降雨條件下非飽和土滑坡滲流變形模擬分析及工程治理

唐 凱，孫少銳，宋京雷，王亞山

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 211000； 2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院 江蘇 南京 210000)

降雨條件下非飽和土滑坡滲流變形模擬分析及工程治理

唐 凱1，孫少銳1，宋京雷2，王亞山2

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 211000； 2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院 江蘇 南京 210000)

以G104國(guó)道丁山服務(wù)區(qū)西側(cè)滑坡為研究對(duì)象，根據(jù)勘查和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合反演方法確定滑坡滑帶土強(qiáng)度參數(shù)。設(shè)定了降雨入滲模型、建立滑坡體數(shù)值模型，運(yùn)用非飽和土滲流理論對(duì)邊坡進(jìn)行滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析。通過(guò)有限元方法模擬降雨96h，對(duì)孔隙水、滲流、位移和邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明：降雨過(guò)程中，孔隙水壓力與坡體位移有明顯相關(guān)性，坡頂X分量位移較大，坡體的淺層、坡體上部孔壓及位移變化較大，因而容易引發(fā)后緣拉裂縫、淺層滑塌，降雨后期坡體持續(xù)蠕移，引發(fā)邊緣剪切裂縫，進(jìn)而誘發(fā)整體性滑坡。削坡和擋墻能夠提高坡體穩(wěn)定性，格構(gòu)、綠化、截排水工程能夠減小降雨對(duì)坡頂穩(wěn)定性的影響。

降雨；滑坡穩(wěn)定性；模擬分析；非飽和土；滲流；位移

滑坡地質(zhì)災(zāi)害是最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。江蘇省2016年共查明地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、危險(xiǎn)點(diǎn)791個(gè)，其中滑坡有405個(gè)，占比高達(dá)51.2%，已發(fā)生的滑坡地質(zhì)災(zāi)害多由降雨等極端天氣引發(fā)，江蘇80%以上的突發(fā)性滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在汛期。降雨，特別是暴雨，是誘發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要原因。在降雨，或者暴雨的影響下，非飽和土質(zhì)邊坡最易發(fā)生平行于邊坡表面的淺層破壞[1-4]，且淺層滑坡大多順基巖覆蓋層界面發(fā)生[5]。土坡受滲流和降雨的影響很大，降雨會(huì)導(dǎo)致土坡的質(zhì)量加大，基質(zhì)吸力發(fā)生變化，浸潤(rùn)線上移，甚至土體強(qiáng)度發(fā)生變化，這些都會(huì)導(dǎo)致土坡安全系數(shù)下降[6]。降雨入滲導(dǎo)致滑坡非飽和土體(特別是淺層土體)的負(fù)孔隙水壓力升高、基質(zhì)吸力的降低，土粒間膠結(jié)軟化，吸附凝聚力減小，從而導(dǎo)致滑坡土體抗剪強(qiáng)度降低[7]。盡管現(xiàn)有研究已經(jīng)對(duì)降雨誘發(fā)滑坡這一問(wèn)題作了較為深入的分析，但是滑坡失穩(wěn)過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、位移以及幾者間的關(guān)系、滑坡演化過(guò)程分析需要進(jìn)一步完善。

受汛期連續(xù)強(qiáng)降雨影響，2016年7月2日下午3點(diǎn)15分，G104國(guó)道1286k+800m處(丁山服務(wù)區(qū)附近)西側(cè)車(chē)道上方發(fā)生山體滑坡，滑坡方量約1 000m3。

G104國(guó)道宜興段為一級(jí)公路，雙向六車(chē)道，車(chē)流量大，是宜興市一條重要的交通干線?；掳l(fā)生后，主要采用削方減載進(jìn)行處置。應(yīng)急消險(xiǎn)工程結(jié)束后，滑坡險(xiǎn)情得到有效控制，但仍存在滑塌隱患。本文針對(duì)宜興市G104國(guó)道丁山服務(wù)區(qū)西側(cè)滑坡地質(zhì)災(zāi)害，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)反演分析得到滑坡體強(qiáng)度參數(shù)，運(yùn)用非飽和土滲流理論[8-9]進(jìn)行降雨條件下滑坡失穩(wěn)機(jī)制數(shù)值模擬，研究降雨條件下碎石土邊坡失穩(wěn)機(jī)制和處理措施，為類(lèi)似地質(zhì)災(zāi)害提供參考。

