強(qiáng)降雨作用下金場壩水庫邊坡穩(wěn)定性分析與治理評價

潘蘇鋒，黃海燕，徐 康，張慧穎

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引言

降雨是很多滑坡甚至大型滑坡的直接誘發(fā)因素，尤其是強(qiáng)降雨引發(fā)的滑坡，頻度最高[1]。中國南方雨水充足降雨時間長，這種條件為滑坡的形成提供了潛在條件。2008年北川縣持續(xù)不斷地強(qiáng)降雨造成多處山體產(chǎn)生滑坡，導(dǎo)致老縣城一半以上被土體掩埋，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。2013—2014年，凱羊高速公路在施工過程中，因降雨等因素先后誘發(fā)多次滑坡變形，引起二級大型滑坡。如何對降雨豐富的地區(qū)進(jìn)行滑坡防治，對于研究人員來說既是難點也是熱點，朱蕾等［2］以白家包滑坡為例采用數(shù)值模擬方法，得出降雨與庫水位升降組合作用，水位下降速率越大，滑坡變形程度越大。孫云龍等[3]基于赤水河谷旅游公路K93+203～K93+496段在施工過程中發(fā)生的降雨誘發(fā)型滑坡，解釋了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與強(qiáng)降雨時間有一定相關(guān)性，邊坡失穩(wěn)發(fā)生在不透水邊界上。李光明等[4]利用Flac3D軟件研究滑坡加載前后邊坡應(yīng)力位移變化影響，并給出“應(yīng)急工程先行，防止惡化；永久治理，不留后患”的加固處理方式，結(jié)果良好。王建洪等[5]以及麗江、香格里拉氣象站的典型降雨歷史數(shù)據(jù)分析，研究了滑坡與降雨之間的關(guān)系，提出了多值型和單值型兩種降雨模式。張社榮等[6]基于ABAQUS軟件實現(xiàn)滲流與應(yīng)力耦合作用下的破壞接近度（FAI）評價方法，多角度綜合探究強(qiáng)降雨特性對邊坡失穩(wěn)機(jī)制及穩(wěn)定性的影響。汪磊等[7]采用GeoStudio數(shù)值模擬軟件對不同的降雨條件和坡體初始水位進(jìn)行模擬得出強(qiáng)降雨和瞬態(tài)承壓水的產(chǎn)生和發(fā)展對堆積層滑坡的產(chǎn)生有重要的影響作用，降低了坡體的穩(wěn)定性。目前，對強(qiáng)降雨作用下混合抗滑措施是否有效可行、是否可以進(jìn)一步優(yōu)化問題還不能有效判斷。因此本文結(jié)合現(xiàn)有研究成果，以某水庫邊坡為研究對象，利用FLAC3D有限元數(shù)值模擬計算軟件對強(qiáng)降雨作用下滑坡穩(wěn)定性以及設(shè)置抗滑裝置后的加固效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為水庫后續(xù)的安全運行和其他類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

某水庫，控制流域徑流面積6.6 km2，總庫容為365.62萬立方米。壩址分山嶺最高2122.30～2054.88 m，河床高程1688～1723 m，河床及階地寬 約4.20～4.50 m。左 岸 地 形 坡 度 為30°～45°，1729.43 m高程以上地形坡度15°～25°。滑坡區(qū)域巖層傾向北西，傾角20°～40°，為單斜巖層。地層連續(xù)性好，巖層產(chǎn)狀基本穩(wěn)定。左岸巖層產(chǎn)狀245∠35~40°，坡向206°，巖層傾向與邊坡傾向斜交，交角39°，屬斜向順向坡，巖層傾向左岸偏下游。

滑坡區(qū)域出露地層的巖性為第四系殘坡積（Qel+dl），為褐黃色粉質(zhì)粘土、粘土夾碎石，為分布于沖溝及河床兩岸寬緩山坡；主要分布于兩岸地勢較陡處。第四系沖洪積（Qal+pl）卵礫石土，為灰褐色砂、卵、礫石夾漂石，砂粒充填，中密，厚度1.20～1.80 m，分布于兩岸支流沖溝及主河床。前奧陶系瀾滄群九道河組（Anoj3）大理巖、灰?guī)r，為該區(qū)的隱伏巖體，在切割較深的河床底部，零星小面積出露。

1.2 水文地質(zhì)

