降雨对白家铺滑坡变形和稳定性的影响
(1宜昌地质矿产学院，湖北宜昌，443000；2成都理工大学，四川成都，610059)
白家铺滑坡位于三峡库区，秭归县香溪河右岸附近，入长江口。监测数据表明，2004年滑坡处于相对稳定-变形-相对稳定的变化状态，汛期滑坡运动量明显大于非汛期。本文建立了白家铺滑坡的工程地质模型，用有限元法模拟了降雨入渗引起的地下水动力场，计算了水库回水达到135m水位时，不同降雨强度和历时下滑坡的稳定系数。结果表明，降雨持续3天时，滑坡处于临界平衡状态。此时滑坡体内雨水入渗引起的地下水流方向与滑动面基本一致；随着降雨时间的延长，地下水位明显升高，滑坡安全系数相应降低。降雨强度和持续时间的差异是滑坡位移变化的主要原因。
白家堡滑坡；监测数据；数值模拟；降雨和地下水流稳定系数
1简介
降雨对滑坡的影响是一个动态过程，与降雨强度、持续时间和土壤渗透性密切相关。白家铺滑坡的工程地质模型(图2)就是以此为基础，既不脱离实际，又抓住了岩土体变形破坏的关键。模型材料由残坡积物、滑体、滑带和基岩组成；控制滑坡变形的物质条件是滑动带；控制滑坡变形的动力因素是水库水位和降雨。白家铺滑坡模型的建立有利于滑坡各方面的研究。因此，降雨对白家铺滑坡稳定性的影响是毋庸置疑的。
图5 2004年地表监测A2墩变形与降雨量的相关曲线。
3降雨引起的地下水流数值分析
水文地质学家和土壤学家对非饱和渗流的研究由来已久，水在非饱和土中的渗流也服从达西定律。在土坡稳定性分析中，当局部地下水较浅时，非饱和区的土壤水分运动和饱和区的地下水运动是相互联系的，便于将它们放在一起研究，即所谓的饱和-非饱和流问题。在这种情况下，根据达西定律和地下水流平衡原理，可以得到描述滑坡剖面二维饱和-非饱和流动问题的动力学模型:
地质灾害调查与监测技术方法论文集
其中:H为水头，K为渗透系数，S为比储水系数。
非饱和渗流问题的边界条件可以有多种形式。例如，给定含水量、给定水头或给定边界上的渗流速度等。本文主要研究降雨引起的瞬态渗流场，故边坡裸露边界给定入渗速度(纽曼纽曼边界)，底部为第一类边界(不透水边界)，两侧为第二类边界(给定水头边界)[10]。由于滑坡地表一般为不规则斜坡区，作为上边界的潜水面是随时间变化的。在模拟剖面二维潜水流动过程中，采用三角形单元有限元法对水文地质模型进行划分。根据滑坡的土层结构、渗透系数等水文地质参数以及大气降雨补给的入渗强度等因素和条件，对白家铺滑坡地下水作用进行了数值模拟。
以年平均降雨量1028mm为基础，模拟分析了无降雨和连续降雨天数1天、2天、3天、4天、5天、6天、8天、10天条件下的地下水位和地下水流情况(见图6)。起初地下水流向与滑坡滑动方向不一致，地下水位变化不大。当降雨持续1天时，非饱和土中的地下水主要受降雨入渗补给，以垂直迁移为主，降雨形成的地下水位等值线与边坡坡度一致；随着降雨的持续，地下水流方向逐渐由垂直变为与滑动面倾向一致的方向。当降雨持续2天时，水流方向与滑动面倾向趋于一致。降雨持续3d时，地下水流方向与滑动面倾向基本一致，尤其是滑动面底部出现潜水流。通过瞬态地下水观测断面发现，如果降雨持续，瞬态地下水位将继续上升。
4基于降雨条件的滑坡稳定性分析
通过对地下水的有限元数值模拟，得到了边坡的渗流场及各节点的渗透力。边坡稳定计算[11]中以渗透力作为外荷载，用Morgenstern-Price法求得整体和局部稳定系数(Fs)。用块体折线搜索整体稳定的最危险滑动面，用圆弧法搜索局部稳定的最危险滑动面。
当观测断面地下水位埋深H′> 36m时，滑坡处于稳定状态，但安全储备不高。当观测断面水位埋深H′= H0 = 36m(连续降雨3天)时，滑坡处于极限平衡状态；当观测断面水位埋深h′= 33 ~ 35m时，整个滑坡处于极限平衡状态，发生局部变形。当观测断面水位埋深h′< 33m时，整个滑坡处于不稳定状态。
图6连续降雨后地下水等值线图和水流矢量图。
通过瞬态地下水观测断面可以发现，由于地下水位随降雨持续时间明显升高，滑坡整体和局部稳定系数也随之降低:连续降雨前8天，观测断面最危险滑动面在92 ~ 95m之间；观测断面局部最危险滑动面在69 ~ 73m之间。这一现象与ZK1中的两层滑带相匹配。连续降雨后，浅层滑坡变形，对应降雨10天后最危险滑动面变浅(见表1)。
表1降雨历时及滑坡稳定性表
在自然界中，降雨是随机的，滑坡的地下水位随着降雨的入渗而变化，因此滑坡的整体稳定性也是动态的。当地下水位埋深h' < h时，滑坡的fs小于1，滑坡开始变形位移；当地下水位埋深h′> h时，滑坡的fs > 1，滑坡恢复到稳定状态。
由于这种波动，滑坡的位移速度可能发生变化，这是白家铺滑坡处于相对稳定-变形-相对稳定的深层次原因。白家铺滑坡的这种变形现象，应视为滑坡在外界条件(主要是降雨)影响下发展周期的外在表现[12]。
5结论
根据监测数据分析发现，白家铺滑坡的变化节律与降雨时间有一定的对应关系，汛期滑坡物质运动量明显大于非汛期。
建立了白家铺滑坡的工程地质模型，分析了降雨对地下水渗流场和滑坡稳定性的影响。
(1)的研究结果表明，降雨持续3天时，滑坡处于临界平衡状态。此时滑坡体内雨水入渗产生的地下水流向与滑面基本一致，滑体底部存在潜水流。
(2)瞬态地下水位随降雨历时明显升高，滑坡安全系数降低。
(3)白家铺滑坡呈现相对稳定-变形-相对稳定的节律，其根本原因是降雨引起地下水的变化。
参考
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