1 滑坡區(qū)工程概況

G104國(guó)道丁山服務(wù)區(qū)西側(cè)滑坡總體地勢(shì)呈西高東低，北側(cè)坡平均坡度為30°～35°，南側(cè)坡平均坡度為35°～40°。潛在滑坡體總體形態(tài)呈圈椅狀，滑動(dòng)方向?yàn)檎龞|向，滑坡南北向總寬度約150m，前寬后窄，滑坡最大軸向長(zhǎng)度約60m?；虑熬壐叱淘?15～+35m，滑坡后緣高程在+45～+65m，滑坡前后緣最大高差約30 m。

2016年7月2日滑坡發(fā)生后，根據(jù)7月3日現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急調(diào)查結(jié)果，滑坡體后緣陡坎高差約3m，兩側(cè)分布近東西向剪切裂縫。2016年7月12日，現(xiàn)場(chǎng)再次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，處于7月2日滑坡區(qū)外圍的南側(cè)又新出現(xiàn)多條南北向拉張裂縫，最大裂縫寬度達(dá)到10cm，每條裂縫延伸長(zhǎng)度均超過(guò)20m。勘查區(qū)調(diào)查、勘探鉆孔、物探等資料揭示，滑坡體主要由①層素填土、②層、②-1層含碎石粘土組成，滑坡體滑床基巖為③層二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r，厚層狀為主，地層產(chǎn)狀為355 °∠12 °，巖溶較發(fā)育，溶洞充填物為黏土，受巖溶發(fā)育程度及采礦活動(dòng)影響，灰?guī)r的基巖面有一定的起伏?；瑒?dòng)面一般位于②層、②-1層含碎石粘土內(nèi)部或者基巖覆蓋層界面附近，主要呈圓弧形，推測(cè)滑動(dòng)面最大深度約6m。北側(cè)滑坡體的剪出口位于下部坡腳附近(高程在+15～+20m)；中部及南側(cè)滑坡體的剪出口位于坡體中上部基巖覆蓋層界面附近，標(biāo)高在+25～+45m。

圖1 滑坡體剖面Figure 1 Landslide mass section

2 邊坡穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)

2.1 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

計(jì)算所采用的模型如圖2所示。模型的高度為45.7m，長(zhǎng)度為95.9m。本文的分析主要針對(duì)邊坡失穩(wěn)以前的演化過(guò)程，所以坡面的形態(tài)為削坡處理以前原地形線。采用四邊形和三角形剖分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1m。土體本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性，巖體采用線彈性，巖土體破壞服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。模型左右兩側(cè)固定X方向位移，設(shè)定水頭邊界條件，經(jīng)過(guò)測(cè)試調(diào)整后，設(shè)置左側(cè)29m，右側(cè)6m，底面邊界固定X、Y方向位移，設(shè)置為不透水邊界，模型頂面根據(jù)入滲量設(shè)置為單位流量邊界。分別在邊坡上部設(shè)置了點(diǎn)1-1、2-1、中部設(shè)置了點(diǎn)2-1、2-2和下部布置了點(diǎn)3-1、3-2，用以觀察降雨過(guò)程中邊坡孔隙水壓和位移的變化。

圖2 計(jì)算模型Figure 2 Computational model

根據(jù)抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，②-1層含碎石粘土統(tǒng)計(jì)平均值為內(nèi)聚力9.73 kPa，內(nèi)摩擦角為5.0°；②層含碎石粘土統(tǒng)計(jì)平均值為內(nèi)聚力8.15 kPa，內(nèi)摩擦角為13.5°。將該參數(shù)帶入模型進(jìn)行計(jì)算，所得的Spencer法安全系數(shù)為0.756，邊坡沿基巖覆蓋層界面發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)帶主要位于含碎石粉質(zhì)粘土層內(nèi)。而邊坡目前處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，這明顯與實(shí)際情況不相符，說(shuō)明滑帶土力學(xué)參數(shù)偏小。推測(cè)主要由于室內(nèi)試驗(yàn)中剔除了含碎石粉質(zhì)粘土內(nèi)的碎石，對(duì)土體造成人為擾動(dòng)，從而使參數(shù)偏小。因此，本文采用參數(shù)反演得到實(shí)際情況下的滑帶土參數(shù)。

