降雨條件下某滑坡堆積體穩(wěn)定性研究

魏寶龍 徐衛(wèi)亞 王如賓

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098）

滑坡指位于邊坡上的堆積體在重力作用下沿坡向發(fā)生整體或局部崩滑的運(yùn)動(dòng)形式及過程［1］.大量針對堆積體穩(wěn)定性的研究表明，降雨是促使其穩(wěn)定性降低的重要影響因素［2－4］.

考慮非飽和邊坡滲流的堆積體穩(wěn)定性研究顯示，由于降雨入滲、裂隙水補(bǔ)充導(dǎo)致的淺層土體含水率、地下水位線上升，基質(zhì)吸力減?。纯紫端畨毫υ龃螅?，堆積體潛在滑動(dòng)面的有效抗剪強(qiáng)度不斷減小直至堆積體破壞.暴雨條件下的邊坡穩(wěn)定性由多種因素控制，其中首先要考慮的是降雨強(qiáng)度和滲透參數(shù)，林鴻州等［4］采用模型試驗(yàn)評價(jià)降雨特征對堆積體穩(wěn)定性的影響，最后選取雨強(qiáng)和總降雨量作為堆積體穩(wěn)定性雨量預(yù)警的基準(zhǔn)參數(shù)；邱路陽等［5］關(guān)于路堤滑坡機(jī)制的研究中針對暴雨滲透參數(shù)的分析，得出滲流靠近原地面處易形成軟弱滑動(dòng)面的結(jié)論，這從一個(gè)側(cè)面佐證了本文中堆積體易從古滑坡滑面處復(fù)活的推測.而巖土體物理力學(xué)參數(shù)的影響也不能忽視，謝守益等［6］提出水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要性，并得出結(jié)論：承壓水型堆積體易由暴雨誘發(fā)滑坡，而潛水型和層間水型的堆積體的失穩(wěn)則更傾向于久雨.

為了深入探究降雨誘發(fā)堆積體失穩(wěn)的機(jī)制，一些研究人員通過試驗(yàn)分析、模型試驗(yàn)等進(jìn)行研究［7－9］，取得了很多成果.王偉等［4］通過對降雨影響下土坡內(nèi)測點(diǎn)的位移監(jiān)測，得出降雨條件下是土體損傷和土體微結(jié)構(gòu)能量耗散引發(fā)堆積體的蠕變，而土坡的滑移是瞬時(shí)發(fā)生的結(jié)論.堆積體穩(wěn)定性影響因素中降雨時(shí)間、雨型的研究中，國內(nèi)學(xué)者中張玉成等［10］以謝守益［6］的研究為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)制中滑坡與降雨時(shí)間、頻次的關(guān)系；林孝松等［11］的對于雨型和滑坡關(guān)系的研究則僅針對籠統(tǒng)的暴雨型和久雨型降雨進(jìn)行研究；而 Tung－Lin Tsai［12］進(jìn)一步研究了四種雨型對邊坡的影響，發(fā)現(xiàn)在雨量、時(shí)間相同但是雨強(qiáng)線性減少的雨型對邊坡穩(wěn)定性影響最大；接著Arezoo Rahimi［13］研究發(fā)現(xiàn)，雨型對于低滲透的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響要更大.周創(chuàng)兵等［2］指出雨型、堆積體內(nèi)滲流場與應(yīng)力場耦合的有限元實(shí)現(xiàn)方法，是研究暴雨誘發(fā)滑坡的時(shí)間效應(yīng)和穩(wěn)定性評價(jià)方法的重要方面.

本文結(jié)合研究現(xiàn)狀，采用最可能導(dǎo)致本文研究的堆積體失穩(wěn)的降雨類型，對其引發(fā)堆積體失穩(wěn)的滲透、應(yīng)變變化規(guī)律、穩(wěn)定性變化趨勢進(jìn)行分析，最后提出了治理這類滑坡災(zāi)害的一些建議.

