不同降雨工況下紅黏土邊坡持水響應(yīng)規(guī)律與穩(wěn)定性分析

薛凱喜，丁 辰，康國芳，陳國房，周朝慧，王安禮，李向輝

(1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 100001；3.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近年來，氣候異常多變，極端降雨誘發(fā)的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害在我國南方地區(qū)時(shí)有發(fā)生。相關(guān)研究成果表明，90%的地質(zhì)災(zāi)害都是由降雨誘發(fā)[1]。降雨誘發(fā)的地災(zāi)以滑坡最為常見，發(fā)生頻次高，分布廣。目前，諸多學(xué)者針對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性做了大量相關(guān)研究，并已取得豐碩成果。萬思豪等[2]分析了裂隙性土質(zhì)邊坡在不同降雨工況下的滲流特性；何松等[3]針對不同氣候條件，對紅黏土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析得出，雨水蒸發(fā)和降雨沖刷均是影響邊坡穩(wěn)定性重要因素；龍安發(fā)等[4]進(jìn)行典型降雨工況下紅黏土邊坡干濕循環(huán)試驗(yàn)研究，分析了干濕循環(huán)下力學(xué)參數(shù)演變和破壞機(jī)制；Xue等[5]、鄭開歡等[6]利用數(shù)值模擬軟件研究長時(shí)間暴雨作用下邊坡穩(wěn)定性及變形的影響；Chen[7]進(jìn)行了人工降雨工況下的紅黏土邊坡試驗(yàn)研究；Chen等[8]對紅黏土的土-水特征曲線進(jìn)行了研究，提出了一種快速測定紅黏土土-水保持曲線的新方法。然而，諸多學(xué)者的研究成果中，以江西地區(qū)紅黏土邊坡為對象，研究和分析持水響應(yīng)機(jī)制和邊坡穩(wěn)定性的依舊較少。

江西省地處我國中部地區(qū)，常年降雨充沛，季節(jié)性降雨特征明顯，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率常年高居全國前列，屬于地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)地區(qū)[9]。其中，滑坡更是各種地質(zhì)災(zāi)害中最為常見的類型，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失[10]。江西省范圍內(nèi)分布了廣泛的紅黏土，具有較為明顯的地域特征。紅黏土是一種具有多裂縫性、強(qiáng)脹縮的高塑性黏土，在濕度環(huán)境中具有高敏度[11]?；诖?，本文利用Geostudio數(shù)值模擬軟件，建立考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模型[12]，研究不同降雨工況下江西地區(qū)典型紅黏土邊坡季節(jié)性孔隙水壓力、體積含水量和安全系數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而分析典型降雨工況下雨水入滲特征和邊坡的穩(wěn)定性，為紅黏土邊坡支護(hù)及地災(zāi)防治工作提供理論支持。

1 紅黏土邊坡數(shù)值模擬

本文選取數(shù)值模擬軟件Geostudio的Seep/W與Slope/W模塊，分別進(jìn)行紅黏土邊坡的降雨數(shù)值模擬及邊坡穩(wěn)定性模擬，并對結(jié)果進(jìn)行分析。邊坡周圍的溫度、濕度及土體本身的水分蒸發(fā)量(干濕循環(huán))等因素均會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，由于對最終結(jié)果影響不大可以忽略，在本模擬過程中將降雨單量作為降雨工況的唯一控制指標(biāo)。

1.1 模型建立

本模型將江西省內(nèi)典型的紅黏土邊坡[10]作為研究對象，對其在不同降雨工況下降雨入滲情況及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。實(shí)際工程中，邊坡常呈現(xiàn)為凹凸不平、不規(guī)則等特征，在本研究模擬過程中對邊坡進(jìn)行了簡化，化曲為直，邊坡模型周界均以直線表示，便于分析計(jì)算。邊坡左右兩側(cè)坡高分別設(shè)置為20.5 m和10.5 m，邊坡的頂面、底面和邊坡坡長均設(shè)置成15 m，邊坡坡高為10 m，坡率為1∶1.5。為了便于研究不同降雨工況下紅黏土邊坡的降雨入滲響應(yīng)特征和變化趨勢，并且分析結(jié)果更精確，對邊坡坡面以下0.5 m范圍內(nèi)設(shè)置5層厚度為0.1 m的表面層單元。

