不同降雨類型對邊坡穩(wěn)定性影響的研究

蔡欣育任旭華,2張繼勛郁舒陽

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京210098；2.河海大學(xué) 水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京210098)

邊坡失穩(wěn)是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害,發(fā)生頻率高,危害極大[1],其中降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一.我國由于降雨引起的滑坡事故較高,占總滑坡數(shù)量的90%[2],許多學(xué)者對降雨引起的邊坡滲流特性及穩(wěn)定性變化進(jìn)行了大量研究.唐棟等[3]以均質(zhì)邊坡為例研究土-水特征曲線參數(shù)a和n對邊坡穩(wěn)定的影響.林鴻州,于玉貞,李廣信,等[4]通過模型試驗(yàn)研究得出低雨強(qiáng)長歷時的降雨會使深層土體的孔隙水壓力增加,從而造成滑動型破壞且滑坡體規(guī)模較大的結(jié)論.楊煜,何忠明,王保林,等[5-6]研究了大雨、暴雨、大暴雨3種降雨條件對含軟弱夾層邊坡孔隙水壓力變化的影響程度大小順序及在不同降雨工況下安全系數(shù)和塑性區(qū)的變化規(guī)律.周家文,徐衛(wèi)亞,鄧俊曄,等[7]通過計算表明在降雨入滲過程中,邊坡安全系數(shù)不斷減小,而在停雨后,邊坡安全系數(shù)還會進(jìn)一步降低.徐全,譚曉慧,沈夢芬[8]基于飽和-非飽和滲流理論及強(qiáng)度折減法對土質(zhì)邊坡進(jìn)行分析,表明滲透性較好的土體,隨著降雨強(qiáng)度的增加,安全系數(shù)變化幅度也越大.王寧偉,顏克順,梁家豪[9]結(jié)合飽和-非飽和滲流理論研究不同降雨類型下邊坡滲流場的變化規(guī)律,及邊坡安全系數(shù)隨降雨循環(huán)次數(shù)的變化.以上研究均將土體材料的力學(xué)參數(shù)設(shè)置為定值,未考慮土體材料的空間變異性.

隨著對邊坡研究地深入,人們漸漸意識到邊坡所處地質(zhì)條件復(fù)雜,土體參數(shù)具有不確定性和變異性,利用傳統(tǒng)方法求出的邊坡安全系數(shù)不能客觀真實(shí)地反映出邊坡真實(shí)的安全水平.邊坡的可靠度分析是在傳統(tǒng)定值分析基礎(chǔ)上建立起來的,考慮邊坡工程中實(shí)際存在的種種情況,利用概率的方法對邊坡進(jìn)行評價,其結(jié)果與傳統(tǒng)方法相比更加準(zhǔn)確可靠,得到了學(xué)者們的青睞,但降雨對邊坡可靠度影響的研究較少,也未涉及在不同降雨強(qiáng)度條件下,不同類型降雨對于邊坡失效概率的影響.因此,基于以上研究的不足,本文利用Geo-studio軟件,研究云南省某邊坡在不同降雨類型條件下的滲透穩(wěn)定性規(guī)律,得到邊坡內(nèi)部不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓.安全系數(shù)及失穩(wěn)概率的變化,研究成果可為邊坡的防護(hù)及治理提供參考.

1 降雨入滲下邊坡可靠度計算原理

1.1 非飽和計算原理

降雨入滲過程可以認(rèn)為是一個從非飽和到飽和的過程,其滲流本構(gòu)模型符合達(dá)西定律.非飽和土滲流微分方程表達(dá)式為:

1.2 非飽和土體抗剪強(qiáng)度

Fredlund[10]在Mohr-coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則基礎(chǔ)上提出非飽和土體抗剪強(qiáng)度公式為:

式中:c′和φ′為有效粘聚力和內(nèi)摩擦角；σn為法向應(yīng)力；(ua-uw)為基質(zhì)吸力.Vanapalli提出φb與體積含水率之間的關(guān)系為:

式中:θ 為體積含水率；θs為飽和體積含水量；θr為殘余含水量.

1.3 計算步驟

降雨條件下邊坡可靠度分析可以概括為以下步驟:首先在Seep/W中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析確定初始狀態(tài)下邊坡的孔隙水壓力空間分布狀況；再使用Seep/W進(jìn)行瞬態(tài)分析,獲得在不同降雨類型及不同降雨強(qiáng)度條件下的孔隙水壓力變化；然后用Seep/W 計算出不同時刻對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)；最后在Slope/W模塊利用軟件自帶的蒙特卡洛試驗(yàn)方法計算邊坡失效概率.