參數(shù)反演過(guò)程在Slide軟件內(nèi)進(jìn)行，取兩個(gè)典型剖面進(jìn)行反演。首先進(jìn)行敏感度分析，分別令c值為10kPa、11kPa、12kPa、13kPa，φ值在15°～21°隨機(jī)選取，進(jìn)行敏感度分析。根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)果，當(dāng)Fs=1.0時(shí)得到2-2′剖面中幾組數(shù)據(jù)：c=10kPa，φ=19.4°；c=11kPa，φ=18.6°；c=12kPa，φ=18°；c=13kPa，φ=17.3°。3-3'剖面中幾組數(shù)據(jù)：c=10kPa，φ=19.2°；c=11kPa，φ=18.5°；c=12kPa，φ=18.0°；c=13kPa、φ=17.4°。據(jù)此得分析并進(jìn)行工程類(lèi)比得到本次反演所得到的參數(shù)值，即c=12kPa，φ=18°。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察、物探、室內(nèi)試驗(yàn)、參數(shù)反演和工程類(lèi)比，得到各層巖土體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體參數(shù)

其中，土層為非飽和土體，滲透系數(shù)相對(duì)飽和土體差別較大。非飽和土的滲透系數(shù)是體積含水量的函數(shù)，體積含水量是孔隙水壓力的函數(shù)，所以滲透系數(shù)是孔隙水壓力的函數(shù)。本文中水土曲線以及滲透系數(shù)曲線通過(guò)Van Genuchten法調(diào)整飽和滲透系數(shù)擬合得到。一般情況，最大允許入滲率隨著時(shí)間的增加而降低，初滲率較大，隨著降雨的持續(xù)，入滲率逐漸降低并在某一時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定[10]。雨水入滲量的變化由參考文獻(xiàn)[10-16]給出。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)降雨量狀況及當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù)，將暴雨條件簡(jiǎn)化為100mm/d。在初始含水量較高及雨量較大的情況下，相應(yīng)入滲積水點(diǎn)時(shí)間非常短暫，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成地表徑流。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料，土體的平均含水率在50%左右，自然狀態(tài)下有一定植被覆蓋，認(rèn)為初始狀態(tài)下雨水完全滲入，取穩(wěn)滲率為初始情況下的60%。坡地的降雨一部分入滲到坡體，另一部分轉(zhuǎn)化為坡面徑流[17]，邊坡坡度大約為30°，坡面穩(wěn)定入滲量在坡頂及坡腳穩(wěn)態(tài)入滲量的基礎(chǔ)之上折減50%。通過(guò)擬合，邊坡頂部及坡腳降雨入滲量和坡面入滲量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖3(8h以后的入滲量均為穩(wěn)定入滲量)。

圖3 降雨入滲量隨時(shí)間變化曲線Figure 3 Time dependent rainfall infiltration curve

2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)鉆孔資料，調(diào)整模型水位邊界條件，采用有限單元法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到安全系數(shù)為1.007，結(jié)果表明在穩(wěn)態(tài)滲流條件下，邊坡容易沿基巖覆蓋層界面附近發(fā)生滑動(dòng)，主要由于水流容易導(dǎo)致土體與巖體之間的摩擦力降低，從而引發(fā)土體和巖體之間的相對(duì)滑動(dòng)。

在穩(wěn)態(tài)滲流情況下，坡體整體的孔隙水壓力云圖如圖4所示，水力速度矢量如圖5所示，滲流矢量大致與地下水面平行。

圖4 穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)下孔隙水壓云圖Figure 4 Steady state seepage flow pore water pressure nephogram

