極端冰雪災(zāi)害條件下均質(zhì)穩(wěn)定性分析

極端冰雪災(zāi)害條件下均質(zhì)穩(wěn)定性分析

1融雪引發(fā)的主要自然災(zāi)害2008年1月12日至2月初，湖南省、湖北省、安徽省、江西省、貴州省和廣西省等省出現(xiàn)了54年以來(lái)最嚴(yán)重的持續(xù)低溫、降雨和冷凍氣候。在安徽中部、江蘇南部積雪厚度達(dá)30~45cm,湖南、湖北兩省雨雪、冰凍天氣是1954年以來(lái)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響程度最嚴(yán)重的,貴州26個(gè)縣(市)的凍雨天氣持續(xù)時(shí)間也突破了歷史記錄。由于雨雪量大、積雪深、低溫冰凍持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)農(nóng)業(yè)、交通、電力、通訊以及日常生活造成了嚴(yán)重影響,同時(shí)突如其來(lái)的極端冰雪災(zāi)害引發(fā)了多起地質(zhì)災(zāi)害。研究指出,2008年1~3月份全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受冰雪融化影響顯著,其中受此次極端冰雪氣候影響的地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與往年同期相比顯著增多。但在后期氣溫回升時(shí),由于積雪融化成雪水未能達(dá)到暴雨級(jí)別,因此,在融雪時(shí)期未出現(xiàn)強(qiáng)降水的情況下,融雪不會(huì)誘發(fā)大范圍的山洪、泥石流和滑坡等山地災(zāi)害,而是多以小型的淺層滑坡為主,呈現(xiàn)出區(qū)域性強(qiáng)、規(guī)模小等特點(diǎn)。冰雪融化引起的地質(zhì)災(zāi)害屢見不鮮。瑞士阿爾卑斯山系已調(diào)查的體積大于108m3的特大型滑坡就有幾十處,多數(shù)是由于第四系冰川后退時(shí)冰雪融化導(dǎo)致的巖體松動(dòng)飽水引起的。2006年2~3月在日本由于冰雪融化引發(fā)了大量滑坡災(zāi)害。2000年我國(guó)西藏易貢滑坡就是由于雪峰冰雪融化引發(fā)山體崩滑并形成碎屑流,產(chǎn)生了巨大災(zāi)害。針對(duì)上述由于冰雪融化引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究與探索。代表性工作有:對(duì)多年凍土地區(qū)的凍融泥流現(xiàn)象的描述,對(duì)凍土邊坡失穩(wěn)類型的劃分,基于離心模型試驗(yàn)的凍土層融化過(guò)程中斜坡運(yùn)動(dòng)機(jī)制研究等等。我國(guó)學(xué)者根據(jù)三北高寒地區(qū)巖土體的賦存環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害表現(xiàn)形式,研究了冰雪融化引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害類型劃分與斜坡失穩(wěn)機(jī)制。以上研究主要針對(duì)具有常年凍土的高寒地區(qū),相比之下,南方極端冰雪條件下的短時(shí)凍土,無(wú)論是其深度、熱融及凍融過(guò)程都不完全相同,對(duì)此類條件下地質(zhì)災(zāi)害的類型、成因機(jī)制及影響因素研究鮮見文獻(xiàn)。再者由于南方極端冰雪災(zāi)害氣候的罕見性,其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題未能得到應(yīng)有的重視,加之在地形、地質(zhì)環(huán)境條件、氣候環(huán)境等等與高寒地區(qū)存在極大的差異,因此,針對(duì)我國(guó)南方中低緯度地區(qū)極端冰雪災(zāi)害條件下引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害類型及其影響機(jī)制的理論、試驗(yàn)及數(shù)值方面的研究基本為空白?