降雨條件下風化石英片巖邊坡穩(wěn)定性分析

李 超，劉 策，關(guān)天冶

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012)

我國是世界上最大的發(fā)展中國家，在近30年的迅猛發(fā)展中，也帶動了工程基礎(chǔ)建設的步伐，但我國2/3的國土為山地，特別是西部地區(qū)受青藏高原隆起的影響，地形變化大，地質(zhì)構(gòu)造復雜。因此在這一地區(qū)開展大規(guī)模水電工程、公路工程等建設活動，不免需要經(jīng)常地開挖巖土體，形成大量的人工邊坡，可見巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題事關(guān)工程建設和運行期間的安全和經(jīng)濟價值。山田剛二認為[1- 4]：滑坡是以巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形和風化狀態(tài)等為內(nèi)因，以降雨、融雪等氣象條件和挖方填土引起的應力變化等為外因而綜合生成的極復雜地質(zhì)現(xiàn)象。這一定義指出風化作用及巖體巖性是引發(fā)滑坡的內(nèi)因之一，而降雨是引發(fā)滑坡的主要外在因素。因此本文通過考慮巖土體的非飽和作用來分析降雨入滲條件下石英片巖滲透特征，并在涉及到巖體強度的各向異性前提下分析邊坡穩(wěn)定性的滯后作用。

1 飽和-非飽和滲流理論

土的導水能力在飽和-非飽和條件下，可以通過滲透系數(shù)函數(shù)來直觀反映。飽和狀態(tài)下，顆粒間所有孔隙被水充填；而在非飽和狀態(tài)下，孔隙中包含部分空氣，氣體所占據(jù)的體積為滲流的非傳導通道，導致滲流路徑更加曲折，使整體滲透系數(shù)減小。因此可以斷定，含水量是滲透系數(shù)的主要影響因素之一。加拿大專家Fredlund通過測量和估算的體積含水量函數(shù)和飽和滲透系數(shù)，來預測非飽和滲透系數(shù)函數(shù)[7- 10]。該方法控制方程如下：

(1)

式中，ks—測得的飽和滲透系數(shù)，m/s；kw—計算所得的非飽和滲透系數(shù)，m/s；θs—飽和體積含水量；e—自然對數(shù)的底2.71828；i—j到N之間的數(shù)值間距；y—代表負孔隙水壓力計算方法的虛擬變量；j—最終函數(shù)描述的最小負孔隙水壓力；N—最終函數(shù)描述的最大負孔隙水壓力；ψ—對應第j步的負孔隙水壓力；θ′—方程起始值。

2 裂隙巖體飽和-非飽和滲流理論

事實上，Narasimhan就曾假定了裂隙中流動溝槽均互相平行，并假設裂隙壁面接觸點引起的水流彎曲遠小于氣泡水流彎曲，推導出單裂隙飽和度-毛管壓力關(guān)系如下[5]：

(2)

(3)

(4)

式中，S—單裂隙飽和度；bmax—裂隙最大開度；b—裂隙開度；f(b)—裂隙開度分布函數(shù)。

周創(chuàng)兵[6]在研究裂隙巖體的非飽和滲流時假定裂隙開度服從Ganna分布，并最終推導出節(jié)理飽和度-毛管壓力關(guān)系式如下：

(5)

(6)

f(x)=β2xe-βx

(7)

此時，ξ，s可分別表示如下：

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(8)

(9)

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(10)

(11)

通過現(xiàn)場勘測資料，野外所測得的200余條結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計數(shù)據(jù)，研究區(qū)風化石英片巖的裂隙寬度如下：

全風化層：飽和滲透系數(shù)4.219m/s；裂隙寬度2～5mm。

強風化層：飽和滲透系數(shù)1.086m/s；裂隙寬度0.5～5mm。

因研究區(qū)中風化層及微風化層滲透系數(shù)很小，且預計降雨入滲達不到中風化層，因此在采用有限元分析計算時中風化層和微風化層采用飽水滲透系數(shù)，因此本文僅以全風化層和強風化層為計算對象。通過數(shù)據(jù)的計算擬合，所獲取非飽和滲透系數(shù)函數(shù)和體積含水量函數(shù)如圖1所示。

圖1 滲透系數(shù)函數(shù)及體積含水量函數(shù)

3 巖塊直剪試驗分析

片理面的存在是石英片巖地層力學性質(zhì)、強度特征和破裂模式表現(xiàn)出明顯各向異性特征的根本原因，本文展開了平行于片理面、斜交片理面和垂直于片里面方向的巖塊直剪試驗，并為后續(xù)的各向異性巖質(zhì)邊坡的應力分析提供參數(shù)依據(jù)，通過室內(nèi)的直剪試驗，獲取結(jié)果見表1。