圖5 降雨初期雨水入滲矢量圖Figure 5 Initial rainfall stage water infiltration vectorgraph

連續(xù)暴雨96h降雨工況下，模型的孔隙水壓力云圖如圖6所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔壓隨時(shí)間變化曲線如圖7所示，由模擬結(jié)果可以看出，從深度上來(lái)看，降雨的影響主要集中在坡體的淺層，引起坡體表層孔隙水壓力的持續(xù)升高，為20～80kPa，孔隙水壓力升高速度快、幅度大，而深層土體的孔壓變化相對(duì)不明顯，在10kPa以內(nèi)，升高速度慢、幅度小。從時(shí)間上來(lái)看，降雨初期孔隙水壓力變化較快，呈現(xiàn)持續(xù)升高狀態(tài)，大約80h后，孔隙水壓力增加趨勢(shì)明顯變緩。從坡體位置來(lái)看，坡頂孔隙水壓力變化較明顯，從坡頂向下，孔隙水壓力增加趨勢(shì)逐漸降低，坡腳孔壓變化幅度相對(duì)較小。從降雨初期一直到降雨后期，滲流場(chǎng)總體上變化不大，主要的變化發(fā)生在坡腳處，如圖8所示，坡腳入滲量減小，孔隙水沿土體向坡腳外繼續(xù)入滲，坡腳滲流情況趨向于溢出。降雨前以及降雨過(guò)程中，巖體上部呈向下入滲趨勢(shì)，右下側(cè)呈從底部向上滲流進(jìn)入土體的趨勢(shì)。在土體內(nèi)部滲流方向與土巖分界面大致平行，降雨后期，坡腳入滲量減少，滲流方向逐漸趨向于溢出。另外，地下水位方面，坡頂無(wú)明顯變化，坡腳位置的地下水位有所上升。

圖6 降雨96h孔隙水壓云圖Figure 6 Rainfall 96 hours pore water pressure nephogram

圖7 孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖Figure 7 Time dependent pore water pressure variation

降雨過(guò)程中，隨著雨水入滲，土體趨向于飽和，從而基質(zhì)吸力減小，滲透系數(shù)增加，并且由于雨水入滲是由淺到深的，所以基質(zhì)吸力減小和滲透性增強(qiáng)這個(gè)過(guò)程是由淺層土體蔓延到深層土體的，當(dāng)淺層土體滲透性增加后，入滲水流順淺層土體向坡腳滲流，這在圖10滲流矢量圖也可以看出，從而雨水入滲的影響難以施加到深層土體，降雨的影響主要集中在淺層土體。降雨初期的雨水首先從坡體表面滲入，入滲量相對(duì)較大，且雨水在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法入滲到深層土體，在降雨初期會(huì)引起表面土體孔隙水壓力的迅速升高。降雨后期的雨水入滲量有限，只有很少一部分雨水入滲到土體中，大部分雨水在坡體表面形成徑流向坡腳流走，所以孔隙水壓力增加速度有所減緩。坡頂由于距離地下水位較遠(yuǎn)，毛細(xì)水難以上升到坡頂，孔隙水壓力值較小，在降雨后由于雨水的大量入滲，孔隙水壓力不斷減小，坡腳在降雨前孔隙水壓力比坡頂大，降雨過(guò)程中孔隙水壓力也在不斷減小，但相對(duì)于坡頂，減小值要小，在96h期間，體現(xiàn)出上升速度相對(duì)較慢的特點(diǎn)。降雨過(guò)程中，雨水不斷的向坡腳滲流、匯集，坡腳的含水量不斷增加，逐漸趨向于飽和狀態(tài)，故而坡腳入滲量不斷減小，滲流逐漸趨向于向外溢出狀態(tài)。同時(shí)，不斷向坡腳匯集的雨水導(dǎo)致了坡腳處地下水位的上升。

