降雨條件下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究

涂圣武，魏文凱

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 概述

巖層走向和傾角與邊坡走向和傾角一致的邊坡稱為順層或順傾邊坡，其余的叫反傾或斜向邊坡。工程中常將邊坡走向傾角小于20°、傾向接近的邊坡視為順層邊坡。

順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性是在鐵路、公路和水利水電建設(shè)中經(jīng)常遇到的工程問題。許多學(xué)者針對順層巖質(zhì)邊坡變形特征、破壞機制進行了大量的研究。陳從新等［1］采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗，研究了巖質(zhì)邊坡變形破壞機制以及巖層傾角對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響；孫書偉等［2］進行了順層高邊坡有無支擋模型試驗，得到了開挖、降雨以及支擋工況下順層高邊坡工程病害的發(fā)展形態(tài)以及抗滑支擋結(jié)構(gòu)的受力特點；戚國慶、黃潤秋［3］等對巖質(zhì)邊坡降雨入滲過程進行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論為降雨對邊坡穩(wěn)定性影響最大的是非飽和區(qū)基質(zhì)吸力的降低，其穩(wěn)定性亦受影響。張卓［4］基于極限平衡理論和非飽和土抗剪強度理論,結(jié)合滲透力概念,利用編制的邊坡穩(wěn)定程序進行了降雨入滲作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析,結(jié)果表明隨著降雨時間的增長,雨水入滲巖土體,巖體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)不斷降低。C.W.W.Ng［5］采用數(shù)值分析軟件模擬香港某斜坡在非飽和條件下不同降雨形式、降雨持時的地下水響應(yīng)過程。研究結(jié)果顯示,坡體附近孔隙水壓力受降雨形式影響較大,而坡體深處受到的影響較小,在某一個特定深度,還與地下水條件有關(guān)。FeiCai［6］等采用有限元分析方法分析降雨條件下邊坡穩(wěn)定性,研究結(jié)果表明:水力特性、初始相對飽和度、邊界條件的定義以及降雨強度和持時都對邊坡穩(wěn)定性有顯著的影響,將數(shù)值模擬結(jié)果與統(tǒng)計資料進行對比,驗證了數(shù)值模擬的效果。降雨是邊坡滑坡的重要誘因，在當前順層巖質(zhì)邊坡在降雨影響下穩(wěn)定性研究較少的情況下，展開順層巖質(zhì)邊坡降雨穩(wěn)定性研究是十分必要的。

降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素，歸納起來有以下幾個方面的原因：（1）降雨使巖土體含水量增加，基質(zhì)吸力降低，巖土體材料軟化，其內(nèi)摩擦角和黏聚力下降, 從而降低了巖土體的抗剪強度；（2）降雨順著巖土體裂縫入滲，雨水作用潛在滑面上，使得滑面的抗滑能力降低；（3）雨水入滲增加了土體自重，采用支擋結(jié)構(gòu)時，增加了作用在支擋結(jié)構(gòu)上的土壓力；（4）雨水入滲產(chǎn)生了滲流力，滲流力作用在邊坡上，使得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)降低。

軟弱夾層的存在對順層巖質(zhì)邊坡在降雨作用下的穩(wěn)定性具有重大影響。為揭示含軟弱夾層的順層巖質(zhì)邊坡在雨水入滲作用下的穩(wěn)定情況，本文采用數(shù)值模擬方法對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行了研究，揭示邊坡在不同降雨強度和降雨持時作用下孔隙水壓力變化規(guī)律，以及降雨前后邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律，并對不同支擋形式的邊坡在降雨作用下的穩(wěn)定性進行了模擬，以期為順層巖質(zhì)邊坡的科研、設(shè)計和施工提供參考。

2 降雨入滲原理

雨水滲入邊坡到達潛水面經(jīng)歷了一個飽和—非飽和的滲流過程。雨水入滲不同階段表現(xiàn)出不同的特性，當降雨強度一定時，開始時巖土體的入滲能力大于降雨強度，此時雨水能夠全部入滲，地表無徑流，降雨一段時間后，巖土體的含水量達到飽和值，其滲透能力會減少，此時降雨強度大于巖土體的滲透系數(shù)，在地表產(chǎn)生徑流或積水。降雨過程中，典型含水率分布剖面可分為4個區(qū)，即飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)和濕潤區(qū)，如圖1所示［7］。

一般認為，降雨初期,巖體含水率梯度較陡,巖土體含水率較低，基質(zhì)吸力較大，雨水入滲較為容易，此時巖體的入滲能力較強；隨著雨水入滲的進行，巖土體飽和度增大，濕潤層向下移動使得基質(zhì)吸力梯度減小，入滲速率逐漸減小，最后接近一個常量，雨水入滲處于穩(wěn)定階段；當降雨強度較大，超過巖土體滲透系數(shù)時，巖體達到飽和狀態(tài)，此時入滲強度等于巖體飽和水力傳導(dǎo)度，將進入穩(wěn)定入滲階段。

