青海省门源盆地降雨型滑坡稳定性分析

鲁素芬，杨 珍，卢玉东

（长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：鲁素芬（1988－），女，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，水文学及水资源专业。

杨 珍（1988－），女，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，水文学及水资源专业。

卢玉东（1969－），男，长安大学环境科学与工程学院博士生导师，水文学及水资源专业。

摘 要：门源盆地地处祁连山与达坂山夹持的山间盆地，地质环境脆弱，降水相对充沛且集中，降雨型滑坡灾害频发。本文以门源盆地典型降雨型滑坡——下碱沟滑坡为例，依据勘察资料，运用Geo Studio软件模拟不同降雨强度和降雨持时下滑坡体渗流场的变化，并对边坡稳定性进行分析。模拟分析表明：在降雨持时相同条件下，降雨强度越大，滑坡体内孔隙水压力越大；随降雨时间的延长，孔隙水压力增大，滑坡稳定性系数降低；滑坡最大剪应力集中在前缘，随着时间延续，前缘变形加剧，有失稳趋势。

关键词：门源盆地；降雨；滑坡；稳定性分析

Abstract：Menyuan Basin is located in the Qilian Mountains kidnapped and Daban mountain．The geological environment is fragile，And precipitation is relatively abundant and concentrated，rainfall type landslide disasters occur frequently．With an example of the rainfall Xia Jiangou landslide．According to the landslide survey data，using Geo Studio software to simulate the impact on slope stability during different rainfall intensity and rainfall duration．The slope stability was evaluated，the results are displayed in two different rainfall intensity settings，indicating that the landslide is currently in stable condition．Landslide maximum shear stress concentrated in the front，along with the time extension，the slope leading edge deformation intensifies， unstable trend．

Key words：Menyuan basin；Rainfall；Landslide；Stability analysis

1 前 言

滑坡的发生与频繁的降雨、所处地形地貌和下垫面植被覆盖率等多个方面的综合作用有密切关系，其中，降雨是滑坡的主要促发因素［1－3］。门源盆地降雨型滑坡（21处）占滑坡总数量（22处）的95．4％，威胁人数221人，威胁财产198．3万元，因此有必要在门源盆地开展降雨型滑坡稳定性分析工作。

Geo Studio［4］软件是一款仿真模拟分析软件，功能非常强大，具有效率高，专业程度高等一系列的优点，在地质构造、岩土工程、地下水分析等方面得到了广泛应用。我国众多学者利用该软件在怒江下游滑坡［5］、玉树通天河古滑坡［6］、湖北省龙王沟滑坡［7］等进行了稳定性分析。

门源盆地地处高寒山区盆地，具有独特的地质环境背景和降雨特征，因此采用Geo Studio软件模拟降雨型滑坡并进行稳定性分析，不仅对门源县防灾减灾具有实际应用价值，而且为类似地区降雨型滑坡建立模型分析提供借鉴意义。

2 研究区概况

门源盆地位于青海省海北藏族自治州，地处祁连山与达坂山夹持的山间盆地。大通河贯穿盆地，为大通河流域的一个次级集水盆地。境内地形复杂、植被覆盖率低，地势平坦的山前洪积扇及大通河阶地为居民集中居住地。门源盆地多年平均降水量526．1mm，降水集中在夏季，其特点表现为降水强度大、历时短。受研究区内植被及下垫面土壤沟壑特点的影响，降水极易汇成山洪，甚至促发泥石流与滑坡。

下碱沟滑坡位于门源盆地东川镇下碱沟村，下碱沟村部分村民居住于该滑坡中部和前部。根据钻探揭露，该滑坡共发生过两次滑动。老滑坡平面形态近似呈半圆状（见图1）。后壁上已发育多条浅冲沟，模糊较难辨认。老滑坡东西两侧均发育冲沟，冲沟仍在溯源侵蚀，为老滑坡东西两边界，为一大型岩质滑坡。新滑坡平面形态和老滑坡相似，呈半圆状，后壁距老滑坡后壁约20m，较清晰，为一高约3～5m的陡坎。滑坡侧壁和老滑坡相同以东西两侧冲沟为界，为一大型土质滑坡。新滑坡滑体物质主要成分是第四系全新统粉质黏土和黏土，老滑坡滑体物质成分除上述两种外还包含新近系（N）棕红色泥岩。新滑坡滑带土岩性为含砂砾黏土，灰褐色，土质不均匀，多孔隙，是地下水运移的良好通道。滑坡工程地质剖面图如图2所示。

图1 滑坡平面图

图2 工程地质剖面图Ⅰ—Ⅰˊ

3 几何模型建立

根据滑坡勘查资料，建立有限元模型。模型左侧为分水岭，底部为不透水层边界，均设置为零流量边界，模型右侧处坡脚为一小沟，为季节性流水，且流量较小，设为固定水头值0m。