研究區(qū)域地下水類型為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。第四系孔隙含水層分布于兩岸山坡中上部，厚度較薄，中等透水?；鶐r裂隙水層分布于主河床及兩岸一級階地、各支流沖溝，厚度1.2～1.8 m，強(qiáng)—中等透水，富水性中等—強(qiáng)。地下水受大氣降水補(bǔ)給，經(jīng)第四系孔隙含水層，基巖裂隙含水層，向河床及兩岸沖溝，支流排泄?；鶐r巖體比較完整，巖體透水性弱，降雨形成的地下水主要以徑流的形式在基巖表面流動。

研究區(qū)域處于中亞熱帶低緯山地季風(fēng)氣候區(qū)，具有冬春干燥、夏秋濕潤、冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑、干濕季分明的氣候特點，多年平均降水量1603 mm，最大降雨量為1834.2 mm，最小年降雨量為1459.3 mm。每年5月初進(jìn)入雨季，到10月中旬，其中5～10月的降雨量占了全年雨量的87%。年平均降雨天數(shù)不少于220.4 d，日降雨量大于6 mm的天數(shù)為57.2 d，暴 雨天為10 d，大暴雨天為2 d，最大日降雨量119.8 mm。根據(jù)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計的降雨資料，將降雨強(qiáng)度分為小雨、中雨、暴雨三個階段，降雨強(qiáng)度分別為12 mm/d、23 mm/d、107 mm/d，由于本文研究強(qiáng)降雨條件下水庫邊坡穩(wěn)定性，因此降雨強(qiáng)度取值107 m/d進(jìn)行分析。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 模型建立

模型依據(jù)水庫左岸邊坡工程的地質(zhì)圖，通過軟件建成三維模型，通過對該邊坡表層土體相關(guān)參數(shù)與降雨入滲深度的研究，對土層含水率變化產(chǎn)生影響的最大入滲深度是2 m，所以將邊坡表層土體分為三層，表層土體0～1 m為第一層，該層土體為降雨接觸砂土層，表層土體1～2 m為第二層，該層土體1～1.8 m為入滲砂土層，1.8～2 m為入滲粘土層；其他邊坡土體分層按照天然工況邊坡土體進(jìn)行分層，同時對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分單元37 491個，網(wǎng)格節(jié)點8063個，具體計算模型見圖1。

圖1 邊坡數(shù)值計算三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of slope numerical calculation

2.2 參數(shù)條件取值

隨著降雨量及降雨強(qiáng)度不斷增加，雨水沿坡面滲入坡體內(nèi)導(dǎo)致巖土體顆粒飽和度增大，一方面土體含水率變大使得坡體自重增加，導(dǎo)致坡體發(fā)生產(chǎn)生向下滑移；另一方面邊坡土體滑面因雨水浸泡土體顆粒的內(nèi)摩擦力以及粘聚力等導(dǎo)致物理參數(shù)不斷降低，從而使得邊坡土體的抗剪強(qiáng)度不斷減小，所以通過以上分析本次數(shù)值模擬將降雨工況下的數(shù)值模型簡化，采用折減表層土體粘聚力（c）以及內(nèi)摩擦角（φ）的方式來建立降雨強(qiáng)度不斷增大的邊坡模型。通過實驗得到折減后邊坡表層土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 強(qiáng)降雨強(qiáng)度和持時條件下土層參數(shù)Table 1 Soil parameters under the intensity and duration of heavy rainfall

2.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)邊坡的實際情況對其邊界條件進(jìn)行合理的簡化，以達(dá)到合理且便捷的目的。根據(jù)本次分析降雨工況下的穩(wěn)定性分析，將水庫模型施加不透水邊界條件，通過在模型的四周施加法向位移約束，在模型底部施加豎向位移約束。

2.4 結(jié)果分析

圖2、圖3是邊坡在強(qiáng)暴雨條件下最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布圖，根據(jù)模擬圖2、圖3可知，邊坡在強(qiáng)降雨條件下坡體內(nèi)部應(yīng)力均處于負(fù)值，由此可以反應(yīng)內(nèi)部不存在拉應(yīng)力，第一主應(yīng)力最大為負(fù)3.8 MPa，第三主應(yīng)力最大為負(fù)2.1 MPa，最大應(yīng)力主要集中在底部和中部小范圍區(qū)域。應(yīng)力的整體變化相對而言比較均勻，小部分出現(xiàn)應(yīng)力的突變很大可能是這部分的土體處在土層交界處在雨水的浸泡下變得松散，在沒有支護(hù)措施下容易產(chǎn)生位移。