1 非飽和滲流與孔壓應(yīng)力耦合理論

滑坡堆積體主要由塊、碎石夾粉質(zhì)粘土和碎裂巖體組成，滑帶土透水性強(qiáng)，為了研究降雨條件下該堆積體的破壞機(jī)制及治理方案，本文采用非穩(wěn)態(tài)非飽和滲流和孔壓應(yīng)力耦合方法來進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算.

因水位線會穿過部分潛在滑動(dòng)面，該堆積體潛在滑動(dòng)面會部分處于非飽和土區(qū)域.暴雨工況會引起堆積體地下水位上升、內(nèi)部孔隙水壓力增大，巖土體非飽和區(qū)趨于飽和.本文基于飽和、非飽和土的滲流理論，將其簡化為各向同性材料的飽和、非飽和問題，滲流控制方程為

式中，kx、ky代表x、y向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為施加的邊界流量；mw表示比水容量，即土－水特征曲線中孔隙水壓力的斜率；γw為水的重度；t為計(jì)算時(shí)間.方程顯示了同區(qū)域同時(shí)段流入、流出的總凈流量與體積含水率增量相同.

邊界條件需要滿足

1）流量邊界：

2）水頭邊界：

求解式（1）～（3），得到滲流計(jì)算的孔壓變化量后，相應(yīng)于孔壓改變的體積變化接著被計(jì)算，涉及到的耦合方程為

式中，［L］為耦合矩陣，Δd為增量位移，Δu表示孔壓增量.

2 工程概況及模型

2.1 工程概況

本文研究的堆積體緊鄰某水電站庫區(qū)，位于該庫區(qū)上游.水庫蓄水后，堆積體于2007年7月下旬出現(xiàn)裂縫.裂縫主要分布于堆積體西側(cè)后緣高程較高部位，沿一定方向發(fā)育，個(gè)別裂縫具一定規(guī)模，同時(shí)沿裂縫分布范圍還存在有房屋地面裂縫，木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋榫頭有拉脫等變形現(xiàn)象.

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳举Y料顯示，該地區(qū)屬副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，暖濕多雨，多年平均降雨量為1 280.5mm，最大1d降雨量為133.3mm，4～8月份降雨量較集中.

勘探成果表明，該工程地質(zhì)構(gòu)成從上到下可分為5層：粉質(zhì)粘土夾少量碎塊石（透水性較差，為相對隔水層，持水性相對較好）；中、強(qiáng)風(fēng)化破碎巖塊夾粉質(zhì)粘土層（透水性良好但局部夾雜透水性差、持水性相對較好的粉質(zhì)粘土層）；碎裂巖體；含礫粉質(zhì)粘土層構(gòu)成的滑動(dòng)帶（前緣透水性較好，滲透系數(shù)平均值在10－4cm／s≤K＜10－2cm／s之間，屬于中等透水等級；勘察報(bào)告顯示中后部透水性較差）；滑床（主要成分為變余凝灰質(zhì)砂巖、條帶狀凝灰質(zhì)粉砂質(zhì)板巖和灰色中厚層狀變余層凝灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖類）.

該堆積體歷史上經(jīng)多次削坡處理，堆積體面常有落塊現(xiàn)象.堆積體前緣巖體結(jié)構(gòu)與主剖面圖如圖1～2所示.

圖1 堆積體前緣巖體結(jié)構(gòu)

圖2 堆積體主剖面圖

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

Seep／W中滲透系數(shù)曲線、土－水特征曲線可分別由飽和體積含水率、土體的滲透系數(shù)實(shí)現(xiàn).因試驗(yàn)條件受限，本文未測試土樣的土－水特征曲線，而是采用樣本函數(shù)方法進(jìn)行估算.滲透系數(shù)方程則是根據(jù)滲透系數(shù)和土－水特征曲線、采用Fredlund法得出.滑坡體各層巖土體的土－水特征曲線和滲透性函數(shù)如圖3～4所示［14］.

