基于降雨滲流條件下的土質邊坡穩(wěn)定性時間特征研究

張 昊

(貴州大學 國土資源部喀斯特環(huán)境與地質災害重點實驗室，貴陽 550025)

1 概 述

滑坡是非常嚴重的地質災害，尤其在西南地區(qū)，由于山地較多，滋長了滑坡的發(fā)生，而降雨則是導致滑坡發(fā)生的一個重要因素。降雨對邊坡巖土體參數(shù)的影響，主要體現(xiàn)在4個方面，即巖土體的重度增大、巖土體材料抗剪強度參數(shù)的降低，邊坡應力狀態(tài)的變化、坡面及坡體的滲流產(chǎn)生動水壓力等[1]。

針對降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響研究，前人作了很多工作，為我們提供了有力的理論基礎。文獻[2]研究表明，廣義吸力模型可以同時描述濕脹土和濕陷土的應力應變特性,并且還可以用于結構性飽和土的分析[2]。文獻[3]對滲流數(shù)學模型進行了更加深入的研究，并編寫了相關程序以便工程使用[3]。文獻[4]對多級邊坡降雨條件下的影響進行了研究，結果表明隨著降雨的入滲，邊坡的潛在滑移面發(fā)生著變化[4]。文獻[5-7]對階梯狀邊坡進行了研究，研究結果表明穩(wěn)定性和邊坡形態(tài)有很大的關系[5-7]。文獻[8-11]從多個方面研究在降雨滲流情況下發(fā)生土質滑坡的機理[8-11]。從眾多研究中可以發(fā)現(xiàn)，很多都提及到關于穩(wěn)定性系數(shù)最低點的出現(xiàn)時間多發(fā)生在降雨結束后，但目前針對這個問題的研究少之又少，很多時候都是一筆帶過，但是這個問題對于地質災害預警與防治具有重要的意義，而且目前很多文章都沒有結合工程地質條件的特性進行分析，這樣計算出來的結果可能會有一些出處。本文主要針對土質邊坡進行討論，從工程地質條件出發(fā)，先進行理論分析，再基于Geo seep/W和slope/W兩個分析模塊分析典型實例，對降雨滲流情況下土質邊坡穩(wěn)定性隨時間的變化特征進行研究。

2 理論分析

對于邊坡的穩(wěn)定性問題，大多數(shù)采用的是定性和定量相結合的方法。巖土體性質的不確定性是眾所周知的，所以對邊坡穩(wěn)定性的評價多是以定性為主，邊坡的穩(wěn)定性計算多是把巖土體當成均質體，各向同性，采取參數(shù)折減的方法來進行計算，很多時候這樣的結果都差強人意。所以應該主要把握好邊坡的特征，再進行合理的計算，這樣才能準確把握邊坡的穩(wěn)定性。

對于降雨滲流情況下的土質邊坡也應該如此，優(yōu)先把握工程地質條件的特殊性。工程地質條件包括巖石和土的性質、地質構造、地貌、水文地質條件、自然地質現(xiàn)象和天然建筑材料等方面[12]。

針對降雨滲流情況下土質邊坡穩(wěn)定性的時間特征研究，最低穩(wěn)定性系數(shù)滯后性的發(fā)生是多種因素導致的，包括降雨強度，降雨持時，巖土體性質、地下水特征、邊坡形態(tài)特征等等。概括起來主要有兩個方面：①降雨特征；②邊坡特征。這里主要分析邊坡特征，通過對工程地質條件的分析，本文主要是從土體性質、邊坡形態(tài)特征這兩個方面來進行分析。

2.1 土體性質

在降雨滲流情況下，土的性質尤為重要。目前對于土的分類多種多樣，除特殊土外，目前比較普遍的分類為黏土、粉質黏土、粉土、粉砂、砂土、碎石土，這種分類對于研究滲流要直觀一點。土的滲透性、土的強度、土的變形特性是土的3個主要力學性質。對于研究土的滲流問題，必須要弄清它們之間的關系，這樣才容易判斷水對于土質邊坡的影響。比如說用黏土和碎石土來做比較，在其他條件一樣的情況下，黏土的坡透水性一般不如碎石土，短時暴雨的情況下，碎石土更容易達到飽和，滲透系數(shù)更容易達到正值，降低了基質吸力，對邊坡的危害也就越大；而黏土滲透系數(shù)系數(shù)性較小，由于降雨時間短強度大，很有可能只有表層達到飽和，導致很多雨水不能滲流進土體內部，威脅也就沒有那么大。當長時小雨時，碎石土坡中的水更容易滲流出去，而黏土中的要慢一些。

