降雨入滲對(duì)人工填土斜坡穩(wěn)定性影響研究

李 華，史文兵, 2*，張華湘(.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025; 2. 貴州大學(xué) 自然資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽(yáng) 550025；.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局04地質(zhì)大隊(duì)，貴州 都勻 558000)

對(duì)人工填土斜坡的穩(wěn)定性影響的研究，前人在影響因素和機(jī)理方面已做出較深入的探討。如應(yīng)宏偉等[1]研究認(rèn)為，人工填土堆筑速度過(guò)快，軟土來(lái)不及固結(jié)以致土體強(qiáng)度低；欒茂田等[2]根據(jù)試驗(yàn)分析表明，低壓實(shí)填土滲透性較好，降雨入滲降低土體有效強(qiáng)度；趙春宏等[3]通過(guò)對(duì)填土進(jìn)行試驗(yàn)表明，土體孔隙水壓力增加且具有突然性，水位上升引起靜態(tài)液化導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低；劉新喜等[4]通過(guò)數(shù)值模擬分析認(rèn)為，強(qiáng)風(fēng)化軟巖高填方路堤壓實(shí)度低或強(qiáng)降雨導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)；馬莎等[5]研究認(rèn)為，在暴雨作用下土體黏聚力和摩擦強(qiáng)度降低導(dǎo)致高填方斜坡失穩(wěn)?？梢?jiàn)，堆填速率過(guò)快、壓實(shí)低、降雨、靜態(tài)液化等是降低人工填土斜坡的穩(wěn)定性的因素。對(duì)建于填土斜坡上的工程，降雨入滲因素是持續(xù)而可控的，而其他因素是難以改變的，因此，研究降雨入滲對(duì)人工填土斜坡穩(wěn)定性的影響能為避免此類滑坡提供依據(jù)。

關(guān)于降雨對(duì)土體斜坡穩(wěn)定性影響研究有了一定的水平和規(guī)模，如高潤(rùn)德等[6]通過(guò)研究單層粉質(zhì)黃土模擬分析認(rèn)為，土體的滲透性對(duì)非飽和土斜坡穩(wěn)定性影響大；吳俊杰等[7]通過(guò)對(duì)單層土體計(jì)算分析認(rèn)為非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)土坡穩(wěn)定性影響顯著，而單純地下水位升高影響不明顯；許建聰?shù)萚8]通過(guò)試驗(yàn)分析認(rèn)為中深層碎石土斜坡失穩(wěn)是由于降雨引起滑動(dòng)面接觸摩擦應(yīng)力減??；張國(guó)超等[9]通過(guò)對(duì)間歇性降雨的數(shù)值分析表明，第一次降雨對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響最顯著；高連通等[10]通過(guò)對(duì)單層堆積體數(shù)值模擬多場(chǎng)分析表明滲流場(chǎng)和位移場(chǎng)相似；馮凱文、溫永福等[11-12]研究表明降雨通過(guò)降低有效應(yīng)力和不同程度降低抗剪強(qiáng)度的方式降低斜坡穩(wěn)定性。多數(shù)學(xué)者更局限于均質(zhì)單層土斜坡，而物理力學(xué)差異大的人工填土和天然土組合斜坡體研究較少。

貴州定東小學(xué)斜坡為典型的填土-殘坡積土多層組合斜坡，于2013年出現(xiàn)明顯滑坡跡象，目前已有效治理。為探討降雨對(duì)人工填土斜坡的影響，本文以治理前的貴州省定東小學(xué)斜坡為例，利用有限元Geostudio軟件多個(gè)模塊耦合分析斜坡穩(wěn)定性，將是對(duì)人工填土斜坡研究的有益補(bǔ)充。

1 斜坡地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 斜坡工程地質(zhì)條件

定東小學(xué)斜坡為侵蝕-溶蝕中低山谷地斜坡，位于貴州省貴定縣定東鄉(xiāng)農(nóng)莊村的關(guān)壩河南岸，處于云貴高原東南部，屬長(zhǎng)江流域沅江水系清水江支流。區(qū)域內(nèi)主要出露地層有第四系(Q)和志留系中統(tǒng)翁項(xiàng)組(S2w)，還發(fā)育一條東西走向陡傾正斷層和寬緩的向斜，且地層近水平，其地震烈度為Ⅵ度，整體較穩(wěn)定。研究區(qū)的地下水由西北向東南徑流，排泄于低洼地帶并匯入關(guān)壩河。斜坡上建設(shè)場(chǎng)坪時(shí)，其人工堆填土覆蓋原有自然水溝和鐵路路基排水涵洞。

