極端冰雪災害條件下均質(zhì)穩(wěn)定性分析

極端冰雪災害條件下均質(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年以來最嚴重的持續(xù)低溫、降雨和冷凍氣候。在安徽中部、江蘇南部積雪厚度達30~45cm,湖南、湖北兩省雨雪、冰凍天氣是1954年以來持續(xù)時間最長、影響程度最嚴重的,貴州26個縣(市)的凍雨天氣持續(xù)時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)時間長,對農(nóng)業(yè)、交通、電力、通訊以及日常生活造成了嚴重影響,同時突如其來的極端冰雪災害引發(fā)了多起地質(zhì)災害。研究指出,2008年1~3月份全國地質(zhì)災害的發(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)災害與往年同期相比顯著增多。但在后期氣溫回升時,由于積雪融化成雪水未能達到暴雨級別,因此,在融雪時期未出現(xiàn)強降水的情況下,融雪不會誘發(fā)大范圍的山洪、泥石流和滑坡等山地災害,而是多以小型的淺層滑坡為主,呈現(xiàn)出區(qū)域性強、規(guī)模小等特點。冰雪融化引起的地質(zhì)災害屢見不鮮。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冰雪融化導致的巖體松動飽水引起的。2006年2~3月在日本由于冰雪融化引發(fā)了大量滑坡災害。2000年我國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)生了巨大災害。針對上述由于冰雪融化引發(fā)的地質(zhì)災害問題,國內(nèi)外學者進行了大量的研究與探索。代表性工作有:對多年凍土地區(qū)的凍融泥流現(xiàn)象的描述,對凍土邊坡失穩(wěn)類型的劃分,基于離心模型試驗的凍土層融化過程中斜坡運動機制研究等等。我國學者根據(jù)三北高寒地區(qū)巖土體的賦存環(huán)境和地質(zhì)災害表現(xiàn)形式,研究了冰雪融化引發(fā)地質(zhì)災害類型劃分與斜坡失穩(wěn)機制。以上研究主要針對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凍土,無論是其深度、熱融及凍融過程都不完全相同,對此類條件下地質(zhì)災害的類型、成因機制及影響因素研究鮮見文獻。再者由于南方極端冰雪災害氣候的罕見性,其引發(fā)的地質(zhì)災害問題未能得到應有的重視,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,針對我國南方中低緯度地區(qū)極端冰雪災害條件下引發(fā)的地質(zhì)災害類型及其影響機制的理論、試驗及數(shù)值方面的研究基本為空白。基于以上問題,本文對融雪觸發(fā)地質(zhì)災害的一般規(guī)律進行了分析,并根據(jù)南方極端冰雪災害氣候的特點,建立了簡化的有效融雪模型。以均質(zhì)松散堆積體邊坡為算例,應用加拿大巖土工程分析軟件GEOStudio分別模擬計算了融雪時坡體的滲流場、整體穩(wěn)定性及變形特征,綜合計算成果探討了極端冰雪災害條件下松散堆積體邊坡的發(fā)展演化特征。2雪和滑翔機的一般規(guī)律2.1降雨和融雪入滲的作用機制滑坡的發(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因素,如降雨、地震、人類工程活動以及庫水位變動(對庫岸滑坡)等。由于融雪與降雨在觸發(fā)滑坡災害表現(xiàn)形式上的相似性,因此,本文分析融雪觸發(fā)滑坡災害一般規(guī)律時從入滲的角度分析兩者的異同點。針對降雨誘發(fā)滑坡災害問題,國內(nèi)外在降雨與滑坡發(fā)生的時空關系、前期降雨對斜坡的穩(wěn)定性影響、雨水入滲對非飽和土參數(shù)及坡體穩(wěn)定性影響等方面開展了大量研究工作,對其觸發(fā)機制已有較為清晰的認識。強降雨作用下,當降雨強度達到該區(qū)域一定值就會產(chǎn)生滑坡群發(fā)現(xiàn)象,即降雨量閥值。對于單體滑坡,由于存在變形裂縫及巖體裂隙,在強降雨作用下坡體產(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,從而在較短時間內(nèi)坡體穩(wěn)定性急劇降低,隨即產(chǎn)生滑動。同樣地,在極端冰雪災害氣候下,經(jīng)過反復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,坡體的重度也相應增加,其力學性質(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程可用圖1示意。冰雪融化對滑坡的作用機制與降雨類似,但又不完全不同,其兩者誘發(fā)滑坡災害的時間和規(guī)模也不相同。(1)由于冰雪融化所形成的雪水量遠遠未能達到強降雨級別,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),不會對坡體形成沖刷,也不會在坡體內(nèi)部形成較大的動水壓力。(2)坡體巖土體在反復凍融作用下,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面,且由于晝夜溫差,冰雪融化緩慢,在坡體表面不會產(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),長時間的冰雪覆蓋導致了植被折斷,使得植被的根固作用減弱,在增加坡體荷載的同時減弱了其阻滑力。因此,植被發(fā)育的山區(qū)在極端冰雪災害條件下滑坡災害的發(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制湖南省是受本次雨雪冰凍災害最為嚴重且地質(zhì)災害頻發(fā)的地區(qū)。通過對該地區(qū)典型地質(zhì)災害點實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),極端冰雪災害對規(guī)模較大的滑坡體以局部影響為主,表現(xiàn)出冰雪融化對原有地質(zhì)災害的繼承性,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風化層,其中以郴州市王仙嶺風景區(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為295°,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?；瑒用鏋樯细脖榔路e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,冰封時間到2月15日結(jié)束,持續(xù)時間長達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。