；谝陨蠁?wèn)題,本文對(duì)融雪觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的一般規(guī)律進(jìn)行了分析,并根據(jù)南方極端冰雪災(zāi)害氣候的特點(diǎn),建立了簡(jiǎn)化的有效融雪模型。以均質(zhì)松散堆積體邊坡為算例,應(yīng)用加拿大巖土工程分析軟件GEOStudio分別模擬計(jì)算了融雪時(shí)坡體的滲流場(chǎng)、整體穩(wěn)定性及變形特征,綜合計(jì)算成果探討了極端冰雪災(zāi)害條件下松散堆積體邊坡的發(fā)展演化特征。2雪和滑翔機(jī)的一般規(guī)律2.1降雨和融雪入滲的作用機(jī)制滑坡的發(fā)生受其自身物質(zhì)組成、所處地質(zhì)環(huán)境以及外界誘發(fā)因素3個(gè)方面的綜合控制?；碌奈镔|(zhì)組成與地質(zhì)環(huán)境是固有的,并在一定時(shí)間段內(nèi)是靜止的,而外界誘發(fā)因素則是滑坡最為活躍的主導(dǎo)因素,如降雨、地震、人類工程活動(dòng)以及庫(kù)水位變動(dòng)(對(duì)庫(kù)岸滑坡)等。由于融雪與降雨在觸發(fā)滑坡災(zāi)害表現(xiàn)形式上的相似性,因此,本文分析融雪觸發(fā)滑坡災(zāi)害一般規(guī)律時(shí)從入滲的角度分析兩者的異同點(diǎn)。針對(duì)降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外在降雨與滑坡發(fā)生的時(shí)空關(guān)系、前期降雨對(duì)斜坡的穩(wěn)定性影響、雨水入滲對(duì)非飽和土參數(shù)及坡體穩(wěn)定性影響等方面開展了大量研究工作,對(duì)其觸發(fā)機(jī)制已有較為清晰的認(rèn)識(shí)。強(qiáng)降雨作用下,當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到該區(qū)域一定值就會(huì)產(chǎn)生滑坡群發(fā)現(xiàn)象,即降雨量閥值。對(duì)于單體滑坡,由于存在變形裂縫及巖體裂隙,在強(qiáng)降雨作用下坡體產(chǎn)生有壓滲透,雨水入滲量大大增加,基質(zhì)吸力大幅度降低,從而在較短時(shí)間內(nèi)坡體穩(wěn)定性急劇降低,隨即產(chǎn)生滑動(dòng)。同樣地,在極端冰雪災(zāi)害氣候下,經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融作用使得地表松散堆積體孔隙度增加,滲透系數(shù)增大,含水率增大,土質(zhì)變得疏松,坡體的重度也相應(yīng)增加,其力學(xué)性質(zhì)也隨著下降,坡體穩(wěn)定性降低。降雨與融雪入滲的作用過(guò)程可用圖1示意。冰雪融化對(duì)滑坡的作用機(jī)制與降雨類似,但又不完全不同,其兩者誘發(fā)滑坡災(zāi)害的時(shí)間和規(guī)模也不相同。(1)由于冰雪融化所形成的雪水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到強(qiáng)降雨級(jí)別,絕大部分入滲到地表松散堆積體中,徑流較少(坡度較大的山坡和氣溫迅速升高情況下可能例外),不會(huì)對(duì)坡體形成沖刷,也不會(huì)在坡體內(nèi)部形成較大的動(dòng)水壓力。(2)坡體巖土體在反復(fù)凍融作用下,其孔隙度的增大使得雪水可以充分入滲而軟化滑坡體和滑動(dòng)面,且由于晝夜溫差,冰雪融化緩慢,在坡體表面不會(huì)產(chǎn)生有壓滲透,從而入滲速度緩慢,因此,與降雨相比,其引起的坡體變形是淺層的、局部的、緩慢的。(3)在植被發(fā)育地區(qū),長(zhǎng)時(shí)間的冰雪覆蓋導(dǎo)致了植被折斷,使得植被的根固作用減弱,在增加坡體荷載的同時(shí)減弱了其阻滑力。因此,植被發(fā)育的山區(qū)在極端冰雪災(zāi)害條件下滑坡災(zāi)害的發(fā)生概率高于其在降雨條件下的發(fā)生概率。