1.2 斜坡體特征

定東小學(xué)斜坡是殘坡積土堆填人工填土而成。據(jù)前期大量的鉆探、淺井和物探等勘察資料，得出定東小學(xué)斜坡某工程地質(zhì)剖面圖(圖1)。斜坡呈南高北低，高差為60 m；呈多級(jí)階地，坡度較緩，約為10°，基巖巖層近水平，地下水位深淺變化，見(jiàn)季節(jié)性泉點(diǎn)，流量0.014～0.08 L/s。

1-第四系填土；2-第四系殘坡積土；3-志留系翁項(xiàng)組；4-含碎石填土；5-含礫粉質(zhì)粘土；6-泥質(zhì)灰?guī)r；7-水位線；8-潛在滑面。

斜坡體物質(zhì)具有明顯分帶性(圖2，a)。從淺到深分別為：人工填土層(Qml)由褐黃色粉質(zhì)黏土及碎石構(gòu)成，角礫和碎石含量30%左右，結(jié)構(gòu)松散，高壓縮性，透水性較高；殘坡積土層(Qel+dl)為黃色粉砂質(zhì)黏土，硬塑-軟塑狀，含大量角礫和碎石，角礫粒徑為0.5～30 mm之間，約占20%，土體潮濕，淺井可見(jiàn)滲水(圖2，b)，厚3～10 m；基巖層(S2w)為淺灰色中厚層粉砂質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)巖，呈塊狀，上部為厚約5 m的強(qiáng)風(fēng)化層，頁(yè)巖遇水易軟化，呈土狀。

圖2 鉆探和淺井揭示的斜坡體物質(zhì)特征Fig.2 Material characteristics of slope revealed by drilling and shallow wells

斜坡上操場(chǎng)和宿舍樓出現(xiàn)大量裂縫等斜坡變形現(xiàn)象，裂隙寬7～30 cm，部分呈上下錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)距5～20 cm，其走向與坡面平行(圖3)。

圖3 定東小學(xué)操場(chǎng)和宿舍樓裂縫Fig.3 Cracks in the playground and dormitory building of Dingdong primaryschool

基巖比較穩(wěn)定，深部無(wú)明顯滑動(dòng)，填土與殘坡積土界線和巖土界線較清晰，為斜坡發(fā)生滑坡時(shí)的潛在滑移面。

2 數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1 模型建立與參數(shù)選取

據(jù)斜坡的工程地質(zhì)剖面和物質(zhì)特征，利用有限元軟件Geostudio建立共9 671個(gè)單元和29 516個(gè)節(jié)點(diǎn)的4層材料數(shù)值計(jì)算模型，并布設(shè)8個(gè)孔隙水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖4)。

圖4 斜坡數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Slope numerical calculation model

據(jù)勘察報(bào)告及文獻(xiàn)[13-14]得出斜坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)(表1)。在土體滲透場(chǎng)中，飽和-非飽和理論通常認(rèn)為非飽和狀態(tài)下達(dá)西定律仍然適用，但其體積含水量和滲透系數(shù)是函數(shù)。在有限元SEEP模塊中，土體的土水特征曲線可據(jù)飽和含水量和同類樣本函數(shù)[15]計(jì)算而得，再基于土水特征曲線和飽和滲透系數(shù)，采用FREDLUND和XING法[15]估算得到兩類土體的滲透系數(shù)函數(shù)(圖5)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

2.2 定解條件及計(jì)算工況

定解條件：SEEP模塊滲透場(chǎng)分析中，初始條件為斜坡實(shí)際地下水位線，土體的毛細(xì)水上升高度為3 m，即最大負(fù)孔壓水頭為3 m；填土坡面為不同等級(jí)的定流量入滲邊界，流量等級(jí)為降雨量等級(jí)；泉點(diǎn)發(fā)育處以下坡面為潛在滲出邊界。SLOPE模塊穩(wěn)定性分析中，潛在滑移面為巖土界面和填土與坡積土界面；SIGMA模塊應(yīng)變場(chǎng)分析中，斜坡左右邊界固定豎直X位移，底部邊界Y位移均固定。

本文重點(diǎn)探討降雨入滲作用對(duì)斜坡作用機(jī)制和影響程度等的分析，因此，數(shù)值計(jì)算工況為不同降雨強(qiáng)度在極端持續(xù)降雨條件下穩(wěn)定性變化情況。即填土后斜坡在不同降雨強(qiáng)度和原始斜坡在特大暴雨強(qiáng)度下持續(xù)2 d工況(表2)。

1-人工填土；2-殘坡積土。圖5 斜坡土體的土水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)Fig.5 Soil-water characteristic curve and permeability coefficient functionof slope soil mass

