基于降雨—地震耦合作用土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究

朱和玲，張新光

(中鋁廣西有色稀土開發(fā)有限公司，南寧 530012)

在以往文獻(xiàn)中，單因素造成滑坡災(zāi)害研究較多[1-3]，而對(duì)多因素作用下的滑坡災(zāi)害研究較少[4]。在我國西部地震頻發(fā)地區(qū)，在地震和強(qiáng)降雨共同作用下引發(fā)滑坡災(zāi)害的案例較多，例如：在汶川大地震發(fā)生后，北川縣原有因地震引發(fā)的滑坡在強(qiáng)降雨的作用下再次產(chǎn)生滑坡，災(zāi)害影響范圍增大[5]?？梢娊涤辍卣鸬鸟詈献饔脤?duì)滑坡災(zāi)害起到了疊加放大效應(yīng)[6]，且對(duì)耦合作用下的滑坡災(zāi)害演化過程認(rèn)識(shí)尚且不足。因此，在降雨—地震耦合作用下的滑坡災(zāi)害演化機(jī)理與過程急需開展相關(guān)研究工作。

目前，有部分學(xué)者開展了降雨—地震耦合作用下滑坡災(zāi)害研究工作。王海倫[7]以降雨—地震耦合作用下的滑坡為研究對(duì)象，得到了耦合作用會(huì)降低滑坡抗剪強(qiáng)度，造成邊坡失穩(wěn)垮塌的結(jié)論。王玉斌[8]研究了降雨—地震耦合作用下的鉸鏈?zhǔn)狡鰤K生態(tài)邊坡穩(wěn)定性，得到了降雨—地震耦合作用下，鉸鏈?zhǔn)狡鰤K生態(tài)邊坡穩(wěn)定性優(yōu)于土質(zhì)邊坡。肖桐[9]開展了降雨—地震作用下的罐灘滑坡破壞數(shù)值模擬研究，得到了降雨作用加劇了滑坡災(zāi)害產(chǎn)生的結(jié)論。朱文會(huì)[10]以數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)為研究手段，開展了降雨—地震共同作用下坡體失穩(wěn)及誘發(fā)泥石流產(chǎn)生的機(jī)理研究，揭示了降雨—地震共同作用下泥石流形成機(jī)理。

以廣西壯族自治區(qū)岑溪市三堡鎮(zhèn)蒙沖村廣西稀土礦山二車間二采區(qū)內(nèi)的土質(zhì)邊坡為研究背景。礦區(qū)屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，年平均降水量1 450 mm，山體含水量長(zhǎng)時(shí)間處在飽和狀態(tài)，且該地區(qū)地震頻發(fā)，易引發(fā)采場(chǎng)滑坡災(zāi)害。采用數(shù)值模擬軟件Geo-studio、ANSYS和FLAC3D建立了考慮降雨入滲和地震力的三維計(jì)算模型，研究了基于降雨—地震耦合作用下土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。研究結(jié)果可為相似邊坡穩(wěn)定性研究提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

依據(jù)礦山地質(zhì)圖資料，經(jīng)過一系列處理后獲得了工程地質(zhì)剖面圖，導(dǎo)入ANSYS軟件中生成邊坡計(jì)算模型并劃分網(wǎng)格，利用自編ANSYS-to-FLAC3D轉(zhuǎn)換程序生成如圖1所示的邊坡計(jì)算模型，模型四周加底部采用約束邊界，上部坡面采用自由邊界。圖中編號(hào)1～6分別對(duì)應(yīng)粉質(zhì)黏土、黏性土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖6個(gè)不同的地層。

圖1 邊坡計(jì)算模型Fig.1 Slope calculation model

1.2 計(jì)算參數(shù)

在邊坡位置進(jìn)行工程勘察，對(duì)采取的巖、土試料依據(jù)國家、行業(yè)及地方相關(guān)規(guī)范規(guī)程進(jìn)行室內(nèi)分析試驗(yàn)，測(cè)試各巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)。巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)(2016版)與《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃分》(GB18306—2015)規(guī)定，礦區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g。

設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)10 d，降雨流量如表2所示。

表2 降雨流量Table 2 Rainfall discharge

2 結(jié)果分析

2.1 降雨入滲作用

采用數(shù)值模擬軟件Geo-studio建立邊坡剖面模型，借助Geo-weep獲取降雨入滲條件下，邊坡每日地下水位變化情況及安全系數(shù)。計(jì)算第一天的結(jié)果如圖2所示，第一天到第七天安全系數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。

圖2 第一天降雨計(jì)算結(jié)果Fig.2 The calculated results of rainfall in the first day

從圖3可以看出，降雨入滲使邊坡地下水位線迅速上升至坡面，巖土體發(fā)生軟化或泥化，強(qiáng)度急劇降低，邊坡安全系數(shù)隨水位線的上升而下降，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步下降，由基本穩(wěn)定狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 安全系數(shù)變化規(guī)律Fig.3 Change of safety factor