2.2小王仙嶺滑坡及泥石流的形成機(jī)制湖南省是受本次雨雪冰凍災(zāi)害最為嚴(yán)重且地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)。通過(guò)對(duì)該地區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),極端冰雪災(zāi)害對(duì)規(guī)模較大的滑坡體以局部影響為主,表現(xiàn)出冰雪融化對(duì)原有地質(zhì)災(zāi)害的繼承性,且絕大部分的局部變形又出現(xiàn)在滑坡體上覆的松散堆積體上,物質(zhì)組成為殘積或崩坡積成因的碎石土、古滑坡堆積成因的黏土和粉質(zhì)黏土以及花崗巖的強(qiáng)風(fēng)化層,其中以郴州市王仙嶺風(fēng)景區(qū)的小王仙嶺滑坡碎屑流最具代表性。小王仙嶺滑坡主滑方向?yàn)?95°,坡體中部寬約11.2m,后緣高程約500m,滑體體積約5000m3。坡體位于兩側(cè)山脊之間的溝谷中,縱剖面為折線形,中部略凸起,上緩下陡。上部坡度約為40°,中坡度約為50°~55°,下部約為60°。坡體物質(zhì)組成為崩坡積物,物質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土夾碎塊石,碎塊石巖性為中粒電氣石花崗巖,粒徑3~70m不等,碎塊石含量為70%?？梢娀鶐r出露,巖性為中粒電氣石花崗巖,石英含量較高?；瑒?dòng)面為上覆崩坡積層與基巖接觸面。2008年元旦之后,王仙嶺生態(tài)公園連續(xù)多日出現(xiàn)陰雨、凍雨、雨夾雪和大雪天氣。尤其在1月13日之后,氣溫驟降,在連續(xù)3d暴雪之后,有持續(xù)3周的陰雨、大雪、超低溫和冰凍等惡劣天氣,冰封時(shí)間到2月15日結(jié)束,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)41d之久。之后便受南方暖濕氣流影響,氣溫回升很快,冰雪大量融化并伴有降雨出現(xiàn),從而為小王仙嶺滑坡及泥石流的形成提供了十分重要的外部條件,其全貌如圖2所示。極端冰雪災(zāi)害觸發(fā)小王仙嶺滑坡泥石流的過(guò)程為:(1)前期陰雨、凍雨的入滲提高了上覆松散堆積體含水率,由于晝夜溫差而反復(fù)凍融,孔隙不斷增大,結(jié)構(gòu)進(jìn)一步松散,入滲能力更強(qiáng)。(2)連續(xù)3d暴雪加之3周的陰雨、大雪、超低溫和冰凍后,坡體荷載急劇增大,且植被由于覆蓋的冰雪太厚而折斷、傾倒,植被的根固作用大大降低,造成了坡體局部變形而產(chǎn)生裂縫(見圖3)。(3)冰封結(jié)束后,由于氣溫回升,冰雪開始融化,雪水沿著坡體孔隙、裂縫、植被根系松動(dòng)圈等入滲,坡體含水率逐漸增加,土體自重也隨著增加。隨著融雪的持續(xù),一方面,入滲的孔隙水在坡體內(nèi)形成動(dòng)水壓力;另一方面,巖土體自身抗剪強(qiáng)度降低,最終導(dǎo)致松散堆積體沿下伏基巖接觸面發(fā)生滑動(dòng)(圖4)。(4)由于受南方暖濕氣流影響,持續(xù)的降雨使冰雪融化速度加快,在滑坡體上產(chǎn)生積水與徑流,形成有壓滲透并沖刷坡體,大量的雪水與降雨帶動(dòng)滑坡體下滑,形成滑坡泥石流(見圖5)。3有效融雪模型當(dāng)融雪條件滿足時(shí),積雪開始融化,這時(shí)重要的是要估計(jì)融雪強(qiáng)度或速率,以及在一定時(shí)間段內(nèi)的融雪量。融雪強(qiáng)度和融雪量決定于積雪的狀態(tài)和融雪的熱量平衡條件。日本學(xué)者Niwa等于1990年在分析大壩滲流時(shí)建立了融雪徑流模型,其后Kazama等對(duì)其進(jìn)行了修正,建立的降雪與融雪聯(lián)合的融雪模型(snowwaterequivalentmodel),并被推廣應(yīng)用。本文借鑒其思想,建立了簡(jiǎn)化的有效融雪模型。引入度日因子a,定義為每天氣溫上升1℃所產(chǎn)生的融雪深度。采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行確定:式中:a為引入度日因子(cm/℃·d);ρs為雪密度;ρw為水密度。