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

為滿足云南省用電負(fù)荷增長和“云電送粵”的需要,擬在云南省東北部、昭通市的白鳥村及小擢魁村東部修建機(jī)組工程.其中擬建公路位于廠址臺地東部邊緣邊坡上,相對高差約50 m.初始地下水位條件為左側(cè)上游水位標(biāo)高25 m,右側(cè)下游標(biāo)高5 m.其公路場地土主要由呈褐黃、褐灰、綠灰色,局部綠黃色的粘土構(gòu)成,整體呈硬塑狀態(tài),局部堅(jiān)硬狀態(tài),厚度大約為20 m.上部粘土為含碎石的粉質(zhì)粘土,厚度為30 m左右.在近期連續(xù)暴雨作用下坡體有較大變形,影響了電廠場地及進(jìn)廠公路安全,需對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析.邊坡模型如圖1所示.BC、EF為左右水頭邊界,分別為25 m 和5 m；AB、DE、CF為不透水邊界；AD為降雨流量邊界.網(wǎng)格共剖分為2 841個節(jié)點(diǎn),2 713個單元.

圖1計算模型及模型網(wǎng)格

2.2 計算參數(shù)

2.2.1 土體參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查,土體共分為兩層,依次為含碎石粉質(zhì)粘土和粘土,各地層土體參數(shù)見表1,材料的土-水特征曲線如圖2所示.土-水特征曲線是體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線,可通過實(shí)驗(yàn)得出,但實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜,因此一般通過經(jīng)驗(yàn)公式得出.常用的模型有Van Genuchten模型和Fredlun&Xing模型.本文采用的是Fredlun&Xing模型,其基本原理是根據(jù)Fredlun&Xing提出的的體積含水量的閉合解法,geo-slope中seep/w模塊設(shè)定了相應(yīng)的控制方程[11],已知土體的飽和體積含水量θs,便可估算出滲透系數(shù)函數(shù)為:

式中:kw為含水量或者負(fù)的孔隙水壓力計算所得的滲透系數(shù)；ks為邊坡土的飽和滲透系數(shù)；N為最終函數(shù)所描述的最大負(fù)孔隙水壓力；ψ對應(yīng)于第j 步的負(fù)孔隙水壓力；y代表負(fù)孔隙水壓力算法的虛擬變量；i為j 到N之間的數(shù)值間距:j 為最終函數(shù)所描述的最小負(fù)孔隙水壓力；θ0為方程的起始值.

表1各土層參數(shù)

圖2土水特征曲線

2.2.2 降雨參數(shù)

本工程缺乏降雨資料,故參考文獻(xiàn)[12]的降雨情況,降雨類型選擇為平均型、前鋒型、中鋒型和后鋒型4種類型,總降雨量為0.15 m,降雨天數(shù)為5 d,同時考慮停雨5 d的情況,總歷時10 d,降雨過程如圖3所示.

圖3降雨類型

3 計算結(jié)果分析

3.1 初始狀態(tài)下

初始狀態(tài)下孔隙水壓力分布狀態(tài)如圖4所示.可見孔隙水壓力等勢線平行于地下水位線,水位線以下為飽和土,其孔隙水壓力大于零,水位線以上為非飽和土,孔隙水壓力小于零.此時邊坡安全系數(shù)為1.058,大于允許最小安全系數(shù),認(rèn)定邊坡是穩(wěn)定的.

圖4初始狀態(tài)孔隙水壓力

3.2 不同類型降雨下孔壓變化

隨著降雨時間的增加,雨水不斷入滲,坡體內(nèi)孔隙水壓力發(fā)生明顯變化,分別在坡體的上、中、下部布置監(jiān)測點(diǎn)來探究不同類型降雨下坡體內(nèi)部不同監(jiān)測點(diǎn)孔壓變化,結(jié)果如圖5所示.

圖5不同降雨類型下孔壓變化

由圖5可知,在4種不同類型降雨條件下,坡體內(nèi)各個監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力均隨著降雨歷時的增加而增加.在同一降雨強(qiáng)度下,前鋒型降雨情況下的3個監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力的變化幅度要遠(yuǎn)大于其他3種類型降雨,4種類型降雨的孔隙水壓力變化幅度從大到小排序?yàn)?前鋒型＞平均型＞中鋒型＞后鋒型.對于不同監(jiān)測點(diǎn)來說,上部監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力的增長幅度是最小的,在第5 d停雨后,孔隙水壓力依然隨著時間的增加而增大.中部監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力增長幅度次之,停雨后孔隙水壓力增長速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定.下部監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力增長幅度最大,在降雨初期孔壓隨著降雨時間的增加而增加,停雨后隨著入滲雨水的不斷消散而逐漸減小.

3.3 不同降雨類型條件下壓力水頭云圖

根據(jù)以往研究,降雨過程可分為4個區(qū)域,即飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)和濕潤區(qū).由最危險孔壓圖可知在不同降雨類型條件下,前鋒型和平均型的浸潤線下凸程度大于其他兩種降雨類型；隨著降雨的入滲,邊坡深層土體的孔隙水壓力要明顯大于上部土體.

圖6最危險孔壓圖

3.4 不同雨強(qiáng)條件下孔壓變化規(guī)律

對邊坡分別施加不同強(qiáng)度的降雨(總降雨量分別為0.05 m、0.1 m、0.15 m、0.2 m),觀察其孔壓變化規(guī)律.由于篇幅限制,本文僅給出前鋒型降雨情況下的孔壓變化圖,如圖7所示.