土的性質對于最低穩(wěn)定性滯后的影響是很重要的，不同的土滲流的速度不一樣就導致雨水滲流到潛在滑移面的速度不一樣。降雨期間沒有滲流到潛在滑移面就停止下雨的情況下，滲流快的土體會先達到穩(wěn)定系數(shù)的最低值，而且在穩(wěn)定系數(shù)在低位持續(xù)時間也會較短；而滲流慢也不然，穩(wěn)定系數(shù)最低值會更晚一些，而且持續(xù)時間會長一些或者穩(wěn)定性系數(shù)上升為原來的值要慢一些，降雨期間就已經(jīng)滲流到潛在滑移面，而且出現(xiàn)飽和區(qū)。同樣的道理，滲流快的穩(wěn)定系數(shù)會快一點升高，而滲流慢的會晚一些。這里還需要提到的一點就是水對于潛在滑移面的軟化作用，處在滑移面區(qū)域的水滯留時間越長，對于滑帶土的強度折損就越大。由此可見，對于土的判斷是至關重要的，必要時可能還需要作試驗進行對比分析。

2.2 邊坡形態(tài)特征

邊坡形態(tài)對于邊坡穩(wěn)定性的影響在文獻[13-16]對其有一定的研究，主要是研究坡面凹凸對于邊坡穩(wěn)定性的影響。而本文說的邊坡形態(tài)不是單純指的是坡面形態(tài)，還包括內部的結構面，如潛在滑移面和相對隔水層等等。這里還需要說明一下人類關心的邊坡一般在人類活動范圍內，對人類有威脅的。在西南地區(qū)這種邊坡很多，由于處于人類活動區(qū)域內，多被人類后天所改造，為了糧食就改成梯田，為了交通就修了路，這就導致坡面出現(xiàn)很多的陡坎、凹槽，形成臨空面，為滑坡的發(fā)生提供了更好的動力條件。對于降雨滲流來說也是如此，陡坎會導致雨水在水平方向的滲流受到影響，就容易導致滑體內的水富存時間變長，穩(wěn)定性系數(shù)在雨停之后上升變慢。邊坡形態(tài)對于降雨滲流下的土質邊坡穩(wěn)定性時間特征的影響主要從兩種形態(tài)來說：①滑體為土，下部有基巖；②全為土質邊坡，沒有基巖，沒有相對隔水層。

沒有基巖的土質邊坡對于雨水入滲在豎直方向的滲透沒有隔水層，就會導致下部的水輕易不會飽和，當然這里沒有考慮有地下水的情況。當有地下水時效果會不一樣，降雨會導致地下水位上升，不僅會提高孔隙水壓力，還會增大地下水的滲流力，對邊坡的穩(wěn)定有較大的不利影響。那么關于穩(wěn)定性的時間特征，主要是看滑體土內水的變化問題，如果降雨停止后雨水主要集中在上部，那么降雨停止后，隨著雨水下滲一樣會在雨停之后出現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)最低點；如果滑體內在降雨期間就已經(jīng)飽和，那么穩(wěn)定性系數(shù)應該在降雨結束后就會上升。

對于有下伏基巖的土質邊坡，相對于土來說，基巖為相對隔水層，很多時候滑面為巖土界限，這就會導致滑體的水不易滲流到巖體內，就會導致雨水只能沿著土體滲流出去，這時需要考慮滑體的上部滲流進來的水滲流出去的水哪一個多一點。從坡面到相對隔水層的垂直距離來進行對比，后緣的距離長，前緣短，降雨停止后，滑體內的水補給就要比排泄的多，穩(wěn)定系數(shù)就會降低；而如果后緣的距離短，前緣長，滑體內的水補給就要比排泄的少，穩(wěn)定系數(shù)會升高。這兩種情況再與雨水豎直方向下滲過程進行綜合分析，得出此種類型的邊坡關于降雨滲流情況下邊坡穩(wěn)定性的時間特征。

