降雨和地震耦合作用下老南瓜塘邊坡穩(wěn)定性分析

喬文號(hào)，湯 華，尹小濤，吳振君，魯志強(qiáng)

（1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041）

0 引言

隨著山區(qū)公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，工程建設(shè)中遇到的邊坡數(shù)量和規(guī)模不斷增大，其災(zāi)害影響也不斷提高，給公路工程的正常施工和運(yùn)營(yíng)帶來了巨大的安全隱患。因此，為保障公路的安全，必須通過邊坡問題預(yù)研和加固管控邊坡安全威脅［1］。

邊坡失穩(wěn)破壞是內(nèi)部和外部因素共同作用的結(jié)果，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括：邊坡的土體強(qiáng)度、邊坡的外形、地震、降雨、人類活動(dòng)等［2］。目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中于分別探討降雨和地震荷載下邊坡的穩(wěn)定性［3-6］：高俊麗［7］基于多孔介質(zhì)降雨條件下的入滲模型，提出非飽和滲流微分方程，將邊坡非穩(wěn)定滲流轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定滲流；劉子振等［8］基于極限平衡條分法研究降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明滲流力的作用效果和條間力隨降雨入滲深度增大而減??；黃潤(rùn)秋［9］等認(rèn)為地震作用下邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)主要分為以下階段：坡體震裂、松弛階段、高速潰滑階段、震動(dòng)堆積階段、二次拋射和碎屑流堆積階段；祁生文［10］等探討了地震作用下邊坡的破壞機(jī)理，認(rèn)為地震時(shí)邊坡的破壞由地震力和坡體內(nèi)孔隙水壓力急劇增大共同導(dǎo)致。上述成果在一定程度上揭示了邊坡在降雨和地震等不同工況下的穩(wěn)定性，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)于降雨和地震耦合作用下邊坡的穩(wěn)定卻鮮有研究［11-14］。本文通過開展老南瓜塘邊坡的工程地質(zhì)調(diào)研和數(shù)值仿真，分析其在降雨、地震、降雨與地震耦合作用等工況下的工程穩(wěn)定性，評(píng)估其變形破壞機(jī)制，探討安全應(yīng)對(duì)措施，并為類似邊坡問題的安全控制提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

老南瓜塘邊坡位于大永高速公路排營(yíng)段1號(hào)隧道出口和2號(hào)隧道進(jìn)口間的山間凹地，坡體多為殘坡積沖洪積和崩塌堆積的松散層為主，自然地形坡度約30°。鉆探揭露，上部15～20 m處多為塊石土、碎石土。山間洼地容易形成粘土、粉砂土軟弱夾層，坡面植被較發(fā)育，造成土中有機(jī)質(zhì)含量高，且強(qiáng)度較低，在不利條件下容易產(chǎn)生蠕變滑移，見圖1和圖2。

大永高速公路排營(yíng)段地處我國(guó)西南邊陲云南省大理市賓川縣和永勝縣交界處，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬春干旱，夏秋多雨，年均降雨量936.4 mm，但分布不均，85%的降水集中在6月—9月，干濕季節(jié)分明。老南瓜塘邊坡區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造活動(dòng)期次較多，地震活動(dòng)頻繁。邊坡處于中甸—大理地震帶內(nèi)，地震活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，故該邊坡區(qū)域劃分為對(duì)建筑抗震不利地段。根據(jù) 《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)反映普特征周期0.45 s。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)平面圖Figure 1 Site plan

圖2 老南瓜塘邊坡場(chǎng)地地貌Figure 2 Slope site landform

2 數(shù)值模型及參數(shù)反分析

通過邊坡穩(wěn)定狀態(tài)反分析得到坡體材料強(qiáng)度參數(shù)是巖土工程領(lǐng)域常用的評(píng)價(jià)手段，本文考慮到初次勘探時(shí)未發(fā)現(xiàn)洼地處不良地層，排營(yíng)1號(hào)隧道出口和2號(hào)隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)采用橋梁連接，施工3號(hào)橋梁基礎(chǔ)施工后 （雨季）進(jìn)行橋墩對(duì)接時(shí)，第一次出現(xiàn)橋基偏位，由于偏移量較大，施工方認(rèn)為是基礎(chǔ)樁放位誤差造成的偏位，便采取了棄樁二次施工措施。第二次施工樁基礎(chǔ)后，準(zhǔn)備接樁時(shí)，再次發(fā)現(xiàn)偏位，且經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)，變形仍在發(fā)展中，此時(shí)坡頂板房附近出現(xiàn)較大的脫坡陡坎，高差30～50 cm，即坡體出現(xiàn)明顯的滑移，不僅威脅3號(hào)橋樁的穩(wěn)定，進(jìn)一步發(fā)展還影響相鄰的橋樁橋臺(tái)的穩(wěn)定性?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)情況，初步認(rèn)定是勘探人員在干季勘探時(shí)忽略了坡體在降雨作用下土體強(qiáng)度降低，因此隨著雨季的到來該滑坡出現(xiàn)變形滑移，見圖3和圖4。