圖2 邊坡最大主應(yīng)力分布圖Fig.2 Distribution map of maximum principal stress of slope

圖3 邊坡最小主應(yīng)力分布圖Fig.3 Distribution map of the the minimum principal stress of slope

圖4是邊坡在強(qiáng)降雨條件下Z方向位移分布圖，最大位移為0.28 m，此時的安全系數(shù)為1.08。最大位移主要分布邊坡的中部，并且位移隨邊坡深度的變化而變小，由坡體內(nèi)部向坡面的位移出現(xiàn)了很大幅度的增加，位移變化總趨勢是由內(nèi)向外逐漸增大。這說明在降雨過程中，邊坡內(nèi)部出現(xiàn)破壞的機(jī)率低于表層，表面土體出現(xiàn)破壞滑移狀態(tài)情況會逐漸引起內(nèi)部變化從而導(dǎo)致整體穩(wěn)定性下降。圖5是強(qiáng)降雨條件下邊坡塑性區(qū)分布圖，表明水庫左岸邊坡表層土體塑性區(qū)域不斷增多，塑性面積存在集中現(xiàn)象，貫穿滑坡體內(nèi)部，主要集中在邊坡中部偏下區(qū)域，且出現(xiàn)零星拉張的區(qū)域。

圖4 Z向位移云圖Fig.4 Z-direction displacement cloud map

圖5 強(qiáng)降雨條件下塑性區(qū)分布圖Fig.5 Distribution map of plastic zones under heavy rainfall

通過數(shù)值分析可以看出，在降雨滲流作用下，邊坡體內(nèi)的滲流強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致邊坡土體孔隙水壓力增大以至于有效應(yīng)力不斷減小，使得邊坡巖土體可塑性不斷增強(qiáng)。同時由于強(qiáng)降雨作用，大量無法滲透進(jìn)邊坡土體的雨水在坡體表層會形成地表徑流，由于徑流在邊坡表面對護(hù)坡物質(zhì)的沖刷作用，導(dǎo)致邊坡表面發(fā)生破壞，從而促進(jìn)了雨水的滲透強(qiáng)度，加速邊坡的變形破壞。

綜上所述，工程區(qū)的滑坡體處于失穩(wěn)狀態(tài)。在旱雨季分明的氣候條件下，滑體巖土在旱季失水，表層孔隙、裂隙張開；在雨季因強(qiáng)降雨造成雨水沿孔隙、裂隙下滲，使滑體巖土飽水或含水量增大，致使滑體重量加大，下滑力增大，從而激發(fā)滑坡的形成。所以對該滑坡進(jìn)行加固處理就顯得很重要。

3 加固措施

邊坡加固實質(zhì)上是改變邊坡的力學(xué)平衡條件，通過增大邊坡的抗滑力和減少邊坡的下滑力，來提高邊坡的穩(wěn)定性[8]。對于邊坡加固的處理方式大致上分為直接加固法和間接加固法。直接加固法主要有擋墻、抗滑樁、錨索等，間接加固法主要有放緩邊坡、注漿加固、防排水工程等[9-10]。在順層巖質(zhì)邊坡加固設(shè)計中，常常采取兩種或多種加固方法混合使用，以確保邊坡在建設(shè)期和運營期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

通過對強(qiáng)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)該處邊坡容易在表層土體發(fā)生滑移，土層交界處容易發(fā)生移動，特對該左岸邊坡制定以下加固處理措施，對于淺層地表使用土釘加固，長度3 m，共布設(shè)土釘22根；深層土體使用錨桿加固，共布設(shè)錨桿13根，長度為30 m；同時表層土體使用不透水混凝土噴護(hù)加固。具體加固模型如圖6。

圖6 邊坡加固模型圖Fig.6 Slope reinforcement model

根據(jù)規(guī)范要求，在邊坡土體表層噴混凝土其強(qiáng)度一般工程不得低于c15，重要工程不低于c20，在此選取噴射混凝土c20噴射于邊坡表面進(jìn)行防護(hù)[11-12]。土層參數(shù)見表1，同時結(jié)合相應(yīng)的參考文獻(xiàn)，錨桿、土釘及混凝土單元參數(shù)取值見表2。