降雨過(guò)程中，位移隨時(shí)間變化如圖8、圖9所示?？傮w上位移量與孔隙水壓力的變化狀態(tài)有著明顯的對(duì)應(yīng)性。從深度上看，淺層土體的位移大于深層土體的位移，尤其是Y分量位移，總體位移量在1～9mm，深層土體的位移幾乎可以忽略。從位置上來(lái)看，坡頂?shù)奈灰葡鄬?duì)較大，坡體中部和坡腳比較相近，位移均較小。從時(shí)間上來(lái)看，降雨初期變化速率較小，24h內(nèi)的變化量不大，24h之后的中后期位移保持一定速率呈持續(xù)增加狀態(tài)。另外，坡頂處的X分量位移明顯大于Y分量位移，在其它位置兩個(gè)位移分量位移較為相近。

雨水入滲引起孔隙水壓力的變化，從而使基質(zhì)吸力和有效應(yīng)力的變化，促使應(yīng)力場(chǎng)改變。在滲流力的作用下，以及雨水增加土體重度的情況下，誘發(fā)土體向坡體外部的位移。降雨大量入滲的情況主要發(fā)生在淺層土體，淺層滲流速度大，滲流力大，淺層土體孔隙水壓力變化大，從而引起淺層土體相對(duì)深層土體更大的位移。坡頂孔壓相對(duì)坡腳的孔隙水壓力變化較大，整體的位移也較坡腳大。由于雨水促使土體軟化，土體有效應(yīng)力的降低，坡體的位移開(kāi)始發(fā)生后就處于持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)，即使在后期孔隙水壓力的變化有所減緩，位移仍然沒(méi)有減緩的趨勢(shì)。當(dāng)坡體位移量增加到一定值時(shí)，坡體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)持續(xù)進(jìn)行，便發(fā)生滑坡。從位移特征來(lái)看，坡頂X分量位移大于Y分量位移，因此在坡頂容易誘發(fā)拉裂縫，增加雨水入滲能力，降低坡頂土體內(nèi)力，同時(shí)在滲流力的作用下，誘發(fā)推落式滑坡。

圖8 位移隨時(shí)間變化曲線Figure 8 Time dependent displacement variation curve

圖9 降雨96h坡腳滲流矢量圖Figure 9 Rainfall 96 hours slope toe seepage vectorgraph

圖10 降雨96h最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置Figure 10 Rainfall 96 hours most hazardous slip surface position

通過(guò)有限元法計(jì)算滑坡安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖11所示，可以看到，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面仍然集中在基巖覆蓋層界面附近，并且坡頂產(chǎn)生了豎直拉裂隙。說(shuō)明對(duì)于深度不大的基巖層的邊坡，降雨雖然容易引起土體表面淺層的蠕移，但最危險(xiǎn)滑動(dòng)面仍然是在基巖覆蓋層界面附近，貫穿整個(gè)坡體。主要原因是邊坡土體內(nèi)聚力和摩擦力相對(duì)土巖分界面要大，坡表面的位移會(huì)牽引整個(gè)土體沿基巖覆蓋層界面發(fā)生滑動(dòng)。從圖12中可以看出，降雨一開(kāi)始，安全系數(shù)突然降低，一方面由于降雨的突發(fā)性，另一方面由于降雨初期雨水入滲量較大，引起土體內(nèi)部孔隙水壓力及滲流場(chǎng)的突然變化；隨著降雨的進(jìn)行，坡體的安全系數(shù)不斷降低，降低速度減緩，主要由于降雨入滲量的減少，滲流狀態(tài)漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，滑坡后緣在連續(xù)降雨后形成了滑坡陡坎，部分土體向前發(fā)生滑塌，坡腳在整個(gè)降雨過(guò)程中沒(méi)有明顯的變化，但在持續(xù)降雨后期有地下水溢出。該滑坡在降雨過(guò)程中呈持續(xù)蠕移狀態(tài)，且發(fā)生小范圍淺層滑動(dòng)。小型滑動(dòng)現(xiàn)象主要集中在前期，在降雨中后期，滑坡的主要變形特征為持續(xù)穩(wěn)定的蠕移，以及在滑坡后緣和兩側(cè)產(chǎn)生張拉和剪切裂縫，降雨到一定時(shí)間之后很有可能產(chǎn)生大型圓弧型滑動(dòng)。前文中針對(duì)滲流及位移的分析合理的解釋了這些現(xiàn)象：坡頂受降雨影響較大，坡頂X分量位移較Y分量位移大，容易產(chǎn)生拉裂縫進(jìn)而發(fā)生滑塌。坡腳孔壓及位移變化不大，整個(gè)過(guò)程坡腳的狀態(tài)沒(méi)有明顯變化。坡體位移在降雨過(guò)程中呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)，外在表現(xiàn)為持續(xù)蠕移，且淺層土體位移較深層土體位移大，由于位移的差異性，引發(fā)了淺層土體的小范圍滑動(dòng)，到降雨中后期，位移的增長(zhǎng)較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為邊坡整體的持續(xù)位移，此時(shí)兩側(cè)及后緣位移較小，因此坡體周?chē)_(kāi)始不斷產(chǎn)生拉裂縫及剪切裂縫。當(dāng)坡體位移持續(xù)增加到一定值之后，可能沿土體深部即土巖分界面發(fā)生整體滑動(dòng)。

