基于臨界水位高度模型的土臺(tái)鎮(zhèn)滑坡穩(wěn)定性分析

基于臨界水位高度模型的土臺(tái)鎮(zhèn)滑坡穩(wěn)定性分析

滑動(dòng)滑動(dòng)災(zāi)害具有高發(fā)生頻率高、分布范圍廣、損失嚴(yán)重等特點(diǎn)?；掳l(fā)生的最主要誘發(fā)因素是降雨,最嚴(yán)重的1998年全國范圍內(nèi)因特大暴雨而誘發(fā)了大量的滑坡、崩塌和泥石流災(zāi)害,造成的死亡人數(shù)為1157人,受傷人員超過1萬。1981年四川盆地因暴雨而導(dǎo)致體積大小不等的斜坡破壞達(dá)6萬多處。由于滑坡體中的地下水動(dòng)態(tài)作用過程一般難以確切描述,在滑坡工程實(shí)踐領(lǐng)域,與地下水作用有關(guān)的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算一般以潛水面位置或觀測的地下水壓力值來簡化計(jì)算地下水的浮力和動(dòng)水壓力。事實(shí)上,降雨對滑坡的作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,由于其作用機(jī)理過程的動(dòng)態(tài)變化,一次降雨過程中滑坡運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是有變化的。降雨對滑坡作用的研究一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的難點(diǎn)之一,綜合起來可劃分成兩個(gè)方面:一方面是基于大氣降雨分析而開展的滑坡預(yù)報(bào)研究,另一方面是研究滑坡水壓力場與滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系,進(jìn)而達(dá)到滑坡防治的目的。例如,Buma等討論了氣候變化及降雨對滑坡的影響作用以及評價(jià)方法。謝守益等以三峽庫區(qū)典型滑坡為例,定性分析了降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)制。崔政權(quán)基于邊坡滲流場分析,討論了計(jì)算滑坡體及斜坡體中的地下水滲透壓力的方法。Harris等運(yùn)用離心模型實(shí)驗(yàn)從理論上深入研究了冰土層融化過程中的斜坡運(yùn)動(dòng)機(jī)制,該實(shí)驗(yàn)所獲得的融化層中的孔隙水壓力變化監(jiān)測結(jié)果反映了冰凍—融化—土層滑動(dòng)全過程的孔隙水壓力變化規(guī)律。筆者將從動(dòng)態(tài)分析和數(shù)值模擬兩方面討論滑坡過程中的地下水作用機(jī)理和降雨期間地下水動(dòng)力場的時(shí)空分布問題,并以兩個(gè)不同的實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證分析。1降水引起的水壓界平衡模型1.1滑坡穩(wěn)定性系數(shù)fs圖1是單滑動(dòng)面滑坡的簡化二維極限平衡分析模型,滑動(dòng)面不透水,雨季中滑坡體將局部或全部飽水,滑坡體斷面單寬為1m。根據(jù)滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的極限平衡原理,推導(dǎo)出的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs的表達(dá)式如下Fs=L[ρ(h-h0)+(ρs-1)h0]cosαtg?+CL/cosαL[ρ(h-h0)+(ρs-1)h0]sinα+Lh0ρwsinα=[ρh+(ρs-ρ-1)h0]ctgαtg?+2C/sin2αρh+(ρs-1)h0(1)Fs=L[ρ(h?h0)+(ρs?1)h0]cosαtg?+CL/cosαL[ρ(h?h0)+(ρs?1)h0]sinα+Lh0ρwsinα=[ρh+(ρs?ρ?1)h0]ctgαtg?