圖3 各層土的土水特征曲線

由勘察人員提供的地質(zhì)條件、原狀土樣進(jìn)行分析，得到滑坡堆積體各土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù).結(jié)果見表1.

圖4 各層土的滲透函數(shù)

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)

2.3 計(jì)算剖面與邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場勘探成果，建立簡化的堆積體主滑剖面有限元模型，如圖5所示.圖中標(biāo)出的推測滑弧與裂縫的位置，其中裂縫采用局部滲透性參數(shù)相對較大來進(jìn)行模擬.A、B、C點(diǎn)分別為同一橫坐標(biāo)下推測滑面附近點(diǎn)、堆積體中部點(diǎn)以及滑帶內(nèi)點(diǎn).

圖5 堆積體有限元模型

本文針對實(shí)際工程，結(jié)合歷史最大降雨量，采用最不利的線性減少雨型，如圖6所示，并分析該雨型下的邊坡穩(wěn)定性.

圖6 雨型

2.4 計(jì)算方案

本文通過GeoStudio公司的Seep／W軟件首先得到降雨入滲下的邊坡滲流場，然后再把Seep／W中得到的水力邊界條件，代入到Sigma／W模塊中去求解耦合方程，最后Slope／W根據(jù)上一步的結(jié)果，采用基于有限元應(yīng)力的極限平衡安全系數(shù)分析法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)［15］.

根據(jù)勘察時(shí)測得鉆孔地下水位，在軟件中繪出初始0水位線.假設(shè)堆積體表層土孔隙壓力為大氣壓，則基質(zhì)吸力在數(shù)值上等同于孔隙水壓力.模型邊界條件設(shè)定情況如下，上邊界：水位線以上為流量邊界，大小為降雨強(qiáng)度.水位線以下為定水頭邊界.右邊界：為模擬剖面后部山體對于水的補(bǔ)給，設(shè)其為水頭邊界.下邊界與左邊界：考慮為不透水邊界.

3 計(jì)算結(jié)果與滑坡機(jī)制分析

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

3.1.1 天然工況下堆積體穩(wěn)定性

天然工況下邊坡穩(wěn)定性分析，考慮自動(dòng)搜索的結(jié)果不滿足工程實(shí)際，以有限差分軟件Flac3d計(jì)算出的塑性區(qū)區(qū)域確定滑弧位置（如圖5所示），采用3.4節(jié)中提到的計(jì)算方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.041，安全儲備不足.

3.1.2 降雨邊坡穩(wěn)定性分析

在上述邊界條件下，采用Seep／W程序來模擬暴雨工況下堆積體瞬態(tài)滲流場，降雨過程分為72個(gè)步長，每步間隔1h.本文僅給出降雨36h時(shí)的堆積體孔隙水壓力和滲流場的分布情況，如圖7所示.孔壓力等值線即浸潤線，負(fù)孔隙水壓力大小表示基質(zhì)吸力的值.

圖7 降雨36h邊坡孔隙水壓力與滲流場分布圖

選取堆積體A、B、C點(diǎn)進(jìn)行孔隙水壓力分析，結(jié)果如圖8所示.由圖可知，A、B、C點(diǎn)在降雨10h后，雖然降雨強(qiáng)度在不斷降低，但是孔隙水壓力均保持相對穩(wěn)定.其中A點(diǎn)孔隙水壓力逐漸上升接近于0，即土體已趨于飽和，而B、C點(diǎn)因土體中水流的運(yùn)移，孔隙水壓力產(chǎn)生較小幅度的降低.