圖1 降雨入滲時巖體含水率分布示意

3 工程實例

本次數(shù)值模擬原型選取西南山區(qū)某邊坡工點。該段設(shè)計中心最大開挖深度21.5 m，左側(cè)邊坡最大開挖深度為43 m，換算后的傾角為37°。邊坡巖層之間層面清晰，地表以下0~1.5 m為坡洪積層；1.5~10.1 m為強風(fēng)化砂巖夾頁巖；10.1~47.6 m為弱風(fēng)化砂巖夾頁巖，頁巖薄層狀，含少許粉砂質(zhì)和炭質(zhì)，水平微層理和斜層理發(fā)育，受附近構(gòu)造影響，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

本文采用強度折減有限元分析理論，利用大型工程計算軟件MIDAS/GTS進行計算。邊坡模型如圖2所示。邊坡巖土體參數(shù)取值如表1和表2所示。邊坡高度為48 m，斷面寬度為75 m。

圖2 邊坡模型

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)指標

表2 抗滑樁、錨桿物理力學(xué)參數(shù)

坡角25°時不同降雨強度下孔隙水壓力分布如圖3~圖7所示。由初始孔壓分布圖可知，孔隙水壓力呈線性分布。隨著高度的增大，孔壓逐漸變小，當超過地下水浸潤線之后，孔壓變?yōu)樨撝?，即表現(xiàn)為吸力。從圖4到圖7可以看出，裂隙處雨水入滲較為容易，降雨開始一段時間后，裂隙周圍巖土體孔隙水壓力迅速由負孔隙水壓增長到正孔隙水壓，隨著降雨強度由200 mm增長到400 mm，表現(xiàn)越明顯，在進行邊坡治理時，要特別注意裂隙處巖土體的治理。隨著降雨的進行，坡面大部分區(qū)域孔壓由負值變?yōu)檎?，增長到一定大小后，孔壓不再增加，此后孔壓變化很小，這是因為坡面達到暫時飽和狀態(tài)，此后再增加降雨強度，雨水由坡面排出，孔壓不再增加。

圖3 降雨前初始孔隙水壓力分布

圖4 降雨24 h孔壓分布（200 mm）

圖5 降雨48 h孔壓分布（200 mm）

圖6 降雨24 h孔壓分布（400 mm）

圖7 降雨48 h孔壓分布（400 mm）

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表3所示。

表3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

由表3可知：自然邊坡在降雨72 h后穩(wěn)定性系數(shù)小于1，均出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。邊坡采用錨桿或錨桿+抗滑樁支護后，穩(wěn)定性系數(shù)大于1.3，可見支護取得較好的效果。支護形式越強，邊坡越穩(wěn)定。隨著降雨時間的增長，孔隙水壓力逐漸變大，邊坡安全系數(shù)越小。在邊坡設(shè)計實踐中，要特別注意地區(qū)降雨強度，合理設(shè)計邊坡支護形式。

錨桿支護邊坡和錨桿+抗滑樁支護邊坡設(shè)計如圖8、圖9所示。采用全長粘結(jié)型錨桿，直徑為32 mm，圖8中第1級邊坡錨桿長度為9 m，第2級邊坡錨桿長度為12 m，第3級邊坡錨桿長度為15 m。圖9中抗滑樁長度為9 m，錨固深度為4 m，尺寸為2 m×1.5 m，第1級邊坡錨桿長度為12 m，第2級邊坡錨桿長度為15 m。

圖8 錨桿支護邊坡設(shè)計圖

圖9 錨桿+抗滑樁支護邊坡設(shè)計圖

4 結(jié)論

本文通過降雨入滲和有限元強度折減法相結(jié)合的方法，對降雨入滲作用下含軟弱 夾層的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行了研究，結(jié)論如下：降雨入滲會使巖體邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)明顯下降，這一點也印證了雨季易發(fā)生滑坡；含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性主要取決于軟弱夾層的強度，在進行邊坡治理時要注意軟弱夾層的位置。因此，在實際工程中，為了邊坡工程的安全，應(yīng)重視雨水入滲的控制；合理選擇支護形式，支護形式越強，邊坡穩(wěn)定性越好。

［1］陳從新，黃平路，盧增木，等.巖層傾角影響順層巖石邊坡穩(wěn)定性的模型試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2007，3（28）：476-486.

［2］孫蘇偉，朱本珍，馬惠民，等.典型順層高邊坡工程病害的地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2008，9（30）：1349-1355.

［3］戚國慶，黃潤秋，速寶玉，等.巖質(zhì)邊坡降雨入滲過程的數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003（22）：625-629.

［4］張卓，練繼建，楊曉慧，等.巖質(zhì)邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性分析［J］.哈爾濱工大學(xué)學(xué)報，2009（41）：202-205.

［5］C. W. Ng. Three-dimensional numerical investigations of groundwater responses in anunsaturated slope subjected to various rainfall patterns［J］. Can Geotech，2001（38）：1049-1062.

［6］Fei-Cai,Keizo Ugai.Numerical analysis of rainfall effects on slope stability ［J］.International Journal of Geomechanics，2004：69-78.

［7］張蔚榛.地下水與土壤水動力學(xué)［M］.北京：中國水利出版社，1996.