圖3 邊坡典型斷面圖Figure 3 Typical landslide profile

圖4 變形脫坡Figure 4 The deformation of slope

因此反分析時(shí)認(rèn)定干季時(shí)邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài) （Fs＞1.0）；雨季過后邊坡出現(xiàn)蠕變滑移，此時(shí)邊坡處于滑動(dòng)階段 （Fs＜1.0）。考慮降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要通過簡(jiǎn)化降雨入滲邊界，滲流計(jì)算為非飽和非穩(wěn)定滲流，采用GeoStudio建立圖5所示滑坡模型，總計(jì)4 184個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 073個(gè)單元。利用工程類比和數(shù)值反分析，綜合確定了表1所示的主要巖土力學(xué)參數(shù)。

圖5 老南瓜塘邊坡地質(zhì)模型Figure 5 Geological model of old pumpkin pond slope

表1 主要巖土力學(xué)參數(shù)表Tabure 1 Table of major geotechnical parameters

3 降雨工況穩(wěn)定性演化機(jī)制

降雨入滲過程主要受降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的影響，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)選取了氣象部門規(guī)定的中 雨 （50 mm／d）、大 雨 （100 mm／d）、 暴 雨（150 mm／d）3個(gè)雨量等級(jí)，降雨持續(xù)時(shí)間統(tǒng)一為5 d。采用Geostudio巖土軟件中的SEEP／W模塊對(duì)降雨入滲過程進(jìn)行模擬，并同SLOPE／W模塊進(jìn)行耦合計(jì)算，將有限單元法和極限平衡法相結(jié)合分析計(jì)算非飽和狀態(tài)下瞬態(tài)孔隙水壓力對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性。

先通過穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算出天然狀態(tài)下孔隙水壓力如圖6所示，地下水位以下孔隙水壓力為正，地下水位以上孔隙水壓力為負(fù)，孔隙水壓力隨深度呈線性分布。以大雨工況 （100 mm／d）為例圖7和圖8給出了降雨開始1.5 h和降雨結(jié)束時(shí)的孔隙水壓力分布圖，從圖中可以看出在降雨開始時(shí)，邊坡表層土體最先受到影響，土體負(fù)孔隙水壓力增大，逐漸形成暫態(tài)飽和區(qū)。隨著雨水繼續(xù)入滲，地下水位開始抬升，在降雨過程中坡腳最先開始積聚雨水，隨后慢慢向上發(fā)展，到降雨結(jié)束時(shí)水位線已經(jīng)上升到坡腳以上的坡面位置。

圖6 天然狀態(tài)孔隙水壓力圖Figure 6 Natural pore water pressure

圖7 降雨1.5 h孔隙水壓力圖Figure 7 Rainfall 1.5 h pore water pressure

圖8 降雨結(jié)束時(shí)孔隙水壓力圖Figure 8 Pore water pressure at the end of rainfall

降雨入滲過程中表層土體孔隙水壓力不斷增大，土體的基質(zhì)吸力隨孔隙水壓力的變大而減小，基質(zhì)吸力的變化將導(dǎo)致邊坡土體強(qiáng)度減少，因此降雨入滲將改變邊坡的安全系數(shù)。圖9給出了3種降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)變化圖。從圖中可以看出，在3種降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)的變化趨勢(shì)相一致：邊坡安全系數(shù)隨著降雨的持續(xù)不斷降低，當(dāng)降雨結(jié)束后安全系數(shù)還會(huì)出現(xiàn)一定程度的降低，隨后趨于平穩(wěn)。即安全系數(shù)隨降雨的變化而變化存在一定的滯后現(xiàn)象，安全系數(shù)最低值并不是降雨結(jié)束時(shí)，因此邊坡最不穩(wěn)定狀態(tài)是在降雨結(jié)束后一段時(shí)間而非降雨結(jié)束時(shí)。

圖9 不同雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)安全系數(shù)圖Figure 9 Different rain intensity corresponds to the safety factor

從表2不同降雨強(qiáng)度安全系數(shù)的變化值可以看出：相同的降雨持續(xù)時(shí)間，不同降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)降幅也不同，降雨強(qiáng)度越大，降幅越大，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最小值也越小。在中雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為1.018，大雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為0.919，暴雨工況下邊坡最小安全系數(shù)為0.829，大雨和暴雨工況下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，中雨工況下也小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，因此降雨工況下邊坡不滿足工程穩(wěn)定性要求，需要進(jìn)行加固處理。