綜上所述，數(shù)值模擬分析中得到的成果與現(xiàn)場(chǎng)觀察的坡體狀態(tài)較為符合，模擬分析中的滲流及位移狀態(tài)也較好的解釋了滑坡發(fā)展過(guò)程中的現(xiàn)象。

由以上分析可知，降雨，特別是暴雨，對(duì)土質(zhì)滑坡的影響過(guò)程主要為：土體在雨水入滲的作用下，孔隙水壓力不斷增加，從而引起基質(zhì)吸力的減小和有效應(yīng)力的減小，使原來(lái)穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)矢量發(fā)生變化，產(chǎn)生向X、Y正向的分量，同時(shí)在指向右下方的滲流力的作用下，引起土體X、Y正方向位移，在差異性位移條件下產(chǎn)生張拉和剪切裂縫，進(jìn)而誘發(fā)滑坡。從地質(zhì)成因來(lái)看，本工程中的滑坡體自身地質(zhì)條件不良，上部人工填土層結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，滲透系數(shù)大；殘坡積土層厚度大，雨水入滲的作用下工程特性不斷降低。降雨導(dǎo)致滑坡土體質(zhì)量加大，基質(zhì)吸力減小，浸潤(rùn)線略微上移，使坡體安全性降低。從模擬結(jié)果來(lái)看，降雨引起淺層土體較大的位移，尤其是在坡頂位置，X分量位移誘發(fā)坡頂拉裂縫，導(dǎo)致推落式滑坡。隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，坡體位移不斷發(fā)展，整體安全系數(shù)不斷降低。

3 工程治理措施

滑坡總體形態(tài)如圖13所示。滑坡區(qū)目前已經(jīng)發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，表層素填土土體松散，同時(shí)坡體整體坡度偏陡，宜采用削坡減載方式減小滑坡體的下滑力。滑坡坡度較大，坡前為流量較大的國(guó)道高速，宜在坡腳采用重力式擋墻，提高坡體穩(wěn)定性，同時(shí)防止灑落。邊坡所處地區(qū)受降雨影響大，結(jié)合本文分析，宜采用格構(gòu)工程對(duì)滑坡區(qū)坡面進(jìn)行坡體表層土體加固防護(hù)，同時(shí)在周邊布設(shè)完整、通暢的截排水系統(tǒng)引導(dǎo)降雨匯水至溝塘，減少降雨入滲。另外，鑒于對(duì)國(guó)道周?chē)拿阑枨螅瑧?yīng)對(duì)邊坡治理工程進(jìn)行綠化，同時(shí)發(fā)育的植物根系還能夠提供一定的錨固力以及固定水土的作用，能夠減少降雨的影響。各項(xiàng)治理措施具體描述如下：

①削坡降坡：在+25、+40m處分別設(shè)置平臺(tái)，平臺(tái)寬度4m，削坡坡度30°。坡腳線后退5m，形成坡腳平臺(tái)，標(biāo)高為+15m。