圖8 孔隙水壓力和降雨持續(xù)時(shí)間關(guān)系

由圖7～8的結(jié)果可知，在降雨初始階段，堆積體非飽和程度較高，降雨入滲較快，徑流沒有在坡體表面形成.隨著降雨的進(jìn)行，堆積體表層飽和度的升高促使體內(nèi)滲流量增多.而隨著雨水入滲深度的漸趨穩(wěn)定，此深度以上土體基質(zhì)吸力趨近于0，接近飽和，也就意味著堆積體表面徑流開始出現(xiàn)；由圖7（b）可知，入滲影響深度之下的部分，因堆積體、滑帶后緣的透水性特征，在降雨條件下，36h時(shí)坡體內(nèi)的水流運(yùn)移流線集中在裂縫和堆積體第二層土體區(qū)域，并由堆積體前緣排出，導(dǎo)致巖土體強(qiáng)度參數(shù)降低、內(nèi)部結(jié)構(gòu)弱化，抗滑力降低，而坡體重度增加，即堆積體的下滑力增加，引發(fā)堆積體失穩(wěn)趨勢增加.

通過Sigma／W中有限元方法對堆積體進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，在72h降雨后，邊坡剪應(yīng)變的分布如圖9所示.結(jié)果顯示，隨著降雨的持續(xù)，堆積體表層土體隨著降雨影響深度內(nèi)含水率的增加而趨于飽和，上部坡體水分向塑性發(fā)展區(qū)運(yùn)移，使指定滑面處孔壓增加，巖土體強(qiáng)度的降低，最終堆積體局部應(yīng)力集中.由圖可知，其最大應(yīng)變位于滑舌部位，而指定滑面附近的剪應(yīng)變也處于較高的范圍，進(jìn)而引發(fā)邊坡的穩(wěn)定性降低.

圖9 降雨72h邊坡剪應(yīng)變分布

由3.4節(jié)提到的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，得到計(jì)算結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明暴雨對堆積體穩(wěn)定性的影響非常明顯.降雨影響下，堆積體安全系數(shù)持續(xù)降低.降雨開始時(shí)，堆積體安全系數(shù)略大于1.04，堆積體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；降雨初期，因雨強(qiáng)較大，雨水滲入裂縫后導(dǎo)致堆積體安全系數(shù)驟降，隨著降雨持續(xù)，堆積體安全系數(shù)降低到1.014左右，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，這主要是由于堆積體坡降較大，后緣滑帶位于淺層，后部滑體滲透性相對較大，雨水入滲后較快地積聚于堆積體前部，使滑帶土體軟化，滑弧處土體強(qiáng)度大幅降低，最后內(nèi)滯水經(jīng)由滑舌滲出坡體，產(chǎn)生動(dòng)水壓力，導(dǎo)致堆積體穩(wěn)定性降低.

圖10 安全系數(shù)和降雨持時(shí)關(guān)系

3.2 滑坡機(jī)制分析及措施

堆積體坡腳的開挖，使堆積體坡度較大，為該堆積體穩(wěn)定性降低提供了條件；而從地質(zhì)勘探結(jié)果可知，該堆積體為古滑坡堆積體，存在古滑帶，并且結(jié)構(gòu)相對較松散，透水性較強(qiáng)，其后緣因在多種內(nèi)外因素影響下出現(xiàn)裂縫，為降雨提供了天然的入滲通道.降雨經(jīng)由由裂縫滲入后，堆積體物理力學(xué)參數(shù)很快弱化；同時(shí)降雨入滲與山體裂隙水共同作用，堆積體表面逐漸飽和形成徑流，體內(nèi)形成滲流，最后前緣內(nèi)滯水的滲透力，使堆積體局部變形，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài).

根據(jù)上述對降雨條件下堆積體穩(wěn)定性的分析，本文認(rèn)為，降雨影響下的堆積體滲流場及坡表層徑流，極大地影響了堆積體的穩(wěn)定性，而庫岸邊坡可能發(fā)生變形破壞的模式主要為暴雨條件影響下的滑動(dòng)破壞.初步估算，變形體方量大于1 000萬m3，一旦整體失穩(wěn)，可能出現(xiàn)堵江堰塞體，對周圍環(huán)境造成重大影響.