3．1 降雨入渗方案

考虑了降雨总量相同时，不同降雨强度和降雨持时的降雨模型。根据近7年门源地区雨季（6～9月）降雨资料，采用2010年7、8月降雨资料来模拟降雨过程。降雨总量为288．3mm，降雨事件分为2类，第一个降雨事件降雨持时5d，降雨强度3．75mm／d－1，第二个降雨事件，降雨持时4d，降雨强度2．52mm／d－1。

3．2 模型参数的确定

利用文献［8］中参数估计模型方法的结果对下碱沟滑坡岩土体的土水特征曲线预测，Fredlund－Xing模型的表达式为：

C（Ψ）——修正函数，使得含水量为零时，吸力达到106k Pa；

Ψ——土体基质吸力

a、n、m——优化参数，a与空气进气值有关系；n控制土水特征曲线的斜率，m与曲线的残余吸力值有关。

本文采用文献［8］的结果进行下碱沟滑坡岩土体的土水特征曲线预测，Fredlund－Xing的土水特征曲线描述的岩土体参数a，n，m值见表1。

表1 Fredlund－Xing土水特征曲线描述的岩土体的参数

根据钻探勘查试验资料，将各类岩土体参数输入到SEEP／W模块中的Fredlund－Xing土水特征曲线模型，结果如图3所示。

采用Van Genuchten（1980）［8］提出的预测渗透系数函数的方法预测，并将滑坡岩土体的Fredlund－Xing土水特征曲线参数及饱和渗透系数输入SEEP／W模块中，得到岩土体非饱和渗透系数和基质吸力关系曲线。

4 计算结果分析

4．1 降雨强度对滑坡渗流场的影响

降雨强度2．52mm／d和3．75mm／d在3d结束后滑坡渗流场变化情况，如图4－6所示。

模拟计算结果表明，3d后在两种降雨强度条件下，地下水位线以上非饱和区负孔隙水压力均增大，坡体浅层均出现饱和区。降雨强度为3．75mm／d孔隙水压力增大速度大于降雨强度为2．52mm／d孔隙水压力增大速度，并且前者形成的饱和区深度大于后者形成的饱和区深度。但是，两种降雨强度下坡体水位线均未发生变化，坡体处于饱和－非饱和状态。在降雨持时相同条件下，降雨结束时，降雨强度越大，滑坡体内孔隙水压力越大。该现象的产生主要有两个原因：虽然强度大的降雨，大部分没有直接渗入土体，但坡体表面存在裂隙，雨水进入裂隙，形成定水头渗流；降雨强度大则降雨总量大，虽然大部分降雨流走，但入渗的雨水总量可能比强度小的降雨渗入到土体中的总量大。

图3 各土体Fredlund－Xing土水特征曲线

图4 初始时刻孔隙水压力分布

图5 降雨强度为2．52mm／d第3d孔隙水压力分布

图6 降雨强度为3．75mm／d第3d孔隙水压力分布

从图4－6可以看出，在同一位置高度，降雨强度为3．75mm／d的孔隙水压力大于降雨强度为2．52mm／d的孔隙水压力。其原因为：对于渗透能力较强的岩土体而言，当降雨量相同时，如果降雨时间持续较长，则小部分在坡面流走，大部分雨水渗入土壤而导致在土壤中入渗的深度加深。

4．2 降雨持时对滑坡渗流场的影响

降雨入渗条件下，坡体渗流场是一个随时间变化的过程，以降雨强度为3．75mm／d为例。如图7－10。

图7 降雨强度为3．75mm／d第1天孔隙水压力分布

图8 降雨强度为3．75mm／d第2天孔隙水压力分布

图9 降雨强度为3．75mm／d第4天孔隙水压力分布

图10 降雨强度为3．75mm／d第5天孔隙水压力分布

从图中看出，随着降雨时间延续，孔隙水压力增大，坡体浅层逐渐饱和，并且饱和区逐渐向坡体内部扩展，但饱和区没有到达黏土层。第1天仅在坡体表层形成暂态薄层饱和区；第2天坡体浅层局部出现小面积饱和区；第3天雨水不断下渗，孔隙水压力增大速度较快，出现正的孔隙水压力值；第4天，坡体内部饱和区不断扩大、深入，负的孔隙水压力增大；第5天，孔隙水压力增大，饱和区范围趋于稳定，扩大速度缓慢。坡体前段由于地势相对平坦，降雨入渗后，首先在这部分形成浅层饱和区，随着降雨进行，饱和区不断扩大、渗入，将加剧滑坡前缘土体变形。

