降雨條件下多級(jí)殘積土坡滲流穩(wěn)定性研究

黃劍斌，許旭堂，徐 祥，鮮振興，劉道奇

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108)

滑坡是一種極易造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的自然災(zāi)害，其中降雨是滑坡發(fā)生的重要因素[1-5]。福建地區(qū)地處東南沿海，雨量充沛，雨季主要集中在3月—9月，梅雨和臺(tái)風(fēng)季節(jié)的降雨具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度大的特點(diǎn)。福建山區(qū)多級(jí)殘積土邊坡多，殘積土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，具有浸水易崩解和軟化、親水性好等工程特性，每年因殘積土坡失穩(wěn)破壞造成的損失約占整個(gè)自然災(zāi)害的三分之一，嚴(yán)重制約著全省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，開(kāi)展降雨入滲對(duì)多級(jí)殘積土坡滲流穩(wěn)定性影響的研究，對(duì)此類邊坡災(zāi)害防治與減災(zāi)研究具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)降雨條件下邊坡的滲流特征和穩(wěn)定性分析，已有不少研究。有些學(xué)者(何忠明等[6]、韓同春等[7]、蔣水華等[8])從計(jì)算方法入手，建立考慮滲流作用下邊坡穩(wěn)定分析模型，為準(zhǔn)確計(jì)算降雨型邊坡穩(wěn)定性提供參考。張碩等[9]、許旭堂等[10-11]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析降雨過(guò)程中坡體內(nèi)部基質(zhì)吸力、含水率、孔隙水壓力及濕潤(rùn)峰等動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，探討坡體裂縫發(fā)育及變形破壞模式。葉帥華等[12]以非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，通過(guò)建立三維模型，得出降雨條件下多級(jí)黃土高邊坡基質(zhì)吸力、有效應(yīng)力和安全系數(shù)的變化規(guī)律。郭濤等[13]研究降雨入滲引起的土體抗剪強(qiáng)度劣化對(duì)殘積土邊坡穩(wěn)定性的影響，指出采用抗滑樁加固可有效阻止土體下滑,但高飽和度條件下,應(yīng)注意樁前土體的滑動(dòng)引起邊坡失穩(wěn)。周偉杰等[14]通過(guò)建立有限元模型模擬邊坡在不同降雨條件下東嶺信滑坡的滲流特性及穩(wěn)定性情況，得出不同降雨條件下邊坡在雨中和雨后安全穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

雖然目前對(duì)降雨條件下邊坡的滲流特征和穩(wěn)定性研究取得很大進(jìn)展，但以分析單級(jí)邊坡為主，并多數(shù)立足于非飽和土力學(xué)的理論研究，而基于降雨充沛、氣象復(fù)雜的福建地區(qū)，開(kāi)展降雨入滲對(duì)多級(jí)殘積土坡滲流穩(wěn)定性影響的研究較少。因此，以順邵高速多級(jí)邊坡為例，結(jié)合飽和-非飽和滲流理論，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確的流-固耦合模型，研究多級(jí)殘積土坡在短時(shí)大雨和長(zhǎng)時(shí)小雨兩種工況下的滲流特征、應(yīng)變特征及安全系數(shù)演化規(guī)律，并探討不同工況下的邊坡失穩(wěn)預(yù)警方法，以期為降雨型多級(jí)殘積土坡失穩(wěn)預(yù)測(cè)和治理提供參考。

1 邊坡概況及位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

1.1 工程概況

研究區(qū)位于福建省西北部山區(qū)順邵高速公路A2標(biāo)K14+260—K14+470左側(cè)，高速公路沿線高陡邊坡較多，受亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)影響，降雨期間常伴有邊坡滑塌產(chǎn)生，局部甚至演變成大型滑坡地質(zhì)災(zāi)害。邊坡剖面圖見(jiàn)圖1，該邊坡坡高34 m，分為4級(jí)，第一、二、三級(jí)各高8 m，第四級(jí)高10 m，坡度為30°，上部土層為厚度20 m～37 m的殘積砂質(zhì)黏性土；下部土層為厚度4 m～15 m的全風(fēng)化云母石英片巖，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)由室內(nèi)土工試驗(yàn)成果確定，詳見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡剖面圖