積雪密度采用表1中的逐月均值。取1月份的平均積雪密度,得出度日因子α為引入雪雨當(dāng)量SRE(snowmeltrainfallequivalent),定義為融雪期間雪融化成水的日降雨當(dāng)量(mm/d)。建立的有效融雪模型如圖6所示。根據(jù)融雪前后質(zhì)量守恒,得由此可得式中:T為融雪期間溫度(℃)?？紤]到南方極端冰雪災(zāi)害條件的特點(diǎn),如積雪深度、日氣溫變化等因素,T的取值范圍定為0≤T≤15℃。4極限平衡分析方法應(yīng)用加拿大巖土工程分析軟件GEOStudio中SEEP/W模塊模擬計(jì)算冰雪融化時(shí)不同雨雪當(dāng)量下松散堆積體邊坡滲流場(chǎng)特征。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用SLOPE/W模塊中Bishop極限平衡分析法,將SEEP/W模塊中計(jì)算出來(lái)的暫態(tài)滲流場(chǎng)耦合到SLOPE/W模塊中,從而計(jì)算出各時(shí)刻的坡體整體穩(wěn)定性系數(shù)。最后應(yīng)用SIGMA/W模塊分析不同雨雪當(dāng)量下松散堆積體邊坡變形位移特征。本文將松散堆積體邊坡的上述3個(gè)方面的計(jì)算成果結(jié)合起來(lái),分析其在極端冰雪災(zāi)害條件下的演化特征。4.1初始滲流場(chǎng)模擬根據(jù)小王仙嶺滑坡泥石流的工程地質(zhì)概況,考慮其在極端冰雪災(zāi)害條件下僅表層松散堆積體發(fā)生失穩(wěn)破壞,加之沒(méi)有實(shí)測(cè)剖面,因此,本文針對(duì)此類物質(zhì)組成的滑坡現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一均質(zhì)松散堆積體邊坡作為概化模型。坡體的物質(zhì)組成為殘坡積土,物質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土夾碎塊石,其數(shù)值模型如圖7所示。根據(jù)小王仙嶺滑坡體上紅色粉質(zhì)黏土的室內(nèi)試驗(yàn)成果,計(jì)算參數(shù)見表2。滲流場(chǎng)模擬計(jì)算的邊界條件為:模型左側(cè)為定流量邊界,右側(cè)為定水頭邊界,底部為0流量邊界,坡體表面為融雪入滲邊界。在進(jìn)行模擬計(jì)算之前坡體非飽和區(qū)的初始滲流場(chǎng)是模擬結(jié)果合理與否的前提,初始滲流場(chǎng)模擬應(yīng)該使得坡體非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力(即負(fù)孔隙水壓力)達(dá)到預(yù)期的分布。許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)土體的基質(zhì)吸力進(jìn)行過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè),認(rèn)為在天然條件下一般黏性土基質(zhì)吸力的數(shù)量級(jí)為十(單位:kPa)。本文模擬的松散堆積體邊坡主要物質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土,因此,坡體初始滲流場(chǎng)中基質(zhì)吸力也調(diào)整在這一范圍內(nèi),如圖8所示。本次模擬計(jì)算時(shí)選取6種雪雨當(dāng)量,見表3。融雪過(guò)程歷時(shí)15d,考慮到晝夜溫差,簡(jiǎn)化為每天12h融雪,12h不融雪。分別考察在不同雪雨當(dāng)量下松散堆積體邊坡滲流場(chǎng)及非飽和區(qū)基質(zhì)吸力的變化。圖9為SRE分別為0、0.6、1.2、1.8、2.4、3mm/d時(shí),經(jīng)過(guò)15d融雪完成之后坡面上孔隙水壓力分布圖(負(fù)孔隙水壓力即基質(zhì)吸力)。圖10為SRE=3mm/d時(shí)地下水位線隨融雪時(shí)間的變化關(guān)系。