基于临界水位高度模型的土台镇滑坡稳定性分析

基于临界水位高度模型的土台镇滑坡稳定性分析

滑动滑动灾害具有高发生频率高、分布范围广、损失严重等特点。滑坡发生的最主要诱发因素是降雨,最严重的1998年全国范围内因特大暴雨而诱发了大量的滑坡、崩塌和泥石流灾害,造成的死亡人数为1157人,受伤人员超过1万。1981年四川盆地因暴雨而导致体积大小不等的斜坡破坏达6万多处。由于滑坡体中的地下水动态作用过程一般难以确切描述,在滑坡工程实践领域,与地下水作用有关的滑坡稳定性计算一般以潜水面位置或观测的地下水压力值来简化计算地下水的浮力和动水压力。事实上,降雨对滑坡的作用是一个动态过程,由于其作用机理过程的动态变化,一次降雨过程中滑坡运动的特点是有变化的。降雨对滑坡作用的研究一直是学术界关注的难点之一,综合起来可划分成两个方面:一方面是基于大气降雨分析而开展的滑坡预报研究,另一方面是研究滑坡水压力场与滑坡稳定性的关系,进而达到滑坡防治的目的。例如,Buma等讨论了气候变化及降雨对滑坡的影响作用以及评价方法。谢守益等以三峡库区典型滑坡为例,定性分析了降雨诱发滑坡的机制。崔政权基于边坡渗流场分析,讨论了计算滑坡体及斜坡体中的地下水渗透压力的方法。Harris等运用离心模型实验从理论上深入研究了冰土层融化过程中的斜坡运动机制,该实验所获得的融化层中的孔隙水压力变化监测结果反映了冰冻—融化—土层滑动全过程的孔隙水压力变化规律。笔者将从动态分析和数值模拟两方面讨论滑坡过程中的地下水作用机理和降雨期间地下水动力场的时空分布问题,并以两个不同的实例进行验证分析。1降水引起的水压界平衡模型1.1滑坡稳定性系数fs图1是单滑动面滑坡的简化二维极限平衡分析模型,滑动面不透水,雨季中滑坡体将局部或全部饱水,滑坡体断面单宽为1m。根据滑坡稳定性计算的极限平衡原理,推导出的滑坡稳定性系数Fs的表达式如下Fs=L[ρ(h-h0)+(ρs-1)h0]cosαtgϕ+CL/cosαL[ρ(h-h0)+(ρs-1)h0]sinα+Lh0ρwsinα=[ρh+(ρs-ρ-1)h0]ctgαtgϕ+2C/sin2αρh+(ρs-1)h0(1)Fs=L[ρ(h−h0)+(ρs−1)h0]cosαtgϕ+CL/cosαL[ρ(h−h0)+(ρs−1)h0]sinα+Lh0ρwsinα=[ρh+(ρs−ρ−1)h0]ctgαtgϕ+2C/sin2αρh+(ρs−1)h0(1)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);Lh0sinα为动水压力。由(1)式可以看出,除滑坡体饱水部分铅直厚度h0为动态变化的参数外,其它参数均是不变的物理力学参数和几何参数,滑坡稳定性系数Fs与h0的动态变化相关,对(1)式求导如下dFsdh0=ρhctgαtgϕ+2C(ρs-ρ)/sin2α[ρh+(ρs-ρ)h0]2(2)dFsdh0=ρhctgαtgϕ+2C(ρs−ρ)/sin2α[ρh+(ρs−ρ)h0]2(2)因为ρs-ρ大于0,所以dFs/dh0<0,滑坡稳定性系数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。h0c=ρh(tgϕ/tgα-1)+2C/sin2α(ρs-ρ)(1-tgϕ/tgα)+tgϕ/tgα(3)h0c=ρh(tgϕ/tgα−1)+2C/sin2α(ρs−ρ)(1−tgϕ/tgα)+tgϕ/tgα(3)采用(3)式可以确定和预测滑坡发生运动的临界地下水水位,以及因地下水水位变化而对滑坡位移所产生的影响。在一个雨季过程中,自然界有很多滑坡的地下水水位处在临界水位附近波动,也就是说滑坡整体稳定性系数在雨季过程中是动态变化的,当h0>h0c,则Fs<1,滑坡开始发生位移;当h0<h0c,则Fs>1,滑坡又重新回到稳定状态。由于这种波动可能造成滑坡位移速度的变化,因此,这是很多滑坡在雨季运动一定距离后而停止下来的主要原因之一。1.2滑坡稳定性分析土台镇滑坡位于重庆市綦江县土台镇洋渡河右岸斜坡,斜坡呈条带状沿南北向分布,三面临空,斜坡两侧为陡坡。滑坡的近期变形特征主要表现为地表拉裂及浅层崩滑。拉裂缝整体走向北北东向,主要分布于滑坡的中部及后部,宽度在0.05～0.20m,延伸数米至数十米。浅层崩滑发生在滑坡西侧的陡坡一带,体积在数十立方米至数百立方米,其物质成分为须家河组第二段(T2323xj)长石石英砂岩块体和黄褐色风化砂土。浅层崩滑体的地表界限也与须家河组第一段和须家河组第二段之间的软弱层界限有关。发生浅层崩滑的时间均在汛期;枯期则趋于稳定。据地质勘探工程证实,滑动带位于须家河组第一段(T1313xj)泥质粉砂岩顶部的软弱夹层内,其物质成分为灰黑色粉质粘土,呈可塑—软塑状态,较湿,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。滑动带之下的滑床为T13xj含铁质、碳质的泥质粉砂岩。滑坡平面形态呈不规则扇形,由于深层滑坡受控于层面产状,滑坡向北侧和西侧均有移动迹象,而前缘浅层滑坡则属于深层滑坡的前缘次级滑动,运动方向指向北侧的河流。