為了便于研究紅黏土邊坡在不同季節(jié)特征下的降雨入滲響應(yīng)情況及分析其穩(wěn)定性，本研究針對不同季節(jié)性降雨共設(shè)置了4種不同的降雨工況。其中，各工況下設(shè)定無降雨時(shí)表述為常態(tài)，所有工況的降雨類型均采取平均型降雨。表 1為各工況下的相關(guān)參數(shù)。本文將強(qiáng)降雨、陰雨及常規(guī)狀態(tài)下的降雨強(qiáng)度分別設(shè)置為70、10、0 mm/d等。3種降雨量均滿足江西地區(qū)降雨強(qiáng)度，與研究區(qū)現(xiàn)實(shí)降雨工況有較高對應(yīng)性[3]。

表1 不同降雨工況 mm/d

在不同深度及不同位置設(shè)定監(jiān)測對比點(diǎn)，同時(shí)保證4種不同降雨工況下的工況均基于同一初始狀態(tài)。初始狀態(tài)下孔隙水壓力分布見圖1。在圖1中，D1～D8分別表示距地表0、0.5、2.5、4.5、6.5、8.5、10.5、12.5m的8個(gè)不同深度處的監(jiān)測點(diǎn)；L1～L5為布設(shè)在坡頂、坡肩、坡面、坡腳及坡底的5個(gè)不同位置的監(jiān)測點(diǎn)。設(shè)定不同深度及不同位置2個(gè)分析參量量化不同降雨條件下邊坡的滲流響應(yīng)變化。在Geostudio軟件的計(jì)算分析中2 000～3 000個(gè)監(jiān)測點(diǎn)即可達(dá)到較為精確的解，本文同時(shí)考慮到計(jì)算步時(shí)和實(shí)際工況要求，對模型表層單元格加密。處理完成后，本模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分及加密處理后得到3 708個(gè)有限元監(jiān)測點(diǎn)和3 600個(gè)有限元單元。

圖1 初始狀態(tài)下孔隙水壓力分布(單位：kPa)

參考江西區(qū)域典型的紅黏土邊坡勘查資料[10]，本模型取自重應(yīng)力場為初始應(yīng)力場，試驗(yàn)地區(qū)地下水位較淺，所以在模型建立時(shí)考慮到存在地下水及其水位的分布情況，左側(cè)縱坐標(biāo)0～6 m范圍內(nèi)及右側(cè)縱坐標(biāo)0～3 m范圍內(nèi)設(shè)置為常水頭，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際將模型地下水位以上邊界均設(shè)定為不透水。

1.2 滲透參數(shù)

本研究通過變水頭試驗(yàn)測定紅黏土試樣的滲透系數(shù)為0.775 2 m/d，通過直剪試驗(yàn)獲得紅黏土強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c=21.03 kPa、內(nèi)摩擦角φ=19.5°。先將紅黏土試樣大顆粒手工挑選出來，然后用振動(dòng)篩分機(jī)將自然風(fēng)干的土體進(jìn)行篩分，獲得如圖 2所示的顆粒級配曲線。本文參照Geostudio軟件中的樣本函數(shù)粒徑數(shù)據(jù)和樣本函數(shù)估算方法，將干-濕路徑下的土-水特征曲線SWCC作為滲流計(jì)算的基礎(chǔ)預(yù)測土-水特征曲線，見圖 3。此外，根據(jù)Fredlud&Xing模型[13]與土-水特征曲線的方法求得非飽和紅黏土滲透曲線，見圖4。

圖2 顆粒級配

圖3 土-水特征曲線

圖4 非飽和紅黏土滲透系數(shù)

2 紅黏土邊坡降雨入滲規(guī)律

本文采用Geostudio軟件的Seep/W模塊模擬不同降雨工況，對紅黏土邊坡的降雨入滲規(guī)律進(jìn)行分析，將孔隙水壓力和體積含水量作為邊坡滲流分析的重要指標(biāo)[14]。