分析表明，随着降雨时间的延长，孔隙水压力不断增大，浅层土体基质吸力减小或者消失。当降雨强度较大，超过表层土体渗透性时，上层土壤在短时间内容易形成饱和区，从而影响滑坡的稳定性。

4．3 滑坡稳定性分析

随着降雨时间延长，降雨强度低的坡体内渗流场的孔隙水压力持续增大，基质吸力持续降低，导致抗剪强度不断下降，最终滑坡安全系数降低，即滑坡稳定性降低。

在降雨初期（0～2d），降雨强度高的滑坡安全系数比降雨强度低的小，之后降雨强度高的滑坡安全系数大于降雨强度低的。其原因在于：降雨初期，强度高的降雨总量比降雨强度低的大，湿润锋深度大，降雨入渗速率快，基质吸力快速降低，导致降雨强度高的滑坡安全系数低。随着降雨时间延长，强度高的降雨容易引起滑坡浅层形成饱和区，滑坡表层降雨入渗率快速降低。而强度低的降雨在坡体表层未形成饱和区，降雨不断入渗，最终导致降雨强度低的滑坡安全系数较低。

在降雨条件下安全系数变化幅度较小，表明降雨对均匀坡体的影响范围较小，所以多会引起浅层滑坡。

应力集中是指斜坡由于外界因素或自身因素引起斜坡地形地貌变化，从而引起局部范围内应力显著增大的现象。用SIGMA／W模块分析其应力分布及位移情况。雨季降雨集中，在下碱沟形成季节性水流或泥石流，水流或泥流侧蚀使得下碱沟坡脚变陡，由图11和图12可以看出坡体前缘软弱带处剪应力集中，为主要位移部位。随着时间推移，坡体裂缝发育，降雨入渗，坡体前缘将失稳。潜在滑移面后半段和斜坡坡脚处的应力增量加强，最终导致前缘变形加剧。虽然坡体稳定系数在1．1左右，但是本地区地震烈度达到Ⅶ～Ⅷ级，并且在实际考察中，可以看到滑坡前缘明显的变形迹象（如图13，14），在降雨作用下极易失稳，与模拟分析结果相符。

图11 最大剪应力分布云图

图12 位移分布云图

图13 滑坡前部裂缝

5 结论

青海省门源盆地属干旱、半干旱高原大陆性气候，地形复杂、植被覆盖率低，由于门源夏季多出现历时短、局地性强降水，受植被及下垫面土壤沟壑特点的影响，降水极易汇成山洪，甚至促发泥石流及滑坡，造成严重危害。本文以下碱沟滑坡为例，依据勘察资料，采用Geo Studio软件中的SEEP／W、SLOPE／W和SIGMA／W模块，进行了降雨入渗条件下下碱沟滑坡渗流数值模拟和稳定性分析。结果表明：在降雨持时相同条件下，降雨强度越大，滑坡体内孔隙水压力越大；随着降雨时间的延长，孔隙水压力增大；下碱沟滑稳定性系数随降雨时间降低；最大剪应力集中在滑坡前缘，随着时间延续，坡体前缘变形加剧，有失稳趋势。建议在滑坡范围内及时建立坡体地面变形监测系统方案，做到滑坡预防和综合治理相结合。根据滑坡目前变形现状和稳定性评价结果，建议对该滑坡体综合治理，先排水后支挡，并填埋坡体拉张裂缝。

图14 滑坡前缘破碎

参考文献

［1］ 吴宏伟，陈守义．雨水入渗非饱和土坡稳定性影响的参数研究［J］．岩土力学，1999，20（1）：1－14．

［2］ 林孝松，郭跃．滑坡与降雨的耦合关系研究［J］．灾害学，2001，16（2）：87－92．

［3］ 单九生，刘修奋，魏丽，等．诱发江西滑坡的降水特征分析［J］．气象，2004，30（1）：13－15．

［4］ GEO－SLOPE International Ltd．GEO－SLOPE User’s Manual［Z］．Calgary：AJberta，2001．

［5］ 李欣杰，陈剑平，潘玉珍，等．怒江下游某段滑坡的成因与治理研究［J］．金属矿山，2013（8）：113－116．

［6］ 段顺荣，吴英波，王羽佳，等．玉树曲马莱县通天河古滑坡成因机理分析及稳定性评价研究［J］．地球，2014（7）：293－293，319．

［7］ 张国伟，王增科，李成林，等．Geo Studio软件在龙王沟滑坡稳定性分析中的应用［J］．城市建设理论研究，2014（20）：543－544．

［8］ Fredlund，D．G．＆Xing，，Equations for the soil－water characteristic curve．Can．Geotech，1994（31）：521－532．

［9］ Van Genuchten，M．T．A closed－from equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils．Soil Sci． Soc．Am．J．，1980，44：892－898．