從圖9中可以看出,SRE分別為0.6、1.2、1.8、2.4、3mm/d時(shí),經(jīng)過(guò)15d的融雪之后坡體的滲流場(chǎng)是相同的,即每天融雪時(shí)坡體的滲流場(chǎng)沒(méi)有變化。坡體前緣至中部,基質(zhì)吸力逐漸減小,直至飽和,而后緣則無(wú)明顯變化,但比不融雪時(shí)基質(zhì)吸力有所減小,圖10也說(shuō)明了這一點(diǎn)。當(dāng)雪雨當(dāng)量SRE=3mm/d時(shí),在水平距離100m處自坡體表面向下1m(節(jié)點(diǎn)1834),5m(節(jié)點(diǎn)1829)和10m(節(jié)點(diǎn)1825)處分別設(shè)觀測(cè)點(diǎn),在整個(gè)融雪過(guò)程中其基質(zhì)吸力與融雪時(shí)間之間的關(guān)系如圖11所示。從圖11中可以看出,基質(zhì)吸力的減小在近地表處(地下1m)表現(xiàn)不明顯,在融雪3~4d后,地下5m和10m處基質(zhì)吸力才有明顯減小,說(shuō)明坡體非飽和區(qū)隨著融雪的持續(xù)在不斷地消失而逐漸呈飽和狀態(tài)。4.2融雪時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響將SEEP/W模塊中計(jì)算得到的暫態(tài)滲流場(chǎng)耦合到SLOPE/W模塊中,應(yīng)用簡(jiǎn)化Bishop極限平衡法計(jì)算坡體的整體穩(wěn)定性。由滲流場(chǎng)模擬結(jié)果可知,在融雪時(shí)各試算的雪雨當(dāng)量下該松散堆積體邊坡滲流場(chǎng)相同,因此,其對(duì)坡體的穩(wěn)定性亦是相同的。此處僅計(jì)算SRE=3mm/d時(shí)的坡體整體穩(wěn)定性隨融雪時(shí)間的關(guān)系,其結(jié)果如圖12所示。從圖可以看出,隨著融雪的持續(xù),松散堆積體邊坡的穩(wěn)定性逐漸下降,并且穩(wěn)定系數(shù)的下降具有滯后性,表現(xiàn)為融雪停止的12h大幅度下降。4.3坡面和豎向位移同穩(wěn)定性計(jì)算,此處應(yīng)用SIGMA/W模塊模擬計(jì)算SRE=0(即不融雪)和SRE=3mm/d時(shí)坡體的變形位移,采用理想彈塑性本構(gòu)模型。天然狀態(tài)下,不融雪時(shí)松散堆積體邊坡表面水平位移如圖13所示,坡面上水平位移、豎向位移與融雪時(shí)間的關(guān)系分別如圖14、15所示。圖13表明,在天然狀態(tài)下坡面水平位移由后緣至前緣逐漸增大,在坡腳附近達(dá)到最大,而豎向位移則剛好相反,這與坡體的實(shí)際狀態(tài)是相吻合的。圖14(a)、(b)說(shuō)明,隨著融雪的持續(xù),坡面處水平位移逐漸增大,且前緣變形大于后緣。圖15(a)、(b)說(shuō)明隨著融雪的持續(xù),坡面豎向位移逐漸增大,且在后緣表現(xiàn)出下錯(cuò),而在前緣表現(xiàn)出隆起。圖14、15與圖12共同說(shuō)明,約在融雪9d之后,水平位移與豎向位移急劇增大到幾米,坡體出現(xiàn)整體失穩(wěn)。5融雪量對(duì)邊坡變形的影響(1)極端冰雪災(zāi)害條件下,融雪觸發(fā)滑坡災(zāi)害規(guī)律與強(qiáng)降雨類似,但又不完全相同,兩者誘發(fā)滑坡災(zāi)害的時(shí)間和規(guī)模也不一樣。首先,融雪量達(dá)不到強(qiáng)降雨級(jí)別,不會(huì)產(chǎn)生大量積水與快速?gòu)搅?不會(huì)形成有壓滲透和沖刷地表;其次,由于晝夜溫差,冰雪融化緩慢,從而入滲也很緩慢,但巖土體在反復(fù)凍融作用下,其孔隙度的增大使得雪水可以充分入滲而軟化滑坡體和滑動(dòng)面。與強(qiáng)降雨相比,其引起的坡體變形是淺層的、局部的、緩慢的;再者,長(zhǎng)時(shí)間的冰雪覆蓋導(dǎo)致了植被折斷,使得植被的根固作用減弱,在增加坡體荷載的同時(shí)減弱了其阻滑力,因此,植被發(fā)育的山區(qū)在極端冰雪災(zāi)害條件下