表2 不同雨強(qiáng)安全系數(shù)變化值Table 2 Different rain intensity safety coefficient variation value

4 地震工況穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

地震作用下邊坡變形失穩(wěn)主要是地震動(dòng)力和孔隙水壓力共同作用的結(jié)果［15］，進(jìn)行地震工況模擬時(shí)，選取EL Centro地震波前10 s的水平分量進(jìn)行計(jì)算見圖10，不考慮垂向地震動(dòng)系數(shù)對(duì)邊坡的影響，分別分析地震烈度為7度、8度、9度 （峰值加速度為0.1g、0.2g、0.3g）的3種不同工況。

圖10 地震加速度時(shí)程曲線Figure 10 Seismic acceleration time history curve

圖11為峰值加速度為0.1g時(shí)邊坡安全系數(shù)，從圖中可以看出由于動(dòng)剪力隨震動(dòng)時(shí)間而不同，邊坡的安全系數(shù)也是時(shí)間的函數(shù)，在地震荷載作用下，邊坡瞬間進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)并不一定導(dǎo)致邊坡破壞。從圖12坡表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖可知在2.8 s時(shí)安全系數(shù)達(dá)到最低，但是坡表位移并沒有達(dá)到最大值，因此用最小安全系數(shù)來評(píng)價(jià)地震過程中邊坡的穩(wěn)定性偏于保守。

圖11 安全系數(shù)隨時(shí)間變化圖 （0.1g）Figure 11 Safety factor changes with time（0.1g）

圖12 坡表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移圖 （0.1g）Figure 12 Slope table monitoring point displacement map（0.1g）

評(píng)價(jià)邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性主要有安全系數(shù)和永久位移兩個(gè)指標(biāo)［16-17］，本文采用動(dòng)力有限元法和Newmark法計(jì)算分析老南瓜塘邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性。Newmark法通過對(duì)超出屈服加速度的地震加速度進(jìn)行兩次積分運(yùn)算，得到邊坡在地震作用下產(chǎn)生的不可恢復(fù)的永久位移，以永久位移的大小將邊坡劃分為：極低危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、極高危險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)［18］，見表3。

表3 地震滑坡危險(xiǎn)度與永久位移關(guān)系Table 3 Relationship between seismic landslide risk and permanent displacement

從永久位移隨時(shí)間變化圖中可以看出 （見圖13）：在3種工況下永久位移的變化趨勢(shì)基本相同，在前期地震加速度較小時(shí)永久位移變化不明顯，隨著加速度的急劇變化，永久位移也隨之劇增。在7度地震荷載作用最大永久位移1.04 cm，地震滑坡危險(xiǎn)度為高危險(xiǎn)；在9度地震荷載作用下最大永久位移15.74 cm，地震滑坡危險(xiǎn)度為極高危險(xiǎn)；最大永久位移為33.66 cm，地震滑坡危險(xiǎn)度為極高危險(xiǎn)。因此在地震荷載作用下邊坡處于極高危險(xiǎn)狀態(tài)狀態(tài)，需要進(jìn)行加固處理。

圖13 永久位移隨時(shí)間變化圖Figure 13 Permanent displacement changes with time

5 地震＋降雨工況穩(wěn)定性分析

一般情況下降雨會(huì)持續(xù)幾十分鐘甚至數(shù)十小時(shí)，而地震只發(fā)生在幾分鐘甚至幾秒內(nèi)，為了探究地震和降雨耦合作用對(duì)邊坡的影響，本文在不同降雨持續(xù)時(shí)間點(diǎn) （3、21、48、120 h）施加地震荷載以觀察邊坡的變化。圖14給出了降雨強(qiáng)度為50 mm／d時(shí)不同降雨持時(shí)施加地震荷載后通過Newmark法計(jì)算出的10 s內(nèi)永久位移隨時(shí)間變化圖，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加其對(duì)應(yīng)的永久位移也在增大，降雨3 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為1.83 cm，降雨12 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為1.95 cm，降雨48 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為2.63 cm，降雨120 h時(shí)施加地震荷載最大永久位移為22.32 cm。

圖14 不同降雨持時(shí)作用地震荷載永久位移圖Figure 14 Permanent displacement map of seismic load with different rainfall duration

對(duì)比不同降雨強(qiáng)度和不同地震烈度組合作用下邊坡的永久位移 （見表4）可以看出：①前期降雨會(huì)加劇地震對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的破壞，在7度地震烈度下，無前期降雨時(shí)邊坡永久位移僅為1.04 cm，當(dāng)降雨強(qiáng)度50 mm／d，降雨持續(xù)120 h時(shí)邊坡永久位移為22.32 cm，當(dāng)降雨強(qiáng)度100 mm／d，降雨持續(xù)120 h時(shí)邊坡永久位移為40.25 cm。②當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，相同地震力度下，前期降雨強(qiáng)度越大，邊坡的穩(wěn)定性越差。③當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，降雨強(qiáng)度改變對(duì)邊坡穩(wěn)定性幾乎沒有影響。