②A型重力式擋墻：擋墻總高3.5m，基礎(chǔ)埋深1m，地面以上高2.5m，墻頂寬1m，底寬1.7m，C30混凝土澆筑。擋墻底部設(shè)置三排植筋孔(直徑110mm)，植筋孔進(jìn)入灰?guī)r不小于3m，鋼筋采用HRB400直徑28mm鋼筋，注漿材料采用M30水泥砂漿，植筋孔沿走向間距1m。

③拱形格構(gòu)護(hù)坡：拱形格構(gòu)凈距寬3m，深度0.3m，拱柱寬0.6m。

④截、排水溝：坡頂截水溝、平臺(tái)排水溝、坡面縱向排水溝均采用矩形斷面，鋼筋混凝土(C30)結(jié)構(gòu)，寬0.5m，深0.5m，壁厚0.2m。

⑤普通噴播：削坡后坡面采用普通噴播方式綠化。

⑥掛網(wǎng)客土噴播：下部灰?guī)r出露區(qū)采用掛網(wǎng)客土噴播方式綠化。治理工程設(shè)計(jì)剖面如圖14。

采用有限元軟件對(duì)邊坡治理加固效果進(jìn)行模擬，此處只針對(duì)削坡以及重力式擋墻處理進(jìn)行模擬分析。得到治理后邊坡潛在滑動(dòng)面和安全系數(shù)如圖15所示，通過(guò)削坡清坡、重力式擋墻處理后，Spencer法計(jì)算所得坡體安全系數(shù)為1.32，坡體基本穩(wěn)定，治理措施效果明顯。

圖13 設(shè)計(jì)剖面圖Figure 13 Designed section

圖14 處理后危險(xiǎn)滑動(dòng)面及安全系數(shù)Figure 14 Hazardous slip surface and safety factor after treatment

4 結(jié)論

本文以G104國(guó)道丁山服務(wù)區(qū)西側(cè)滑坡為研究對(duì)象，利用非飽和土滲流理論，模擬降雨96h，對(duì)邊坡滲流、位移進(jìn)行分析，分析滑坡演化過(guò)程，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。通過(guò)模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)持續(xù)降雨過(guò)程中，孔隙水壓力與坡體位移具有相關(guān)性，孔隙水壓力和位移在土體淺層的變化較大、在土體深層變化較小，在坡頂變化大，坡體中部及坡腳變化較小，孔隙水壓力在降雨前期變化速率大，降雨后期變化變緩，位移在降雨前期變化小、降雨中后期持續(xù)增長(zhǎng)。此外，坡頂X分量位移變化較大，容易引發(fā)拉裂縫，導(dǎo)致推落式滑坡。總體來(lái)看，孔隙水壓力和位移在整個(gè)過(guò)程持續(xù)增長(zhǎng)?？紫端畨毫εc坡體位移狀態(tài)的相關(guān)性主要是由于土體的位移主要為雨水滲流過(guò)程導(dǎo)致。

(2)滑坡體在降雨過(guò)程中持續(xù)蠕移，降雨過(guò)程中產(chǎn)生淺層小型滑塌，在后緣產(chǎn)生拉裂縫，兩側(cè)產(chǎn)生剪切裂縫，坡腳沒(méi)有明顯變化。滑坡體的這些現(xiàn)象能夠被坡體的孔壓及位移變化狀態(tài)合理的解釋。

(3)結(jié)合滑坡的特征及周?chē)h(huán)境特點(diǎn)，采用了削坡減載、擋墻工程增加坡體穩(wěn)定性，同時(shí)采用格構(gòu)工程、截排水工程、綠化工程減少降雨入滲及入滲對(duì)淺層土體的影響，增加坡體穩(wěn)定性。

[1]Vol. N. The effect of infiltration on the stability of the slopes of a dry ash dump[J]. Géotechnique, 1999,49(1):1-13.

[2]鄭開(kāi)歡, 羅周全, 羅成彥, 等. 持續(xù)暴雨作用下排土場(chǎng)層狀碎石土邊坡穩(wěn)定性[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2016，(09):1204-1211.