3 降雨滲流條件下的滲流場和強度場

3.1 滲流原理

3.1.1 非飽和土中水分運動的基本方程[17]

根據(jù)水動力學原理，非飽和土滲流同樣滿足達西定律，但是滲流系數(shù)k不為常數(shù)，而是一個關于飽和度或者基質吸力的深流函數(shù)。根據(jù)質量守恒原理，非飽和土二維非穩(wěn)態(tài)滲流情況下，流入與流出單元的水量變化率等于該單元內水量隨時間的變化率，由此可得出土中水運動的連續(xù)方程為：

(1)

將Darcy定律代入上式，即可得出非飽和土：

(2)

3.1.2 飽和-非飽和滲流的基本微分方程及邊界控制條件

進行飽和-非飽和滲流問題探討和求解過程中，需要對模型建立控制方程和邊界條件，孔隙水分穩(wěn)定流的微分方程為[18]：

(3)

3.2 抗剪強度

隨著非飽和土力學的發(fā)展，目前對于非飽和狀態(tài)下的土體，需要考慮基質吸力的作用。所以，本文采用Fredlund等提出一種延伸的Mohr-Coulomb屈服公式,即雙參數(shù)抗剪強度公式[19]:

τf=c′(σn-Ua)tanφ′+(Ua-Uw)tanφb

(4)

式中:σn為法向應力;Ua為孔隙氣壓力;Uw為孔隙水壓力;Ua-Uw為土中吸力;c′，φ′為有效黏聚和有效內摩擦角;φb為隨吸力變化的內摩擦角。

從公式(4)中可以看出,當降雨時,土體含水量增大時,Uw也隨著增大,Ua-Uw減小,τf也減小,土坡穩(wěn)定性減小[20]。

對于穩(wěn)定系數(shù)的計算方法，本文采用的 Morgenstern-Price祛，此方法能同時滿足力和力矩的平衡。從計算方法來說，降雨滲流情況下土質邊坡的穩(wěn)定性時間特征，主要是降雨滲流導致滑體重心下移和參數(shù)折減的影響。

4 實例分析

4.1 工程概況

本實例主要研究的是滑坡形態(tài)特征對于此研究的影響，該土質邊坡位于貴州省某景區(qū)附近，根據(jù)現(xiàn)場定性分析，坡前有緣臨空，前緣和后緣高差為50 m左右，長為150 m左右，斜坡坡度在30°～45°之間，滑體平均坡度在25°～40°之間，坡面上局部有小的裂縫，其上建筑物、植被無新的變形跡象，后緣有斷續(xù)的小裂縫發(fā)育，整體上發(fā)育為兩條主裂縫。由于調查時為雨季，土體較潮濕，該斜坡出露巖性為寒武系下統(tǒng)明心寺組(∈1m)泥(頁)巖，上覆第四系為碎石土與耕植土，耕植土厚約0.2 m，碎石土可見厚度約2～8 m。地層產(chǎn)狀為40°∠20°，斜坡兩側為溝，前側為河流，位于東側沖溝有斷層通過，該斜坡中上部未見地下水出露。該斜坡體上于2016年上半年修建完縣道，多處見新修房屋?？梢钥闯?，該斜坡對下部村民有威脅。見圖1。

圖1 傾斜攝影測量滑坡全景圖

根據(jù)裂縫情況和現(xiàn)場調查，根據(jù)工程地質分析原理預測，該處會有兩個潛在滑移面，這里沒有考慮降雨滲流使滑移面變形的問題，因為通過研究，這個變形并不大。分為局部滑移面和整體滑移面，見圖2。

圖2 滑坡模型剖面圖

4.2 工況設計

4.2.1 降雨設計

根據(jù)實際降雨材料，設計暴雨工況如下：考慮連續(xù)降雨8天，周期為30天。因為土體濕潤，前面4天日降雨量為8 mm，后面4天為日降雨量為120 mm，降雨量見圖3。