表4 不同工況永久位移值Table 4 Permanent displacement value under different working conditions

6 基于變形破壞機(jī)制和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的工程應(yīng)對(duì)措施

6.1 加固設(shè)計(jì)

考慮到老南瓜塘滑坡滑面相對(duì)較深，滑面以下巖體相對(duì)完整以及邊坡規(guī)模較大，坡表土體以碎石土為主，場(chǎng)地施工相對(duì)便利，設(shè)計(jì)采用抗滑樁支護(hù)。在勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌和橋樁變形結(jié)果，決定在3號(hào)橋樁的上部設(shè)置11根抗滑樁，樁間距6 m。由于橋樁位被以前變形的樁基占據(jù)，重新施工橋樁，與老橋基共同形成承臺(tái)。每個(gè)抗滑樁內(nèi)置了28根直徑為32 mm的二級(jí)鋼筋和30根直徑32 mm的三級(jí)鋼筋作為縱向受力鋼筋，另外在受拉側(cè)布置了4根20號(hào)A型工字鋼，縱向受力鋼筋非均勻布置，具體布置情況見圖15抗滑樁立面布置圖和圖16抗滑樁配筋圖。

圖15 抗滑樁平面布置圖Figure 15 The plan of anti-slide pile

圖16 抗滑樁配筋圖Figure 16 Reinforcement diagram of anti-slide pile

6.2 安全監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證

采用GeoStudio軟件中的slope模塊對(duì)邊坡加固后經(jīng)歷降雨過程進(jìn)行復(fù)核評(píng)價(jià)，見圖17。數(shù)值計(jì)算顯示，加固后自然工況下邊坡的安全系數(shù)為1.46，降雨和地震共同作用工況下邊坡的安全系數(shù)為1.31。

為了監(jiān)測(cè)橋基是否變形發(fā)展和抗滑樁的穩(wěn)定性，在橋樁的右側(cè)兩根樁上不同深度位置各設(shè)置了5個(gè)鋼筋計(jì)，測(cè)量橋樁的內(nèi)力變化。在3、5、6號(hào)抗滑樁上埋設(shè)了測(cè)斜管，監(jiān)測(cè)抗滑樁受力后的變形發(fā)展變化。

根據(jù)測(cè)斜孔的時(shí)間-位移曲線結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以看出5月—10月為雨季，此時(shí)滑動(dòng)面土體由于近似飽和，強(qiáng)度降低，抗滑力減小，因而抗滑樁的變形較大，提供的抗滑力也較大。反之11月—次年4月為干季，滑體土層強(qiáng)度較高，潛在滑體穩(wěn)定性提高，所需抗滑樁提供的抗滑力較小，因此其變形量逐漸穩(wěn)定。

圖17 不同工況滑面位置及安全系數(shù)Figure 17 Slip surface position under different working conditions

圖18 CX-05測(cè)斜孔時(shí)間-位移曲線圖Figure 18 Time-displacement curve of CX-05 measuring oblique hole

7 結(jié)論

本文著重分析了老南瓜塘邊坡的破壞機(jī)制和安全應(yīng)對(duì)措施，通過數(shù)值計(jì)算對(duì)邊坡在自然、降雨、地震等不同工況進(jìn)行模擬分析，并且同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息相互印證，得到以下結(jié)論：

a.通過降雨工況計(jì)算可知，長(zhǎng)時(shí)間降雨會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性，降雨強(qiáng)度越大影響越明顯。

b.邊坡穩(wěn)定性隨降雨持續(xù)而降低，存在一定滯后，邊坡最不穩(wěn)定狀態(tài)在降雨結(jié)束后一段時(shí)間，并非對(duì)應(yīng)降雨結(jié)束時(shí)。

c.地震荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性降低顯著，地震工況下老南瓜塘邊坡處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)。

d.前期降雨會(huì)加劇地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的破壞，降雨強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越久，影響越明顯。

e.由時(shí)間與變形關(guān)系可以看出，從抗滑樁施工的9月—10月份，為主要變形時(shí)間段，其后變形基本穩(wěn)定，這與當(dāng)?shù)氐臍夂蚧疽恢?，反映雨季滑?dòng)面飽和，抗剪強(qiáng)度低，有一定下滑力作用在抗滑樁上，這表明老南瓜塘滑坡破壞的主要是由降雨引起的。