2.1 孔隙水壓力變化規(guī)律

工況①。常態(tài)21 d后強(qiáng)降雨7 d(常態(tài)時(shí)不采取降雨措施，而后連續(xù)7 d進(jìn)行70 mm/d的強(qiáng)降雨)，不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖5。從圖5可知，該工況下，在前21 d邊坡的孔隙水壓力不發(fā)生改變，呈現(xiàn)直線式；21 d后，紅黏土邊坡受到降雨作用，各監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力開始呈現(xiàn)增長趨勢，監(jiān)測點(diǎn)越靠近地表，該監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力增幅越大，地表及地表以下0.5 m處最為明顯，呈現(xiàn)跳躍式增長；反之，距離地表越遠(yuǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力值增幅越?。坏乇硖幍目紫端畨毫χ底兓茸畲?，區(qū)間為-151.77～-40.65 kPa，距離地表12.5 m處孔隙水壓力變化幅度最小，區(qū)間為-29.49～-13.10 kPa。

圖5 工況①不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化

工況②。強(qiáng)降雨7 d后常態(tài)21 d(強(qiáng)降雨設(shè)定為70 mm/d，常態(tài)下無降雨作用)，不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖6。從圖6可知，突然的強(qiáng)降雨使得地表及靠近地表處的孔隙水壓力急劇上升，而距離地表越遠(yuǎn)處其孔隙水壓力上升態(tài)勢相對較緩；距離地表更近處監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力到達(dá)峰值的時(shí)間比距離地表更遠(yuǎn)處監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力達(dá)到峰值的時(shí)間稍早，這是由于降雨強(qiáng)度大，雨水入滲速度比土體的飽和滲流速度更大所致，導(dǎo)致所降雨水不能及時(shí)滲入地下，具有一定的滯后性；從常態(tài)開始時(shí)，所有監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力均減小，且距離地表越近的監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力減小程度越大。

圖6 工況②不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化

工況③。常態(tài)21 d后陰雨21 d(設(shè)定降雨量為10 mm/d，常態(tài)下無降雨作用)，不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖7。從圖7可知，在前21 d常態(tài)時(shí)，紅黏土邊坡的孔隙水壓力與常態(tài)21 d后強(qiáng)降雨7 d工況下一致，均維持初始狀態(tài)。陰雨天氣開始后，地表及地表以下0.5 m處的監(jiān)測點(diǎn)首先出現(xiàn)響應(yīng)，孔隙水壓力增大，而后地表以下更深

圖7 工況③不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化

處監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力才逐漸出現(xiàn)響應(yīng)，這是由于地表處土體首先接觸到降雨，導(dǎo)致孔隙水壓力最先發(fā)生變化，且此工況下降雨量較小，土體中水分距離地表越遠(yuǎn)處滲流速度越慢。地表至地表以下2.5 m處孔隙水壓力的增長速度較快且增幅也較大，但隨著降雨時(shí)間進(jìn)行其值大小相當(dāng)；反之，地表以下4.5～12.5 m位置監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力則增幅較小。

工況④。陰雨21 d后常態(tài)21 d(設(shè)定降雨量為10 mm/d，常態(tài)下無降雨作用)，不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨深度及時(shí)間變化見圖8。從圖8可知，該工況下的孔隙水壓力總體趨勢表現(xiàn)為隨著降雨進(jìn)行逐漸升高，降雨結(jié)束后土中孔隙水壓力值也逐漸減小。與上述工況類似，孔隙水壓力值的變化幅度與距離地表的深度呈負(fù)相關(guān)。

圖8 工況④不同深度監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化

2.2 體積含水量變化規(guī)律

為研究紅黏土邊坡在不同位置處體積含水量的響應(yīng)特征，本研究在坡頂、坡肩、坡面、坡腳、坡底分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)L1、L2、L3、L4、L5，且各監(jiān)測點(diǎn)與地表的高差相同。不同工況下不同監(jiān)測點(diǎn)處體積含水量變化見圖9。從圖 9可知，不同工況下各監(jiān)測點(diǎn)的體積含水量呈現(xiàn)不同的變化趨勢，但無論哪種工況，同一工況下不同監(jiān)測點(diǎn)的體積含水量變化規(guī)律卻是基本一致的。通過模擬，體積含水量的變化幅度總體呈現(xiàn)為：坡肩>坡頂>坡面>坡腳>坡底。