由圖7可以看出,不同降雨強(qiáng)度下的孔隙水壓力均隨著降雨歷時的增加而增加,其中高強(qiáng)度降雨情況下的孔隙水壓力的增長幅度要明顯大于低強(qiáng)度降雨.而隨著降雨強(qiáng)度的增加,3個監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力變化速率逐漸增大,在降雨強(qiáng)度較低的情況下,下部監(jiān)測點(diǎn)法孔壓變化幅度均大于上部和中部監(jiān)測點(diǎn),而當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到0.08 m/d,即總降雨量為0.2 m時,下部監(jiān)測點(diǎn)法孔壓變化幅度小于中部監(jiān)測點(diǎn),這是由于降雨在坡面入滲的過程中,由于降雨強(qiáng)度超過土體入滲能力,從而坡表徑流,部分雨水從坡面排走,故下部監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力變化幅度較小.

圖7不同雨強(qiáng)條件下孔壓變化

3.5降雨作用下邊坡可靠度分析

利用蒙特卡羅法分析不同降雨類型對邊坡可靠度的影響.利用Geo-studio中的Seep/W和Slope/W模塊進(jìn)行計算,以含碎石粉質(zhì)黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角作為隨機(jī)變量,各參數(shù)服從正態(tài)分布,參數(shù)取值見表2,正態(tài)概率密度分布函數(shù)如圖8所示,試驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為2 000.

表2土層取值參數(shù)

圖8參數(shù)概率密度分布函數(shù)

3.5.1 不同降雨類型條件下邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡在不同降雨類型條件下計算結(jié)果見表3.

表3分析結(jié)果圖

安全系數(shù)變化如圖9所示.

圖9安全系數(shù)變化圖

由圖9可以看出在同一降雨強(qiáng)度下,安全系數(shù)隨著降雨的時間的增加而不斷下降,降雨初期的安全系數(shù)變化較降雨后期劇烈,在第5 d停雨后隨著雨水的不斷蒸發(fā),安全系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定.對于4種不同類型降雨來說,孔隙水壓力變化幅度越大,邊坡安全系數(shù)下降的幅度也越大,前鋒型降雨條件下的安全系數(shù)變化幅度最大為6.46%.在第10 d,4種類型降雨的安全系數(shù)從小到大排序?yàn)?前鋒型＜平均型＜中鋒型＜后鋒型,最小安全系數(shù)為1.001 6.

概率分布函數(shù)如圖10所示.

圖10概率分布函數(shù)

3.5.2 不同雨量條件下邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡在不同雨強(qiáng)條件下(總降雨量分別為0.05 m、0.1 m、0.15 m、0.2 m)的失效概率及變化規(guī)律如圖11所示.穩(wěn)定性等級評價指標(biāo)見表4.

圖11失效概率

表4穩(wěn)定性等級評價指標(biāo)

由圖11可見在同一類型降雨條件下,隨著降雨強(qiáng)度的不斷增加而增加,邊坡的失效概率不斷增大,以前鋒型降雨情況為例,失效概率由2.85%增長到56.35%,增長了53.5%.前鋒型和平均型降雨條件下的邊坡失效概率要大于中鋒型降雨和后鋒型降雨.邊坡在低雨強(qiáng)情況下的最大失效概率為2.85%,在較高雨強(qiáng)情況下的最大失效概率為邊坡最大失效概率56.35%.根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)[13]可知,邊坡在低雨強(qiáng)情況下失效概率遠(yuǎn)小于5%,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),在中等雨強(qiáng)條件下的失效概率小于30%,邊坡處于低危險狀態(tài),在較高雨強(qiáng)條件下失效概率在30%以上,處于中等危險狀態(tài),需對邊坡進(jìn)行相關(guān)加固措施.

4 結(jié)論

1)在同一降雨強(qiáng)度下,孔隙水壓力隨著降雨歷時的增加而增大,在前鋒型降雨模式下的孔壓增大速率要大于其他3種類型降雨,下部監(jiān)測點(diǎn)的增長速率要大于上部和中部監(jiān)測點(diǎn)的增長速率.隨著雨強(qiáng)的增加,孔隙水壓力的增長速率明顯增大,高強(qiáng)度降雨的增長速率遠(yuǎn)大于低強(qiáng)度降雨的增長速率.

2)安全系數(shù)隨著降雨時間的增加而減小,且降雨初期的增長速率大于降雨后期,在第5 d停雨后安全系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定,并在第10 d達(dá)到了最小值.在4種類型降雨模式下,前鋒型降雨的變化幅度最大,最小安全系數(shù)為1.001 6.

3)對于降雨強(qiáng)度相同的情況,4種類型降雨的失效概率從小到大排序?yàn)?后鋒型＜中鋒型＜平均型＜前鋒型,此時邊坡最大失效概率為45.8%,邊坡處于中等危險狀態(tài).而在不同強(qiáng)度降雨條件下,邊坡失效概率隨著雨強(qiáng)的增加而增加,前鋒型降雨模式下的失效概率最大,需在邊坡防治過程中進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注.