表2 錨桿等參數(shù)取值Table 2 Values of anchor rod and other parameters

4 加固后穩(wěn)定性分析

圖7是加固處理后最大主應(yīng)力圖，加固后邊坡的內(nèi)部應(yīng)力分布明顯變得復(fù)雜，主要因為加固措施改變了原有的應(yīng)力場分布。圖8是加固后邊坡最小主應(yīng)力圖，可以看出加固措施對最小主應(yīng)力的影響不是很明顯。同加固前相比，邊坡內(nèi)部均沒有拉應(yīng)力出現(xiàn)，基本上都是壓應(yīng)力為主。

圖7 加固后最大主應(yīng)力圖Fig.7 The maximum principal stress diagram after reinforcement

圖8 加固后最小主應(yīng)力圖Fig.8 The minimum principal stress diagram after reinforcement

圖9可以明顯看出加固后位移的分布變得均勻，并且明顯有所減小。最大位移量降低為0.07 m這種變化主要是因為抗滑裝置在內(nèi)部相對于土體產(chǎn)生滑移，抗滑裝置為了抵抗滑移產(chǎn)生了抵抗力，從而進(jìn)一步影響土體內(nèi)部應(yīng)力的分布，土體內(nèi)部的應(yīng)力重分布使得土體位移受到限制，土體處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時的安全系數(shù)變?yōu)?.11，說明治理措施起到了加固的作用。由圖10可以知道加固后塑性區(qū)域變得比較均勻，有效的減少塑性區(qū)域貫穿坡體內(nèi)部，塑性區(qū)主要集中在邊坡表層中部及中部偏下區(qū)域，邊坡表層塑性零星擴(kuò)張區(qū)域大量減少，抗滑裝置大大減少了坡體塑性區(qū)域的分布面積以及應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明加固效果明顯。

圖9 加固后Z向位移圖Fig.9 Z-direction displacement after reinforcement

10加固后塑性區(qū)分布圖Fig.10 Distribution of plastic zone after reinforcement

5 加固效果分析

在強(qiáng)降雨作用下，設(shè)置多種混合加固方式前后滑坡的最大豎向位移、塑性分布以及安全系數(shù)對比見表3。由表3可以看出，強(qiáng)降雨作用下，該滑坡體采用多種混合加固方式有效約束滑坡的滑動，減少豎向位移，塑性區(qū)域減少變形得到相應(yīng)控制，滑坡加固后整體上是處于穩(wěn)定的狀態(tài)，加固效果比較明顯。

表3 加固前后對比分析表Table 3 Comparative analysis table before and after reinforcement

綜上所述，該邊坡在失穩(wěn)狀態(tài)下通過多種加固方式混合使用，改變了坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布，減少坡體應(yīng)力集中，塑性區(qū)域分布面積大大減少。同時錨桿及土釘約束住了邊坡的豎向位移，與治理前相比位移減少了0.2 m，加固方案合理可行，效果明顯，滿足工程實際要求。

6 結(jié)論

以某水庫左岸邊坡為研究對象，數(shù)值模擬計算為主要研究手段，在考慮抗滑裝置與滑坡土體之間的相互作用的基礎(chǔ)之上，對強(qiáng)降雨作用下滑坡體穩(wěn)定性以及設(shè)置抗滑裝置的加固效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明：強(qiáng)降雨作用下，滑坡體內(nèi)部主要以壓應(yīng)力為主，不存在拉應(yīng)力；滑坡產(chǎn)生的最大豎向位移為0.27 m，位于滑坡體的中下部；塑性區(qū)域面積存在集中現(xiàn)象貫穿滑坡體內(nèi)部，安全系數(shù)為1.08，顯示滑坡可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)置抗滑裝置加固處理后，滑坡產(chǎn)生的最大豎向位移相比設(shè)抗滑裝置前滑坡滑動位移量明顯減小，最大豎向位移為0.07 m，滑坡變形有效控制；塑性區(qū)域相比設(shè)置裝置前，面積明顯減少，應(yīng)力集中明顯減弱。此時安全系數(shù)提高為1.11，表明加固處理后，在強(qiáng)降雨作用下滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，治理效果明顯。綜上可見，在強(qiáng)降雨作用下，多種加固處理方式的結(jié)合使用對滑坡變形控制起到一定的防治作用，并且效果較明顯。