表2 計(jì)算工況條件Tab.2 Calculating operating conditions

3 多場(chǎng)耦合對(duì)斜坡穩(wěn)定性的分析

3.1 降雨條件下斜坡滲透場(chǎng)特征

基巖透水性差，且對(duì)斜坡影響較小，因此不考慮基巖滲透作用。利用SEEP模塊計(jì)算得出斜坡體在工況1—工況4的地下水流速云圖(圖6)，同時(shí)得出在工況4的水平距離為120 m處不同深度的孔隙水壓力與降雨時(shí)間關(guān)系圖(圖7)。由圖7可知，隨著降雨強(qiáng)度增加，斜坡體內(nèi)地下水位上升，土體含水量增加，滲透壓力增加，導(dǎo)致地下水流速增大；在滲透性突變的填土與殘坡積土界面近，地下水向下運(yùn)動(dòng)受阻聚集而向臨空面方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致最大地下水流速集中于該界面附近，其最大流速達(dá)2.38×10-5m/s；降雨歷時(shí)增加，斜坡土體孔隙水壓力整體上大幅度增加，最大增量約50 kPa，而淺層負(fù)孔隙水壓力(即基質(zhì)吸力)先降為零，再轉(zhuǎn)為正壓繼續(xù)增加，即斜坡非飽和土轉(zhuǎn)為飽和土。

(地下水流速淺色小，深色大，范圍為1.14×10-11～2.38×10-5m/s)a-小雨；b-大雨；c-暴雨；d-特大暴雨。圖6 不同降雨強(qiáng)度持續(xù)降雨2天時(shí)地下水流速云圖Fig.6 Groundwater flow velocitynephogram for two days of continuous rainfall with different rainfall intensity

1—5為淺部填土層；6—8為深部殘坡積土層。

3.2 滲透場(chǎng)耦合下的應(yīng)變場(chǎng)特征

將SEEP模塊計(jì)算出的瞬時(shí)孔隙水壓力導(dǎo)入SIGMA模塊進(jìn)行耦合計(jì)算，得到斜坡的最大剪應(yīng)變?cè)茍D(圖8)。由圖8可知，降雨強(qiáng)度的增加，斜坡最大剪應(yīng)變?cè)黾?，最大值達(dá)0.122；最大剪應(yīng)變集中于填土與殘坡積土界面附近前端坡度較大處，與地下水流速較相似性；同時(shí)最大剪應(yīng)變集中部位與實(shí)際的斜坡體上宿舍樓和操場(chǎng)出現(xiàn)大量裂縫等(圖3)變形跡象一致。

(最大剪應(yīng)變值淺色小，深色大，范圍為5.04×10-9 ～1.22×10-1)a-小雨；b-大雨；c-暴雨；d-特大暴雨。圖8 不同降雨強(qiáng)度持續(xù)降雨2 d時(shí)最大剪應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Maximum shear strainnephogram for two days of continuous rainfall with different rainfall intensity

3.3 降雨條件下斜坡穩(wěn)定性

上述可知，降雨入滲作用引起人工填土斜坡土體內(nèi)地下水流速增加且集中于填土與殘坡積土界面附近等滲透場(chǎng)變化；同時(shí)，也引起剪應(yīng)力集中導(dǎo)致最大剪應(yīng)變不斷集中于填土與殘坡積土界面前端的應(yīng)變場(chǎng)變化?？傊?，降雨滲透作用對(duì)人工填土斜坡的填土與殘坡積土界面影響最強(qiáng)烈，結(jié)合淺井、鉆芯和物探揭示的斜坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征可得，該界面為人工填土斜坡發(fā)生整體性滑坡的最大潛在滑移面。

將SEEP模塊計(jì)算出斜坡土體內(nèi)瞬時(shí)孔壓耦合進(jìn)入SLOPE模塊，擬定填土與殘坡積土界面為滑動(dòng)面，采用Morgenstern-Price法計(jì)算出斜坡工況1—工況4不同降雨持續(xù)時(shí)間的穩(wěn)定性(圖9)。由圖9可知，降雨歷時(shí)一定，斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨強(qiáng)度增加而降低；降雨強(qiáng)度一定，斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨持續(xù)時(shí)間增加而降低；降雨強(qiáng)度低于大雨時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)緩慢降低，而當(dāng)降雨強(qiáng)度高于暴雨時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)急劇下降；當(dāng)暴雨持續(xù)降雨2 d或特大暴雨持續(xù)1.25 d時(shí)，斜坡穩(wěn)定系數(shù)從1.133降至1.0以下，斜坡變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)斜坡可能會(huì)沿填土與坡積土界面發(fā)生整體性滑動(dòng)。

圖9 不同降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的斜坡穩(wěn)定系數(shù)Fig.9 Stability coefficient of slopes with different rainfall intensities and durations