根据滑坡地质勘探和实验室测试资料,对8—8剖面进行了滑坡稳定性分析(图2),滑动面为顺层,软弱夹层的抗剪强度是滑坡稳定性的控制参数,天然状态下地下水水位平均高出滑动面5m。近期该滑坡前缘发生局部滑塌现象,主要发生在雨季,地下水水位的升降是直接影响滑坡稳定性变化的主要因素。地质勘探资料提供的有关参数如下:α=14.5°;ϕ=15.5°;C=2.0t/m2;ρ=2.2t/m3;ρs=2.35t/m3;h平均=42m。根据(3)式求得临界地下水高度h0C=13.8m。为进一步验证(3)式的准确性,采用Janbu模型计算该剖面的稳定性系数;在天然状态下Fs=1.06,呈准稳定状态,随着雨季地下水水位的上升,稳定性系数减小;当平均地下水水位上升10m,即地下水水位平均高出滑动面15m时,Fs值下降到0.98,与计算的临界地下水高度h0c值一致性很好。模型(3)的计算值和Janbu模型的稳定性计算结果表明,地表水防渗和地下排水方案将是土台镇滑坡防治措施的优选方案,滑坡监测则应同时考虑滑坡位移、降雨量、地下水动态三者的结合。2分析降水引起的地下水流值2.1构造模型材料滑坡体中地下水流动问题一般可概化为剖面二维流动,滑动带视为下部不透水边界,因大气降雨而引起的地下水水流成为潜水二维流动问题。则根据达西定律及地下水水流均衡原理,可以得到描述滑坡剖面二维不稳定流动问题的动力学模型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为含水饱和度;h为水头;k为渗透系数;S为比储水系数;B1为第一类边界条件;B2为第二类边界条件,将两侧取为第一类边界条件,底部和上部取为第二类边界条件。由于滑坡体表面一般是不规则的坡型区域,潜水面作为上边界是随时间而变化的。在剖面二维潜水水流问题的模拟过程中,可混合采用三角形单元和任意四边形单元等参有限元法进行水文地质模型的单元剖分。根据滑坡体土层结构和渗透系数、储水系数等水文地质参数以及大气降水及入渗补给强度,就可开展滑坡过程中地下水作用机理的数值模拟研究。2.2沿空岸坡沿面鸡-下坡下水岸流沿边坡下土壤条件的变化鸡扒子滑坡位于长江三峡库区云阳县城以东1km处的长江北岸,滑坡发生于1982年7月17～18日。滑坡发育于川东褶皱带中的故陵向斜北翼,区内出露基岩为上侏罗统遂宁组(J3s)泥岩夹少量石英砂岩和蓬莱镇组(J3p)石英砂岩、长石石英砂岩与泥岩互层。岩层走向近东西,倾向南,倾角自上而下变化在8°～40°之间,呈靠椅状,岩层倾向与岸坡坡向基本一致。滑面大部分顺砂岩与泥岩的接触面发展,呈上陡下缓,滑体结构自下而上由砂岩和泥岩互层的碎裂岩体、碎石块夹土、土夹碎块石组成,地表普遍覆盖含钙质结构的黄色砂质粘土,滑坡成层状结构,透水性能具有明显差异,前缘滑带之上存在弱透水堆积物。滑坡南临长江,东西两侧分别被由北向南的大河沟和汤溪沟所切,成为一面依山,三面临空的顺向岸坡,坡顶标高716m,高出长江枯水位631m。岸坡中地下水补给条件差,排泄条件良好,因此,在一般季节,地下水贫乏。滑坡体表面发育有很多排水沟,在雨季,这些排水沟能很迅速地排泄大气降水和地表水。根据三峡库区滑坡的有关资料,崩滑堆积物的渗透系数一般为0.18～5.64m/d,而滑带土的渗透系数是0.02m/d;重庆地区的滑坡,其滑坡体的渗透系数为0.1～0.2m/d,而滑坡带的渗透系数为0.01m/d。滑带土的孔隙度为0.3～0.4,岩石的孔隙度为0.08～0.15。由于鸡扒子滑坡是宝塔老滑坡的西缘部分,滑坡区岩土受到老滑坡的影响,岩石破碎,裂隙发育,因此其渗透系数比其它地区可略高一些。根据鸡扒子滑坡的物质结构组成,我们选取渗透系数为: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。鸡扒子滑坡发生于1982年7月中旬特大暴雨期间。暴雨从7月16日4时开始,至17日8时石板沟被堵的28h内,降雨量为269mm,至18日2时滑坡剧滑的46h内,降雨量为331mm。最大时降雨量为38.8mm。按降雨强度、持续时间和集雨面积估算,从堵沟到剧滑的18h内,直接渗入滑体的地表径流量达15666m3。根据这些资料,我们估算其入渗补给强度q=20m/d。根据有关参数和数学模型,模拟分析在降雨10,20,20,40,43,46h后地下水水位分布和地下水流动状态。滑体中地下水流向不一致,地下水在滑体内分布不连续。由图3-A、图4-A可以看出,降雨达10h时,地下水主要受降雨入渗补给的影响,以垂向运移为主,地下水水位等值线与坡体倾向比较一致。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30h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(图3-B,图4-B)。当降雨持续46h后,地下水流向与滑动面倾向比较一致(图3-C,图4-C),尤其是在滑体底部出现潜水流。这与滑坡发生的时空特点基本一致。3降雨期间地下水动力场的时空变化规律笔者在文中采用二维极限平衡状态下的临界水位高度模型和二维不稳定流动问题的动力