極端冰雪災害觸發(fā)小王仙嶺滑坡泥石流的過程為:(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凍融,孔隙不斷增大,結(jié)構進一步松散,入滲能力更強。(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)形成動水壓力;另一方面,巖土體自身抗剪強度降低,最終導致松散堆積體沿下伏基巖接觸面發(fā)生滑動(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滑坡體下滑,形成滑坡泥石流(見圖5)。3有效融雪模型當融雪條件滿足時,積雪開始融化,這時重要的是要估計融雪強度或速率,以及在一定時間段內(nèi)的融雪量。融雪強度和融雪量決定于積雪的狀態(tài)和融雪的熱量平衡條件。日本學者Niwa等于1990年在分析大壩滲流時建立了融雪徑流模型,其后Kazama等對其進行了修正,建立的降雪與融雪聯(lián)合的融雪模型(snowwaterequivalentmodel),并被推廣應用。本文借鑒其思想,建立了簡化的有效融雪模型。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)驗公式進行確定: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為引入雪雨當量SRE(snowmeltrainfallequivalent),定義為融雪期間雪融化成水的日降雨當量(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]到南方極端冰雪災害條件的特點,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用加拿大巖土工程分析軟件GEOStudio中SEEP/W模塊模擬計算冰雪融化時不同雨雪當量下松散堆積體邊坡滲流場特征。在此基礎上,應用SLOPE/W模塊中Bishop極限平衡分析法,將SEEP/W模塊中計算出來的暫態(tài)滲流場耦合到SLOPE/W模塊中,從而計算出各時刻的坡體整體穩(wěn)定性系數(shù)。最后應用SIGMA/W模塊分析不同雨雪當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個方面的計算成果結(jié)合起來,分析其在極端冰雪災害條件下的演化特征。4.1初始滲流場模擬根據(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害條件下僅表層松散堆積體發(fā)生失穩(wěn)破壞,加之沒有實測剖面,因此,本文針對此類物質(zhì)組成的滑坡現(xiàn)象設計了一均質(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)試驗成果,計算參數(shù)見表2。滲流場模擬計算的邊界條件為: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。在進行模擬計算之前坡體非飽和區(qū)的初始滲流場是模擬結(jié)果合理與否的前提,初始滲流場模擬應該使得坡體非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力(即負孔隙水壓力)達到預期的分布。許多學者和研究機構對土體的基質(zhì)吸力進行過現(xiàn)場量測,認為在天然條件下一般黏性土基質(zhì)吸力的數(shù)量級為十(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。本次模擬計算時選取6種雪雨當量,見表3。融雪過程歷時15d,考慮到晝夜溫差,簡化為每天12h融雪,12h不融雪。分別考察在不同雪雨當量下松散堆積體邊坡滲流場及非飽和區(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,經(jīng)過15d融雪完成之后坡面上孔隙水壓力分布圖(負孔隙水壓力即基質(zhì)吸力)。圖10為SRE=3mm/d時地下水位線隨融雪時間的變化關系。從圖9中可以看出,SRE分別為0.6、1.2、1.8、2.4、3mm/d時,經(jīng)過15d的融雪之后坡體的滲流場是相同的,即每天融雪時坡體的滲流場沒有變化。坡體前緣至中部,基質(zhì)吸力逐漸減小,直至飽和,而后緣則無明顯變化,但比不融雪時基質(zhì)吸力有所減小,圖10也說明了這一點。當雪雨當量SRE=3mm/d時,在水平距離100m處自坡體表面向下1m(節(jié)點1834),5m(節(jié)點1829)和10m(節(jié)點1825)處分別設觀測點,在整個融雪過程中其基質(zhì)吸力與融雪時間之間的關系如圖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融雪時間對邊坡穩(wěn)定性的影響將SEEP/W模塊中計算得到的暫態(tài)滲流場耦合到SLOPE/W模塊中,應用簡化Bishop極限平衡法計算坡體的整體穩(wěn)定性。由滲流場模擬結(jié)果可知,在融雪時各試算的雪雨當量下該松散堆積體邊坡滲流場相同,因此,其對坡體的穩(wěn)定性亦是相同的。此處僅計算SRE=3mm/d時的坡體整體穩(wěn)定性隨融雪時間的關系,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)定性計算,此處應用SIGMA/W模塊模擬計算SRE=0(即不融雪)和SRE=3mm/d時坡體的變形位移,采用理想彈塑性本構模型。天然狀態(tài)下,不融雪時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、豎向位移與融雪時間的關系分別如圖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,在坡腳附近達到最大,而豎向位移則剛好相反,這與坡體的實際狀態(tài)是相吻合的。圖14(a)、(b)說明,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,而在前緣表現(xiàn)出隆起。圖14、15與圖12共同說明,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融雪量對邊坡變形的影響(1)極端冰雪災害條件下,融雪觸發(fā)滑坡災害規(guī)律與強降雨類似,但又不完全相同,兩者誘發(fā)滑坡災害的時間和規(guī)模也不一樣。首先,融雪量達不到強降雨級別,不會產(chǎn)生大量積水與快速徑流,不會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面。與強降雨相比,其引起的坡體變形是淺層的、局部的、緩慢的;再者,長時間的冰雪覆蓋導致了植被折斷,使得植被的根固作用減弱,在增加坡體荷載的同時減弱了其阻滑力,因此,植被發(fā)育的山區(qū)在極端冰雪災害條件下