1.2 邊坡變形監(jiān)測(cè)方案

本次邊坡變形監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年5月5日—2018年6月30日，期間共采集7期數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。測(cè)斜儀布置于第一、二、三階平臺(tái)中間位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)依次為：ZK2、ZK1、ZK3(見(jiàn)圖1)，沿著3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直深度方向每隔0.5 m讀取深部水平位移數(shù)據(jù)；同時(shí)，用全站儀測(cè)量ZK1、ZK2兩個(gè)布置點(diǎn)的地表沉降位移。

1.3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果分析

以ZK1為例對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行分析，其中ZK1豎直向下0 m、2 m、4 m、6 m位置分別為點(diǎn)ZK11、點(diǎn)ZK12、點(diǎn)ZK13、點(diǎn)ZK14(見(jiàn)圖1)。圖2為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量和降雨量的時(shí)變曲線，圖2(a)表明：位移變形曲線和累計(jì)降雨量曲線變化趨勢(shì)一致，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。前3期每期累計(jì)降雨量較小，邊坡水平位移增量變化不明顯(見(jiàn)圖2(b))；第5—第7期監(jiān)測(cè)期間，累計(jì)降雨量大幅增加，位移增量顯著增加。第4期—第5期監(jiān)測(cè)期間，降雨量增加128 mm，監(jiān)測(cè)期間ZK1監(jiān)測(cè)孔自上到下水平位移增量分別為9.19 mm、8.56 mm、5.23 mm、3.69 mm；第5期—第6期監(jiān)測(cè)期間，降雨量增加337 mm時(shí)，位移增量依次為26.48 mm、20.35 mm、14.21 mm、9.21 mm，位移增量幅度明顯，且深度越淺、位移增量越大。總體上看，隨著降雨量的增加，坡體位移增大；降雨增量越大，變形增量也越大(見(jiàn)圖2(b))。

表2 邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集周期

圖2 位移量和降雨量的時(shí)變曲線

2 耦合模型

為分析長(zhǎng)時(shí)小雨和短時(shí)大雨兩種降雨工況下順邵高速邊坡的滲透變形和破壞機(jī)制，通過(guò)GeoStudio開(kāi)展降雨-應(yīng)力耦合分析，建立非穩(wěn)態(tài)非飽和滲流耦合變形及穩(wěn)定性計(jì)算模型，揭示不同工況下邊坡滲流、應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性系數(shù)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。數(shù)值分析不考慮地震荷載，并以第七期實(shí)際累計(jì)降雨量(360 mm)作參考。依據(jù)氣象部門對(duì)降水等級(jí)的劃分，將最后一期日累計(jì)降雨量(見(jiàn)圖3)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)化雨強(qiáng)和持時(shí)，工況1為長(zhǎng)時(shí)小雨：降雨歷時(shí)240 h，降雨強(qiáng)度1.5 mm/h；工況2為短時(shí)大雨：降雨歷時(shí)36 h，降雨強(qiáng)度10 mm/h。同時(shí)，為了驗(yàn)證所建數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將第一到第六期實(shí)際累計(jì)降雨量簡(jiǎn)化為對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度(見(jiàn)圖3)，隨后把簡(jiǎn)化后的雨強(qiáng)和持時(shí)作為入滲強(qiáng)度施加于邊坡坡面，以此進(jìn)行降雨-應(yīng)力耦合分析，并結(jié)合實(shí)測(cè)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 每日降雨數(shù)據(jù)及簡(jiǎn)化雨強(qiáng)

2.1 邊界條件及數(shù)值計(jì)算參數(shù)

流-固耦合模型邊界條件包括兩部分，一是降雨入滲邊界，二是兩側(cè)的水平約束條件和底邊的雙向約束。模型兩側(cè)飽和區(qū)(邊坡地下水位線位于土層的分界面)作為水頭邊界條件，模型兩側(cè)非飽和區(qū)為零流量邊界，模型底部為不透水邊界；長(zhǎng)時(shí)小雨過(guò)程中，可能在坡表處形成暫態(tài)飽和區(qū)，即：地下水滲流可能沿著坡表溢出，因此坡表可定為滲流面。本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，采用三角形和四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，寬度為2 m，共1 110個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 050個(gè)單元(見(jiàn)圖1)。滲流分析所需的土水特征曲線SWCC和滲透系數(shù)函數(shù)HCF由室內(nèi)試驗(yàn)成果及參考類似工程[15～17]綜合確定(見(jiàn)圖4、圖5)。