+2C/sin2αρh+(ρs?1)h0(1)式中:ρ為滑坡體天然密度(t/m3);ρs為滑坡體飽和密度(t/m3);ρw為水體密度(t/m3);α為滑動(dòng)面傾角(°);?為滑動(dòng)面摩擦角(°);C為滑動(dòng)面內(nèi)聚力(t/m2);h為滑坡體鉛直厚度(m);h0為滑坡體飽水部分鉛直厚度(m);L為滑坡斷面水平方向上的長度(m);Lh0sinα為動(dòng)水壓力。由(1)式可以看出,除滑坡體飽水部分鉛直厚度h0為動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)外,其它參數(shù)均是不變的物理力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù),滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs與h0的動(dòng)態(tài)變化相關(guān),對(1)式求導(dǎo)如下dFsdh0=ρhctgαtg?+2C(ρs-ρ)/sin2α[ρh+(ρs-ρ)h0]2(2)dFsdh0=ρhctgαtg?+2C(ρs?ρ)/sin2α[ρh+(ρs?ρ)h0]2(2)因?yàn)棣裺-ρ大于0,所以dFs/dh0<0,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs與地下水水位高度h0呈單調(diào)遞減關(guān)系。令Fs=1,確定臨界地下水位高度h0c。h0c=ρh(tg?/tgα-1)+2C/sin2α(ρs-ρ)(1-tg?/tgα)+tg?/tgα(3)h0c=ρh(tg?/tgα?1)+2C/sin2α(ρs?ρ)(1?tg?/tgα)+tg?/tgα(3)采用(3)式可以確定和預(yù)測滑坡發(fā)生運(yùn)動(dòng)的臨界地下水水位,以及因地下水水位變化而對滑坡位移所產(chǎn)生的影響。在一個(gè)雨季過程中,自然界有很多滑坡的地下水水位處在臨界水位附近波動(dòng),也就是說滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)在雨季過程中是動(dòng)態(tài)變化的,當(dāng)h0>h0c,則Fs<1,滑坡開始發(fā)生位移;當(dāng)h0<h0c,則Fs>1,滑坡又重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。由于這種波動(dòng)可能造成滑坡位移速度的變化,因此,這是很多滑坡在雨季運(yùn)動(dòng)一定距離后而停止下來的主要原因之一。1.2滑坡穩(wěn)定性分析土臺(tái)鎮(zhèn)滑坡位于重慶市綦江縣土臺(tái)鎮(zhèn)洋渡河右岸斜坡,斜坡呈條帶狀沿南北向分布,三面臨空,斜坡兩側(cè)為陡坡。滑坡的近期變形特征主要表現(xiàn)為地表拉裂及淺層崩滑。拉裂縫整體走向北北東向,主要分布于滑坡的中部及后部,寬度在0.05～0.20m,延伸數(shù)米至數(shù)十米。淺層崩滑發(fā)生在滑坡西側(cè)的陡坡一帶,體積在數(shù)十立方米至數(shù)百立方米,其物質(zhì)成分為須家河組第二段(T2323xj)長石石英砂巖塊體和黃褐色風(fēng)化砂土。淺層崩滑體的地表界限也與須家河組第一段和須家河組第二段之間的軟弱層界限有關(guān)。發(fā)生淺層崩滑的時(shí)間均在汛期;枯期則趨于穩(wěn)定。據(jù)地質(zhì)勘探工程證實(shí),滑動(dòng)帶位于須家河組第一段(T1313xj)泥質(zhì)粉砂巖頂部的軟弱夾層內(nèi),其物質(zhì)成分為灰黑色粉質(zhì)粘土,呈可塑—軟塑狀態(tài),較濕,所勘查的巖芯有揉皺擠壓現(xiàn)象,其原巖結(jié)構(gòu)面已破壞,現(xiàn)有結(jié)構(gòu)面上見磨光鏡面和微弱擦痕?；瑒?dòng)帶之下的滑床為T13xj含鐵質(zhì)、碳質(zhì)的泥質(zhì)粉砂巖?