2.2 降雨—地震耦合作用

借助Geo-weep獲取降雨入滲條件下，得到邊坡每日地下水位變化情況，將水位線坐標(biāo)化，導(dǎo)入FLAC3D生成水面，對(duì)邊坡三維模型施加地震動(dòng)力荷載，計(jì)算三維邊坡穩(wěn)定性，記錄坡頂和坡腳的位移變化。

在降雨入滲的基礎(chǔ)上，考慮地震荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，通過FLAC3D進(jìn)行三維邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。穩(wěn)定性計(jì)算最大時(shí)長(zhǎng)為50 s，分別在坡頂和坡腳設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)坡頂位移及其變化速率、坡腳位移及其變化速率、坡頂與坡腳的速度變化規(guī)律、坡頂應(yīng)力及其變化速率、坡腳應(yīng)力及其變化速率等參數(shù)進(jìn)行研究，分別保存計(jì)算時(shí)間solve age為10、30和50 s時(shí)的計(jì)算結(jié)果，獲取邊坡入滲受震初期、中期和后期的穩(wěn)定性變化規(guī)律。降雨第一天，在前期、中期與后期三個(gè)階段的水平位移變化曲線如圖4所示。

圖4 水平位移變化曲線Fig.4 Horizontal displacement curves

由圖4可知，初期坡頂與坡腳的位移分別為1.372和3.301 m；中期坡頂和坡腳水平位移為9.588和17.84 m；末期坡頂和坡腳位移分別為20.96和37.76 m。坡腳的水平位移大于坡頂?shù)乃轿灰?，坡腳水平位移增加的速率大于坡頂。

在降雨—地震耦合作用下，坡頂水平位移和豎直方向位移隨著降雨天數(shù)的變化趨勢(shì)分別如圖5、6所示；坡腳水平位移和豎直方向位移隨著降雨天數(shù)的變化趨勢(shì)分別如圖7、8所示。

圖5 坡頂水平位移變化曲線Fig.5 Horizontal displacement curves of slope top

圖6 坡頂豎直位移變化曲線Fig.6 Vertical displacement curves of slope top

圖7 坡腳水平位移變化曲線Fig.7 Horizontal displacement curves of slope foot

圖8 坡腳豎直位移變化曲線Fig.8 Vertical displacement curves of slope foot

由圖5可知，坡頂水平位移曲線變化規(guī)律是先減小后增大。第一天的水平位移最大為20.9 m，第五天時(shí)最小為0.28 m。坡頂水平位移是一個(gè)累計(jì)的過程，從前期(10 s)到中期(30 s)再到后期(50 s)的過程，水平位移逐漸增大。

由圖6可知，坡頂豎直位移曲線變化規(guī)律是先減小后增大再減小。第二天最小為0.12 m，第五天位移最大為4.64 m。

由圖7可知，坡頂豎直位移曲線變化規(guī)律是先增大再逐漸減小。第二天最大為85 m，第五天位移最小為2.58 m。

由圖8可知，坡頂豎直位移曲線變化規(guī)律是先增大再逐漸減小。第二天最大為91 m，第四天位移最小為0.06 m。

綜上所述，結(jié)合七天降雨流量曲線，對(duì)照邊坡每天坡頂、坡腳位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)，降雨流量越大，邊坡地下水位線越高，邊坡土體越松散，越容易受到地震荷載的影響，坡頂和坡腳的位移相對(duì)較大，邊坡的安全系數(shù)越小，穩(wěn)定性越差。因此，在進(jìn)行采礦作業(yè)時(shí)，應(yīng)著重考慮邊坡的排水問題，控制地下水位高度，防止發(fā)生滑坡。

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬軟件Geo-studio、ANSYS和FLAC3D建立了考慮降雨入滲和地震力的三維計(jì)算模型，研究了基于降雨—地震耦合作用土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)降雨入滲使邊坡地下水位線迅速上升至坡面，巖土體發(fā)生軟化或泥化，強(qiáng)度急劇降低，邊坡安全系數(shù)隨水位線的上升而下降，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步下降，由基本穩(wěn)定狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)在水平和豎直方向上，坡腳產(chǎn)生的位移大于坡頂?shù)奈灰疲灰圃黾拥乃俾蚀笥谄马敗?/p>

3)坡腳產(chǎn)生的水平和豎直位移普遍比坡頂大。最大位移不是第七天，在第七天前邊坡就已破壞，可能產(chǎn)生垮塌、滑坡等災(zāi)害。

4)降雨流量越大，邊坡地下水位線越高，邊坡土體越松散，越容易受到地震荷載的影響，穩(wěn)定性越差。