4.2.2 參數(shù)選取

根據(jù)室內試驗結果，通過反演分析得出寒武系下統(tǒng)明心寺組(∈lm)中風化泥頁巖和碎石土參數(shù)，見表1及圖4-圖5。

圖3 降雨設計圖

表1 參數(shù)選取表

圖4 碎石土滲透函數(shù)曲線

圖5 碎石土水-土特征曲線

4.2.3 模型基本假定、邊界條件及初始條件

1) 真實模型基本假定。真實工況下的巖土體材料分布不均、降雨時空分布也是未知的，坡體的飽和-非飽和狀態(tài)受到前期降雨、排水狀態(tài)和周圍土體滲水等諸多影響。為簡化計算和突出分析重點，在進行分析前，基本假定如下：①不考慮降雨全過程的水分蒸騰；②前期降雨為零，且無土體富水態(tài)；③邊坡底面為不透水，坡體兩側與周圍土體水氣運移是等量的。

2) 模型的初始條件。降雨歷時作用下的邊坡入滲是一個隨時間變化的動態(tài)過程，邊坡體內的水氣分布也是動態(tài)的，邊坡降雨下的雨水入港過程模型就是對降雨過程中不同時間點的瞬態(tài)滲流場分布進行計算，因此確定瞬態(tài)流計算的初始條件就顯得異常重要。在具體計算中，天然狀態(tài)下邊坡內的孔隙水壓力和體積含水量等分布情況即是后續(xù)瞬態(tài)分析的初始條件。地下水位以下的孔隙水壓力隨著埋深線性遞增，地下水位線處孔隙水壓力為零。水位線以下的初始含水量為對應土體飽和含水率，水位線以上則逐漸減小。在此基礎上，對模型進行穩(wěn)態(tài)分析計算得到的滲流場即可作為瞬態(tài)流計算的初始條件。

對邊坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定滲流場進行分析，因為下部為泥頁巖，為隔水層，再結合當?shù)卮蜚@情況，并未發(fā)現(xiàn)地下水，所以計算結果見圖6。

圖6 初始孔隙水壓力分布圖

4.2.4 降雨入滲對孔隙壓力的影響

根據(jù)實際計算情況了解到降雨過程中滲流場的分布變化特征，降雨前期小雨過程，地表水緩慢入滲，邊坡表面出現(xiàn)暫態(tài)淺層飽和區(qū)；隨著降雨的持續(xù)開始暴雨，暫態(tài)飽和區(qū)面積不斷擴大，浸潤線向坡體深處擴展；降雨停止后，飽和區(qū)面積則收縮，在坡體內向高程較低處發(fā)生遷移，在坡腳等處匯集。見圖7。

圖7 9 d孔隙水壓力分布

到第30天，滑面的的孔隙水壓力基本回歸到初始值，安全系數(shù)應該會經(jīng)歷一個回歸的過程，安全系數(shù)隨時間變化見圖8。

圖8 安全系數(shù)隨時間的分布圖

4.3 結果分析

結果表明，降雨對邊坡穩(wěn)定性影響效果十分顯著，總體來說對邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)有很大的降低作用，這個結果也比較符合工程實際經(jīng)驗，而且從中可以看出降雨滲流情況下，邊坡穩(wěn)定性的時間特征。下面針對兩個滑移面的特點分別加以解釋說明。