；缕矫嫘螒B(tài)呈不規(guī)則扇形,由于深層滑坡受控于層面產(chǎn)狀,滑坡向北側(cè)和西側(cè)均有移動(dòng)跡象,而前緣淺層滑坡則屬于深層滑坡的前緣次級滑動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向指向北側(cè)的河流。根據(jù)滑坡地質(zhì)勘探和實(shí)驗(yàn)室測試資料,對8—8剖面進(jìn)行了滑坡穩(wěn)定性分析(圖2),滑動(dòng)面為順層,軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度是滑坡穩(wěn)定性的控制參數(shù),天然狀態(tài)下地下水水位平均高出滑動(dòng)面5m。近期該滑坡前緣發(fā)生局部滑塌現(xiàn)象,主要發(fā)生在雨季,地下水水位的升降是直接影響滑坡穩(wěn)定性變化的主要因素。地質(zhì)勘探資料提供的有關(guān)參數(shù)如下:α=14.5°;?=15.5°;C=2.0t/m2;ρ=2.2t/m3;ρs=2.35t/m3;h平均=42m。根據(jù)(3)式求得臨界地下水高度h0C=13.8m。為進(jìn)一步驗(yàn)證(3)式的準(zhǔn)確性,采用Janbu模型計(jì)算該剖面的穩(wěn)定性系數(shù);在天然狀態(tài)下Fs=1.06,呈準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài),隨著雨季地下水水位的上升,穩(wěn)定性系數(shù)減小;當(dāng)平均地下水水位上升10m,即地下水水位平均高出滑動(dòng)面15m時(shí),Fs值下降到0.98,與計(jì)算的臨界地下水高度h0c值一致性很好。模型(3)的計(jì)算值和Janbu模型的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明,地表水防滲和地下排水方案將是土臺(tái)鎮(zhèn)滑坡防治措施的優(yōu)選方案,滑坡監(jiān)測則應(yīng)同時(shí)考慮滑坡位移、降雨量、地下水動(dòng)態(tài)三者的結(jié)合。2分析降水引起的地下水流值2.1構(gòu)造模型材料滑坡體中地下水流動(dòng)問題一般可概化為剖面二維流動(dòng),滑動(dòng)帶視為下部不透水邊界,因大氣降雨而引起的地下水水流成為潛水二維流動(dòng)問題。則根據(jù)達(dá)西定律及地下水水流均衡原理,可以得到描述滑坡剖面二維不穩(wěn)定流動(dòng)問題的動(dòng)力學(xué)模型S?h?t=??x(k?h?t)+??z(k?h?t)(4)h|t=0=h0(x,z)(5)h|B1=h1(x,z)(x,z)∈B1(6)k?h?n|B1=q(x,z)(x,z)∈B2(7)式中:B為含水飽和度;h為水頭;k為滲透系數(shù);S為比儲(chǔ)水系數(shù);B1為第一類邊界條件;B2為第二類邊界條件,將兩側(cè)取為第一類邊界條件,底部和上部取為第二類邊界條件。由于滑坡體表面一般是不規(guī)則的坡型區(qū)域,潛水面作為上邊界是隨時(shí)間而變化的。在剖面二維潛水水流問題的模擬過程中,可混合采用三角形單元和任意四邊形單元等參有限元法進(jìn)行水文地質(zhì)模型的單元剖分。根據(jù)滑坡體土層結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)、儲(chǔ)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)以及大氣降水及入滲補(bǔ)給強(qiáng)度,就可開展滑坡過程中地下水作用機(jī)理的數(shù)值模擬研究。2.2沿空岸坡沿面雞-下坡下水岸流沿邊坡下土壤條件的變化雞扒子滑坡位于長江三峽庫區(qū)云陽縣城以東1km處的長江北岸,滑坡發(fā)生于1982年7月17～18日?