試驗的結(jié)果表明：巖體抗剪強度不僅與巖體所受法向應力有關(guān)，而且與巖體含水量有關(guān)；飽和狀態(tài)下巖體的抗剪強度比天然狀態(tài)時的抗剪強度平均減小20%；與天然狀態(tài)相比，黏聚力c、內(nèi)摩擦角夠的變化也比較明顯，c平均下降71.4%這充分說明在降雨條件下，尤其是大降雨發(fā)生時，巖體失穩(wěn)的可能性會大大增加，這也正是地質(zhì)災害經(jīng)常在降雨后發(fā)生的主要原因。

4 滲流場有限元分析及穩(wěn)定性評價

本文采取研究區(qū)風化程度高，裂隙發(fā)育完全，較大坡高的坡段作為計算剖面，并在該基礎(chǔ)上分析在特定降雨條件下該高切坡的滲流場在降雨過程中的滲流趨向特點及考慮強度各向異性的穩(wěn)定性分析。

該所建立的剖面模型高程以坡角(高程620.2m)以下20m為模型底邊界，并設置模型底高程為0m，巖層從上到下為殘坡積土、全風化層、強風化層、中風化層、微風化層，如圖2所示。

表1 點荷載試驗成果表

表2 計算參數(shù)表

圖2 計算剖面簡化模型圖

4.1 計算參數(shù)的選取

依據(jù)現(xiàn)場的滲水試驗、點荷載試驗、及巖體直剪試驗等，確定了不同巖土層的滲透系數(shù)、強度各向異性情況，各種巖土層的基本物理性質(zhì)參數(shù)見表2。

4.2 初始條件和邊界條件的確定

在計算飽和-非飽和滲流的過程中，將切坡表面的邊界條件設置為單位流量邊界q=7.375mm/h，左右邊界設置為不透水邊界Q=0，本文采用當?shù)貐^(qū)域歷史平均降雨強度7.4mm/h，降雨持續(xù)時間為6h，計算時間至64h剖面邊界條件如圖3所示。

圖3 剖面邊界條件設置圖

滲流場計算采用GEO-STUDIO的SEEP/W模塊，該模擬計算軟件基于有限元理論分析方法對巖土體滲流問題進行計算，可以得到飽和-非飽和的滲流數(shù)值計算結(jié)果，如圖4所示。

5 考慮各向異性邊坡穩(wěn)定性分析

研究區(qū)邊坡穩(wěn)定性計算采用GEO-STUDIO中的SLOPE模塊，并考慮平行于片理方向和垂直于片理方向物理強度的各向異性，從而求得相對客觀的穩(wěn)定性系數(shù)，如圖5、6所示。

圖4 剖面邊界條件設置圖

圖5 不同歷時邊坡最危險滑動面

圖6 降雨條件下穩(wěn)定性系數(shù)曲線

主要內(nèi)容和結(jié)論如下：

(1)通過計算可得出降雨引起的入滲導致巖土體含水量增加，孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力下降，加大了巖土體的容重，并導致了巖土體抗剪強度的降低。而在降雨過程中坡肩表層的殘坡積土孔隙水壓力變化最為顯著，全風化次之，強風化層孔隙水壓力變化較小。在降雨初期殘坡積層最先形成暫態(tài)飽和區(qū)，在降雨6h停止后，暫態(tài)飽和區(qū)不斷下移，并在殘坡積土層形成了孔空隙水壓力區(qū)，隨著雨后坡內(nèi)滲流的繼續(xù)進行，高孔隙水壓力區(qū)由降雨6h時的大范圍連接區(qū)域變成數(shù)塊分割斷裂的小區(qū)域，并所屬高孔隙水壓力區(qū)不斷下移到強風化層。

(2)在考慮到風化石英片巖物理強度的各向異性情況下，運用Geostudio有限元軟件的SLOPE模塊設置該高切坡各向異性物理參數(shù)，分析在降雨過程中其穩(wěn)定性的動態(tài)變化，通過計算顯示，由于在降雨停止后坡內(nèi)滲流繼續(xù)進行，因此在邊坡的穩(wěn)定性分析上反映出了穩(wěn)定性系數(shù)的滯后性，在降雨6h停止后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)持續(xù)降低，在大約14h時降為最低1.107，并在后期有所回升，到計算的62h時回升到1.172，由此也反映出了坡體滲流的排干作用。并且通過與剛體極限平衡方法綜合分析邊坡的穩(wěn)定性可分析出該高切坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性良好，在該特定降雨條件下歷時降雨2h時邊坡穩(wěn)定性尚且滿足安全要求，2h以后邊坡穩(wěn)定性在安全儲備上稍顯不足。