4.3.1 局部滑坡

由于開始降雨時，強風化層沒有地下水，所以土顆粒間沒有基質吸力；在開始降雨后，土體由干燥變得濕潤，加之局部滑移面較淺，地表水很快就會滲入到滑移面附近，導致滑移面的基質吸力變大，增加了滑移面的力學強度，導致安全系數(shù)有所上升，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隨著暴雨的開始，地表水量增加，加快了地下滲流，土顆粒間的孔隙水壓力有所增加，達到一定值之后，基質吸力會隨之變小，土體的穩(wěn)定系數(shù)也就會隨之變小，從上面孔隙水壓力分布圖可以看出，暴雨開始之后孔隙水壓力會有明顯的增加。隨著地下雨水的增加，滑體的自重有所增加，同樣會降低邊坡的穩(wěn)定性；同時地下水的流動會產(chǎn)生滲流力，同樣會降低穩(wěn)定系數(shù)。從圖8中可以看出，穩(wěn)定性系數(shù)最低的是第8天，也就是降雨的最后一天，暴雨對于局部滑坡的具有較高的時效性，因此后面多種極限平衡方法綜合計算暴雨工況穩(wěn)定系數(shù)時，也是以這一天的安全系數(shù)作為分析值；后面隨著暴雨停止，地下水開始從向下流動，隨之安全系數(shù)有所增加，最后安全系數(shù)增加到比最開始的穩(wěn)定系數(shù)還大，這是因為隨著地下水的減少，孔隙水壓力也會隨之降低，這時基質吸力又會出現(xiàn)，起到一定的作用。

4.3.2 整體滑坡

由于開始降雨時，強風化層沒有地下水，所以土顆粒間沒有基質吸力，在開始降雨后，土體由干燥變得濕潤，導致滑移面的基質吸力變大，增加了滑移面的力學強度，導致安全系數(shù)有所上升，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但是由于整體滑移面較深，地表水滲入到滑移面附近需要一定的時間，所以穩(wěn)定系數(shù)上升有一定的滯后性。隨著暴雨的開始，地表水量增加，加快了地下滲流，土顆粒間的孔隙水壓力有所增加，達到一定值之后，基質吸力會隨之變小，土體的穩(wěn)定系數(shù)也就會隨之變小，從上面孔隙水壓力分布圖可以看出，暴雨開始之后孔隙水壓力會有明顯的增加。隨著地下雨水的增加，滑體的自重有所增加，同樣會降低邊坡的穩(wěn)定性；同時地下水的流動會產(chǎn)生滲流力，同樣會降低穩(wěn)定系數(shù)，這兩點和上面的局部滑移面穩(wěn)定性降低的機理相同。從圖8中可以看出，穩(wěn)定性系數(shù)最低的是第9天，也就是降雨停止后的第一天，因為坡上面以及坡表的雨水還沒有完全滲入到滑體內，而且從剖面圖可以看出整體滑動面的前緣到隔水層的距離要比后緣窄很多，從而導致上面滲流下來的地下水要比從滑體中滲流出去的地下水多，雨水停止后，滑體內會匯集的水量為整個降雨過程中水量最大的時刻，等到上部雨水滲流梯度降低到某一時刻，這時滑體內的補給水沒有排泄水水量大，滑體內的水呈流出狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)就會有所提高。由于滑體體積大，水量存儲大，所以穩(wěn)定系數(shù)上升較局部滑移面上升的慢。

5 總 結

本文分別從理論分析和工程實例論述了降雨滲流情況下土質邊坡穩(wěn)定性時間特征，主要是從巖土體性質和邊坡形態(tài)特征兩個角度進行展開分析。研究表明，巖土體性質和邊坡形態(tài)降雨滲流情況下邊坡穩(wěn)定性時間特征有很大的影響。

1) 降雨滲流情況下邊坡穩(wěn)定性時間特征是一個值得研究的問題，穩(wěn)定性系數(shù)經(jīng)常會出現(xiàn)降雨停止后，這對于監(jiān)測預警和防災減災具有重要的意義。

2) 為了更好掌握降雨滲流情況下邊坡穩(wěn)定性時間特征，首先需要了解工程地質條件，這樣才能了解每一個滑坡的特殊性。

3) 多數(shù)情況下，滲流速度快的土體降雨停止后，達到穩(wěn)定性最低點的時間要早一些，恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)也要更快一些，所以也要充分把握巖土體的性質。

4) 陡坎對于降雨滲流情況下土質邊坡穩(wěn)定性最低點時間滯后起著重要的作用，它主要是影響滑坡前緣滲流截面的寬度，從而影響滲流時間及穩(wěn)定性。

5) 一般情況下，滑移面越深，降雨滲流情況下土質邊坡穩(wěn)定性最低點的時間滯后越明顯，反之則越不明顯。