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每当夏季多雨季节,红层基岩分布地区就会出现大量的缓倾角红层基岩滑坡,滑动面很平缓,倾角一般为5°~7°,大大小于其内摩擦角。这类斜坡本应是稳定的,但在红层基岩分布地区已发现多处变形甚至失稳破坏的实例,并造成了人民生命财产的危害与损失。因此,对这类边坡的变形破坏机制的研究,具有十分重要的意义。
四川省宣汉县天台乡滑坡是典型的缓倾角红层基岩顺层滑坡,此滑坡发生在侏罗系遂宁组红层中,滑面倾角仅7°~10°。重力沿平行滑动面的分力很小,与滑面抗剪强度简单进行比较,很难合理解释其启滑机制。所以,降雨诱发缓倾角红层基岩顺层滑坡必定有着特殊的原因。要解释它的特殊的成因机制,必须对其降雨诱发过程展开细致的研究。
论文在总结国内外研究降雨诱发缓倾角红层基岩顺层滑坡过程现状的基础上,提出了论文的研究目的和思路。按照这一研究思路开展了如下工作:
(1)经过数次现场勘测、调研工作,确定了该滑坡体滑前的地层岩性为砂岩和泥岩,并对天台乡滑坡勘查报告中提供的坡体主滑面进行滑前恢复。
(2)利用GEOSTUDIO软件建立了天台乡滑坡滑前二维几何模型。模型范围确定为:X轴方向(南北方向)长度约为1082m,Y轴方向高差范围为70m~200m。计算模型根据地形起伏等因素在X方向和Y方向尽量均匀地进行网格剖分,每格长度大致10~20m。整个模型选用结构四边形单元,共生成547个单元、610个节点。
(3)确定初始条件为:
①初始渗流场:根据野外调研的滑坡前河水位、后沟水位和滑坡的纵向长度按一定的水力坡降大致确定滑坡发生前的地下水位。根据上述方法确定初始地下水位,并根据野外吸力监测经验对渗流场进行调整,形成初始地下水渗流场。
②初始应力场:基于初始渗流场,形成初始状态的自重应力场。
(4)确定边界条件为:
①位移边界条件:模型底部采用刚性边界,约束水平方向、竖直方向的位移为0,模型前部和后部约束水平方向的位移为0,坡面为自由边界。
②渗流边界条件:模型后部为流量边界;底面假定为不透水边界;坡面为根据降雨量确定的流量边界。
(5)各层参数的选取主要是采用实验的方法以及工程类比法,同时参考天台乡滑坡勘察报告中的实验数据,并运用相关理论确定间接参数。再利用GEOSTIJDIO软件中的相关模块模拟了该滑坡在诱发滑动前的实际降雨情况下坡体内渗流场、应力场和位移场的变化规律,并研究了稳定系数的变化过程。
通过以上数值模拟,得出如下结论:
(1)随着降雨的进行,坡体内的吸力进行不断的调整,地表面和地下水位附近吸力逐渐消减。降雨前期虽然雨量较小但是地下水位上升较快,水位的变化都是在抗剪强度较高的滑床基岩内,故而对滑坡稳定性的影响极为有限。降雨后期虽然雨量较大但是地下水位上升较为缓慢,水位的变化都是在抗剪强度相对较小并且容易软化的滑体泥岩内,故而对滑坡稳定性起着关键性的作用。监测坡脚附近孔隙水压力的变化过程结果显示,在降雨开始后第二天至临滑时刻这段时间,在高强度暴雨的条件下,孔隙水压力急剧升高,这种急剧升高的孔隙水压力必将对坡脚附近厚度不大的坡体产生“浮托作用”,产生“水垫效应”,导致摩阻力急剧降低,使坡体临近极限平衡状态,当滑坡坡脚这种急剧升高的孔隙水压力的能量聚集到一定程度的时候,滑坡坡脚必将率先发生破坏,这就内在地揭示了天台乡滑坡牵引式滑动方式的原因。
(2)在降雨过程中,坡体内水平方向的应力进行不断的调整,坡体前部坡脚的应力集中显现越来越明显。监测滑坡坡脚剪出口部位水平方向应力的变化过程显示,在降雨开始后的第一天,监测点的水平应力变化不大,显示第一天的降雨对水平应力的影响甚微。从第二天开始,监测点的水平应力有了较为明显的变化,这表明较强的降雨开始对水平方向的应力发挥作用。在降雨开始后的第三天至临滑时刻的这段时间内,水平方向的应力急剧升高,甚至有垂直于时间轴的趋势,也就意味着水平应力的瞬间无限增长。
(3)监测滑坡坡脚剪出口部位的水平方向位移的变化过程显示,在降雨开始后的第一天,降雨强度较小,监测点的水平位移变化不大,显示第一天的降雨对水平位移的影响甚微。从第二天开始,监测点的水平位移有了较为明显的变化,这表明较强的降雨开始对水平方向的位移发挥作用。在降雨开始后的第三天至临滑时刻的这段时间内,水平方向的位移急剧升高,甚至有垂直于时间轴的趋势,也就意味着水平位移的瞬间无限增长,滑坡瞬间发生牵引式滑动。
(4)模拟的结果显示,在初始时刻该滑坡的稳定系数为2.570,稳定性相当好。在降雨的第一天,稳定性没有什么变化,表明在降雨强度较小的情况下,滑坡的稳定性较好。在降雨的第二天,降雨量比第一天呈数十倍的增长,降雨对滑坡的稳定性开始发挥作用,但是到第二天结束时,滑坡总体上仍然非常稳定,原因在于虽然第二天地下水位对滑体前缘有了一定的影响,但是前缘坡脚孔隙水压力和水平方向的应力仍然上升十分有限。在降雨的第三天,降雨量比第二天又有了成倍的增长,稳定性系数在短短的十几个小时内急剧降低,原因在于前缘坡脚附近的孔隙水压力和水平方向的应力急剧上升。本次模拟滑动时间为降雨开始后第三天的晚上11点到12点之间,和实际滑动时间完全吻合。
综上所述,模拟的情况跟滑坡滑动的实际情况基本相符。经分析可知,特殊的地质条件是滑坡形成的内部因素,持续时间长、强度大的暴雨是诱发滑坡发生的外部因素。