[3]寧萬(wàn)輝, 寧健, 俞美華, 等. 降雨對(duì)碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響分析[J]. 水電能源科學(xué), 2011，(01):83-84.

[4]李靜. 降雨入滲條件下碎石土邊坡穩(wěn)定性分析[D]. 成都：成都理工大學(xué), 2014.

[5]羅渝, 何思明, 何盡川. 降雨類(lèi)型對(duì)淺層滑坡穩(wěn)定性的影響[J]. 地球科學(xué)(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)), 2014，(09):1357-1363.

[6]楊學(xué)文. 考慮降雨和滲流條件下的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2011.

[7]周雪峰. 降雨誘發(fā)滑坡變形機(jī)理分析[J]. 勘察科學(xué)技術(shù), 2011，(04):26-29.

[8]王成華, 張燕青. 飽和-非飽和土滲流數(shù)值分析方法綜述[J]. 建筑技術(shù), 2016，(05):428-432.

[9]Cai F, Ugai K, Ugai K. Numerical Analysis of Rainfall Effects on Slope Stability[J]. International Journal of Geomechanics, 2004,4(2):69-78.

[10]唐正光. 降雨入滲影響因素與滑坡的研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué), 2013.

[11]劉禮領(lǐng), 殷坤龍. 暴雨型滑坡降水入滲機(jī)理分析[J]. 巖土力學(xué), 2008，(04):1061-1066.

[12]李振嵩. 降雨條件下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析[D].廣州：中山大學(xué), 2007.

[13]王忠科. 植被蓋度及地面坡度影響降雨入滲過(guò)程的試驗(yàn)研究[J]. 河北水利水電技術(shù), 1994，(04):63-64.

[14]周星魁, 王忠科, 蔡強(qiáng)國(guó). 植被和坡度影響入滲過(guò)程的試驗(yàn)研究[J]. 山西水土保持科技, 1996，(04):10-13.

[15]牛四平. 坡度對(duì)土壤滲透規(guī)律影響試驗(yàn)研究[J]. 水土保持應(yīng)用技術(shù), 2009，(02):13-14.

[16]Rahardjo H, Li X W, Toll D G, et al. The effect of antecedent rainfall on slope stability[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2001,19(3):371-399.

[17]支墨墨. 降雨誘發(fā)大型滑坡變形破壞機(jī)理研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2015.

UnsaturatedSoilLandslideSeepageDeformationSimulationAnalysisandEngineeringTreatmentunderRainfallCondition

Tang Kai1, Sun Shaorui1, Song Jinglei2and Wang Yashan2

(1.School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100; 2.Jiangsu Province Geological Survey, Nanjing, Jiangsu 210000)

Taking the landslide at the west side of G104 national highway Dingshan service area as subject investigated, based on investigation and laboratory tests, combined with inversion have determined strength parameters of slip soil. Through set up of rainfall infiltration model has established landslide mass numerical model, using unsaturated soil seepage theory carried out slope seepage field and stress field coupling analysis. Through finite element method simulated 96 hours rainfall carried out pore water, seepage, displacement and slope stability analyses. The results have shown that during the rainfall process, the pore water pressure and landslide mass displacement has marked correlation between. Slope top X-component has larger displacement; superficial and upper part of landslide mass have larger pore pressure and displacement, thus easy to bring about trailing edge tensile fissures, superficial slumping. Landslide mass continued creeping during rainfall later period, can induce margin shearing fissures, and then induce integrated landslide. Slope cutting and retaining wall can increase slope mass stability; lattices, planting, intercepting and drainage works can reduce impacts from rainfall on slope top stability.

rainfall; landslide stability; simulation analysis; unsaturated soil; seepage; displacement

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.10

1674-1803(2017)08-0053-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41672258)。

唐 凱(1992—)，男，四川江油人，碩士研究生，主要從事巖(土)體結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性方面的研究工作。

孫少銳(1976—)，男，山東海陽(yáng)人，教授，主要從事巖(土)體結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性方面的研究工作。

2017-04-05

A

責(zé)任編輯：樊小舟