；掳l(fā)育于川東褶皺帶中的故陵向斜北翼,區(qū)內(nèi)出露基巖為上侏羅統(tǒng)遂寧組(J3s)泥巖夾少量石英砂巖和蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)石英砂巖、長石石英砂巖與泥巖互層。巖層走向近東西,傾向南,傾角自上而下變化在8°～40°之間,呈靠椅狀,巖層傾向與岸坡坡向基本一致?；娲蟛糠猪樕皫r與泥巖的接觸面發(fā)展,呈上陡下緩,滑體結(jié)構(gòu)自下而上由砂巖和泥巖互層的碎裂巖體、碎石塊夾土、土夾碎塊石組成,地表普遍覆蓋含鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)的黃色砂質(zhì)粘土,滑坡成層狀結(jié)構(gòu),透水性能具有明顯差異,前緣滑帶之上存在弱透水堆積物?；履吓R長江,東西兩側(cè)分別被由北向南的大河溝和湯溪溝所切,成為一面依山,三面臨空的順向岸坡,坡頂標(biāo)高716m,高出長江枯水位631m。岸坡中地下水補(bǔ)給條件差,排泄條件良好,因此,在一般季節(jié),地下水貧乏?；麦w表面發(fā)育有很多排水溝,在雨季,這些排水溝能很迅速地排泄大氣降水和地表水。根據(jù)三峽庫區(qū)滑坡的有關(guān)資料,崩滑堆積物的滲透系數(shù)一般為0.18～5.64m/d,而滑帶土的滲透系數(shù)是0.02m/d;重慶地區(qū)的滑坡,其滑坡體的滲透系數(shù)為0.1～0.2m/d,而滑坡帶的滲透系數(shù)為0.01m/d。滑帶土的孔隙度為0.3～0.4,巖石的孔隙度為0.08～0.15。由于雞扒子滑坡是寶塔老滑坡的西緣部分,滑坡區(qū)巖土受到老滑坡的影響,巖石破碎,裂隙發(fā)育,因此其滲透系數(shù)比其它地區(qū)可略高一些。根據(jù)雞扒子滑坡的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成,我們選取滲透系數(shù)為:k1x=2.8m/d,k1y=2.3m/d,k2x=13m/d,k2y=11m/d,k3x=8m/d,k3y=5m/d,k4x=14m/d,k4y=11m/d,k5x=25m/d,k5y=16m/d。雞扒子滑坡發(fā)生于1982年7月中旬特大暴雨期間。暴雨從7月16日4時(shí)開始,至17日8時(shí)石板溝被堵的28h內(nèi),降雨量為269mm,至18日2時(shí)滑坡劇滑的46h內(nèi),降雨量為331mm。最大時(shí)降雨量為38.8mm。按降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和集雨面積估算,從堵溝到劇滑的18h內(nèi),直接滲入滑體的地表徑流量達(dá)15666m3。根據(jù)這些資料,我們估算其入滲補(bǔ)給強(qiáng)度q=20m/d。根據(jù)有關(guān)參數(shù)和數(shù)學(xué)模型,模擬分析在降雨10,20,20,40,43,46h后地下水水位分布和地下水流動(dòng)狀態(tài)。滑體中地下水流向不一致,地下水在滑體內(nèi)分布不連續(xù)。由圖3-A、圖4-A可以看出,降雨達(dá)10h時(shí),地下水主要受降雨入滲補(bǔ)給的影響,以垂向運(yùn)移為主,地下水水位等值線與坡體傾向比較一致。隨著降雨的持續(xù),地下水流向由垂直逐漸向與滑動(dòng)面傾向一致的方向發(fā)展。降雨達(dá)30h時(shí),地下水水位等值線與坡體接近垂直,水流方向與滑動(dòng)面傾向趨于一致(圖3-B,圖4-B)。當(dāng)降雨持續(xù)46h后,地下水流向與滑動(dòng)面傾向比較一致(圖3-C,圖4-C),尤其是在滑體底部出現(xiàn)潛水流。這與滑坡發(fā)生的時(shí)空特點(diǎn)基本一致。3降雨期間地下水動(dòng)力場的時(shí)空變化規(guī)律筆者在文中采用二維極限平衡狀態(tài)下的臨界水位高度模型和二維不穩(wěn)定流動(dòng)問題的動(dòng)力