圖9 不同工況下不同監(jiān)測點(diǎn)處體積含水量變化

3 紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析

安全系數(shù)是評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性極其重要的參數(shù)，安全系數(shù)越大坡體越穩(wěn)固。坡體的安全系數(shù)受邊坡的飽和和非飽和巖土體的力學(xué)、水力和水文特性影響[14]。本文將前述的Seep/W模塊的分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入Slope/W模塊，并且增加強(qiáng)降雨干濕循環(huán)和陰雨干濕循環(huán)2種工況，得到各階段的安全系數(shù)，用于分析坡體穩(wěn)定性變化情況。不同降雨單量工況下邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化見圖10。從常態(tài)后強(qiáng)降雨、常態(tài)后陰雨及2種干濕循環(huán)工況對比分析可知，常態(tài)時(shí)，各降雨工況下坡體的安全系數(shù)基本不發(fā)生變化，此時(shí)邊坡中土體并未受到雨水侵蝕和沖刷，坡體維持穩(wěn)定狀態(tài)。從強(qiáng)降雨和陰雨2種工況對比可知，降雨強(qiáng)度越大，安全系數(shù)減幅也越大，此時(shí)降雨強(qiáng)度是唯一變量。當(dāng)有降雨作用時(shí)，紅黏土邊坡的安全系數(shù)隨著降雨時(shí)長持續(xù)進(jìn)行而不斷減小，降雨結(jié)束后會(huì)緩慢增長，但安全系數(shù)無法完全恢復(fù)。此外，從2種干濕循環(huán)降雨的模擬結(jié)果看，土體干濕循環(huán)會(huì)顯著降低坡體安全系數(shù)，對于邊坡穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為負(fù)作用，且作用效果不可逆。

圖10 不同降雨單量工況下邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化

4 結(jié) 語

本文采用Geostudio軟件建立紅黏土邊坡模型，設(shè)定不同降雨工況進(jìn)行對比分析，得到邊坡不同深度監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力、不同位置監(jiān)測點(diǎn)處的體積含水量等參數(shù)，利用Seep/W模塊分析邊坡入滲規(guī)律和特征，并利用Slope/W模塊研究了安全系數(shù)響應(yīng)規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)前期為常態(tài)工況下，邊坡未受到任何影響，紅黏土邊坡的各指標(biāo)參數(shù)均呈現(xiàn)初始狀態(tài)。當(dāng)降雨開始后，邊坡孔隙水壓力、體積含水量均開始增大，與之對應(yīng)的安全系數(shù)會(huì)逐漸降低，降雨越強(qiáng)，邊坡土體的孔隙水壓力、體積含水量及安全系數(shù)的變化幅度越大；降雨結(jié)束后，安全系數(shù)會(huì)緩慢增長，但無法完全恢復(fù)。土體干濕循環(huán)對于邊坡穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為負(fù)作用，且作用效果不可逆。

(2)邊坡降雨入滲響應(yīng)在地表處最為強(qiáng)烈，且地表處的孔隙水壓力值變化幅度最大，區(qū)間為-151.77～-40.65 kPa，其作用效應(yīng)隨監(jiān)測點(diǎn)深度增加逐漸減弱，直至消失；反之，距離地表越遠(yuǎn)處監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力值增幅越小，距離地表12.5 m處孔隙水壓力變化幅度最小，區(qū)間孔隙水壓力為-29.49～-13.10 kPa。降雨入滲引起邊坡不同位置處的響應(yīng)強(qiáng)烈程度變現(xiàn)為：坡肩>坡頂>坡面>坡腳>坡底，模擬結(jié)果也與工程實(shí)際情況基本吻合。

(3)降雨入滲和互滲的過程十分復(fù)雜，且具有一定的滯后性，強(qiáng)降雨使地表及靠近地表處的孔隙水壓力急劇上升，且孔隙水壓力較早達(dá)到峰值；而距離地表越遠(yuǎn)處其孔隙水壓力上升態(tài)勢相對較慢。降雨結(jié)束后，土中孔隙水壓力值逐漸減小。

(4)強(qiáng)降雨下的安全系數(shù)下降幅度比陰雨工況下更大；降雨時(shí)長對紅黏土的邊坡穩(wěn)定性有重要影響，降雨持續(xù)時(shí)間越長，邊坡安全系數(shù)越小，邊坡整體穩(wěn)定性越差。