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，降雨前、后期對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響具有較明顯的差異。降雨時(shí)間為0 d、1 d和2 d的穩(wěn)定系數(shù)FS0、FS1、FS2，則降雨前期對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響占比定義為{(FS1-FS0)/[(FS1-FS0)-(FS2-FS1)]}×100%。根據(jù)圖9數(shù)據(jù)，計(jì)算得出特大暴雨、暴雨、大雨和小雨的前期降雨影響占比56.6%、59.7%、79.5%和81.1%，均大于50%，且隨降雨強(qiáng)度降低而增加。以上表明，前期降雨對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響比后期降雨的影響大，且降雨強(qiáng)度越小，降雨前期影響大的效應(yīng)越強(qiáng)。

3.4 填土前后斜坡穩(wěn)定性分析

定東小學(xué)原始斜坡潛在滑動(dòng)面為巖土界面，填土后潛在滑動(dòng)面為填土和殘坡積土界面，通過(guò)模擬計(jì)算工況4和工況5穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果(表3)。由表可知，在特大暴雨強(qiáng)度持續(xù)降雨2 d時(shí)，填土后的斜坡穩(wěn)定系數(shù)為0.935，斜坡可能沿著巖土界面發(fā)生整體性滑動(dòng)；而原始斜坡，即便在特大降雨持續(xù)2 d后，其穩(wěn)定系數(shù)仍為1.399，斜坡整體較穩(wěn)定?？梢?jiàn)，填土導(dǎo)致是導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)的重要因素。

表3 填土前后斜坡穩(wěn)定系數(shù)Tab.3 Slope stability coefficient before and after filling

4 降雨對(duì)填土斜坡穩(wěn)定性影響機(jī)理

填土因素是降低人工填土斜坡穩(wěn)定重要因素。一方面，壓實(shí)低填土本身力學(xué)強(qiáng)度弱，增加原始斜坡體自重，從而降低斜坡穩(wěn)定性；另一方面，填土壓實(shí)性低，結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致土體滲透性較好，即填土具有增強(qiáng)降雨因素對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響的作用。

降雨條件下，雨水下滲，地下水位線上升，土體孔隙水增加，大部分非飽和土轉(zhuǎn)為飽和土，斜坡自重增加，導(dǎo)致斜坡下滑力不斷增大；由于地下水集中于填土與坡積土界面附近的填土層部位，地下水流速不斷增大，引起滲透壓力增大，導(dǎo)致斜坡下滑力增大；重力場(chǎng)和滲透場(chǎng)作用下，填土與坡積土界面的臨空面附近剪應(yīng)力集中，當(dāng)超過(guò)極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，斜坡沿著某潛在剪切滑移面發(fā)生剪切位移，導(dǎo)致此處剪應(yīng)變不斷增大。同時(shí)，斜坡體非飽和土，隨著孔隙水的增加，負(fù)孔隙水壓力逐漸降低至零，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力降低，削弱了斜坡的抗剪強(qiáng)度；斜坡體飽和土孔隙水壓力并不斷增加，導(dǎo)致斜坡有效強(qiáng)度減弱，從而降低斜坡體的總抗滑力。隨著下滑力不斷增加，抗滑力不斷減少，穩(wěn)定系數(shù)(抗滑力下滑力之比)逐漸降低，即斜坡穩(wěn)定性不斷降低。當(dāng)潛在滑面的總下滑力大于總抗滑力，斜坡將沿著該滑面向臨空面發(fā)生整體性滑動(dòng)而導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)。

5 結(jié)論

本文考慮降雨滲透作用對(duì)具有殘坡積土層和人工填土層的斜坡穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論：

(1)填土與坡積土界面滲透性差異引起降雨條件下填土斜坡地下水流速和最大剪應(yīng)變集中于該界面附近。

(2)降雨條件下，斜坡體滲透場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)變化較相似，地下水流速和最大剪應(yīng)變與降雨強(qiáng)度均呈反比。

(3)填土對(duì)降雨影響斜坡穩(wěn)定性起一定增強(qiáng)作用，且填土與殘坡積土界面為斜坡失穩(wěn)的最大潛在滑移面。

(4)降雨持續(xù)時(shí)間和降雨強(qiáng)度增加，斜坡穩(wěn)定性降低；前期降雨對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響比后期大，且降雨強(qiáng)度越小，此效應(yīng)越強(qiáng)。

(5)降雨入滲降低斜坡穩(wěn)定性的主要作用機(jī)理：地下水流速增加導(dǎo)致滲透壓力增加，使剪應(yīng)力集中而增加剪應(yīng)變；孔隙水壓力增加和基質(zhì)吸力降低，導(dǎo)致降低斜坡體有效強(qiáng)度和抗滑力；土體容重增加，下滑力增加。