積含水率表現(xiàn)為隨深度的增加而增加。

(2)斜坡的入滲規(guī)律受坡體結(jié)構(gòu)的影響較大?；聟^(qū)相較于鄰近區(qū)域，因坡體結(jié)構(gòu)已經(jīng)擾動(dòng)，滲透性較好，其水文響應(yīng)較鄰近斜坡更為迅速，滯后性也相對(duì)較弱。

(3)斜坡的入滲方式主要受日降雨量控制。日降雨量越大，影響深度越大。當(dāng)日降雨量較大時(shí)，降雨不僅使斜坡淺層體積含水率驟升，基質(zhì)吸力降低，同時(shí)還使得基巖面水位上升；當(dāng)日降雨量較小時(shí)，基巖面附近體積含水率和基質(zhì)吸力曲線基本保持不變。

(4)現(xiàn)階段坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)>1，但穩(wěn)定性系數(shù)隨著深度的增加不斷減小，最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面依然處于基巖面。