本文跟據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，提出以下建議：1）堆積體后緣出現(xiàn)的裂縫應(yīng)用透水性差的黏土材料填充并夯實(shí)，堵塞地表水沿裂縫的下滲通道.同時(shí)在周邊設(shè)置截水溝，減少地下水補(bǔ)給.2）根據(jù)該滑坡堆積體所處庫岸周圍環(huán)境、地質(zhì)條件，從堆積體穩(wěn)定計(jì)算和監(jiān)測資料分析，建議對該滑坡堆積體的不同高程設(shè)置排水洞和排水孔，以利疏干滑面（帶）地下水和部分基巖裂隙水，利于滑坡穩(wěn)定.3）加強(qiáng)對該滑坡堆積體的變形監(jiān)測工作，在排水主洞每隔一定距離設(shè)穿過滑面伸入滑坡體內(nèi)的支洞，進(jìn)一步了解滑面形態(tài)和特征，同時(shí)在支洞滑面處設(shè)置變形觀測儀器，定時(shí)觀測滑面變形位移情況.特別是在雨季天氣變化條件下，應(yīng)加強(qiáng)對塌滑堆積體的變形監(jiān)測頻率.4）由于該滑坡堆積體變形破壞可能對庫區(qū)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，完成對滑坡堆積體的工程治理的同時(shí)，為避免處理工程受到影響，建議對該滑坡堆積體影響范圍內(nèi)的房屋實(shí)施搬遷處理.

模擬治理后堆積體排水洞布置如圖11所示，采用與3.1.2節(jié)提到的相同降雨雨型、穩(wěn)定性計(jì)算方案.為了與未排水情況進(jìn)行對比，計(jì)算36h后堆積體孔隙水壓力和滲流場的分布情況如圖12所示.由圖12（a）可知，堆積體后緣表層的孔壓變化不大，而下部孔壓因滲流漏斗造成的流場改變，有略微變化.可以推測，排水洞附近的孔壓變化尤其劇烈.圖12（b）反映了滲流矢量聚集于排水洞處的情況，堆積體其他部分的滲流矢量相對較小，體現(xiàn)了排水洞的排水作用.排水后堆積體穩(wěn)定性計(jì)算后的結(jié)果如圖11所示，排水72h后的堆積體的安全系數(shù)升高到1.163，基本達(dá)到治理的目的.

圖11 排水后堆積體安全系數(shù)

圖12 排水后降雨36h邊坡孔隙水壓力與滲流場分布圖

4 結(jié) 論

本文以某庫岸邊坡堆積體為例，對其構(gòu)造特征進(jìn)行分析，同時(shí)基于非飽和土力學(xué)理論，采用有限元方法對最危險(xiǎn)的線性減少雨型的暴雨入滲作用的堆積體穩(wěn)定性進(jìn)行了飽和－非飽和數(shù)值分析，為此類堆積體穩(wěn)定性的預(yù)測與治理提供參考.

1）暴雨工況下，對堆積體進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)效穩(wěn)定性分析后的結(jié)果顯示：首先暴雨導(dǎo)致堆積體土體非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力下降（孔隙水壓力升高），接著滲流于堆積體前緣產(chǎn)生滲透力，最后庫岸邊坡堆積體穩(wěn)定性降低.其中初始階段堆積體表層快速飽和，安全系數(shù)下降最快.

2）根據(jù)分析，得出堆積體可能的破壞模式：降雨后地表水通過縫隙入滲，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，堆積體前部產(chǎn)生擠壓型剪切滑動(dòng)面，在滲透水壓力作用下發(fā)生牽引式破壞.

3）采取兩個(gè)排水洞后堆積體穩(wěn)定性提高有限，考慮到一旦堆積體產(chǎn)生滑坡形成堰塞湖，將嚴(yán)重威脅到庫區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，建議密切監(jiān)測滑坡堆積體變形情況，做好避險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案.

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