圖4 各土層土水特征曲線

圖5 各土層滲透系數(shù)函數(shù)

2.2 模型準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

將ZK11、ZK12、ZK13、ZK14的累計(jì)水平位移數(shù)值計(jì)算值與實(shí)測(cè)值以及ZK1、ZK2的沉降位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，并對(duì)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性進(jìn)行分析，以此評(píng)價(jià)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。圖6為各期實(shí)測(cè)累計(jì)水平/沉降位移與模型計(jì)算值的比較，ZK11、ZK12、ZK13、ZK14的累計(jì)水平位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差依次為：8%、5%、11%、12%，ZK1、ZK2的沉降位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差分別為：8%、11%，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.997 3(見(jiàn)圖7)，以上表明：所建數(shù)值模型能較好的反映降雨條件下邊坡滲透、變形和穩(wěn)定性的變化。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 滲流分析

圖8為監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZK11、ZK12、ZK13、ZK14在天然狀態(tài)、短時(shí)大雨和長(zhǎng)時(shí)小雨工況下邊坡孔隙水壓力隨時(shí)間的變化圖。天然狀態(tài)下(見(jiàn)圖8(a))，邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間推移有小幅度變化，變化幅度與土層深度呈反比，邊坡孔隙水壓力沿著高程有規(guī)律分布(見(jiàn)圖9(a))。短時(shí)大雨工況下(見(jiàn)圖8(b))，隨著降雨的進(jìn)行，邊坡孔隙水壓力迅速增長(zhǎng)，坡表ZK11點(diǎn)僅在降雨12 h時(shí)增至最大，坡體出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)的范圍會(huì)隨著降雨的進(jìn)行而增加(見(jiàn)圖9(b))。因雨水入滲至深處需要一段時(shí)間，所以隨著深度的增加，孔隙水壓力的變化呈現(xiàn)出三階段：初始增長(zhǎng)緩慢階段、近似線性快速增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段，深部孔壓增長(zhǎng)至最大值的時(shí)間也越長(zhǎng)，整個(gè)降雨過(guò)程中，淺層的孔隙水壓力增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于坡體內(nèi)部。長(zhǎng)時(shí)小雨工況下(見(jiàn)圖8(c))，坡體孔隙水壓力變化趨勢(shì)與短時(shí)大雨工況下基本一致，孔壓增長(zhǎng)速度整體上看較為緩慢，但是影響范圍更大，深部孔隙水壓力也發(fā)生顯著變化(見(jiàn)圖9(c))。同一深度下，暫態(tài)飽和區(qū)變化幅度比短時(shí)大雨工況下更小(見(jiàn)圖9(b))。坡表ZK11點(diǎn)經(jīng)歷80 h小雨后才增至最大值，孔壓的最大值也較小。綜上分析，降雨強(qiáng)度越大，孔隙水壓力整體增長(zhǎng)速度較快，其變化速度與降雨強(qiáng)度的大小存在一定的相關(guān)性。

圖6 實(shí)測(cè)累計(jì)水平/沉降位移與模型計(jì)算的比較

圖7 位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性分析

圖9 不同降雨工況下孔隙水壓力沿坡體分布圖

長(zhǎng)時(shí)小雨下，雨水以垂直入滲為主，持續(xù)入滲的效果顯著，隨著雨水入滲至坡體深處，地下水位可持續(xù)上升(上升幅度明顯)，飽和區(qū)域逐漸向上擴(kuò)張；短時(shí)大雨下，部分雨水以坡面徑流為主，入滲效果不佳。以上不同降雨條件下的孔壓分布表明：若以孔壓為預(yù)警因子選擇，長(zhǎng)時(shí)小雨應(yīng)以深部孔壓變化為宜，而短時(shí)大雨應(yīng)以淺部孔壓變化為準(zhǔn)。

3.2 應(yīng)變分析

短時(shí)大雨工況下邊坡X方向(見(jiàn)圖10(a))應(yīng)變集中在坡腳和坡面，坡腳應(yīng)變由正值向坡體內(nèi)逐漸過(guò)渡到0，即邊坡在X方向應(yīng)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，隨著深度加深，壓縮量越小。Y(見(jiàn)圖10(b))方向應(yīng)變等值線與坡面基本平行，覆蓋坡頂、坡底和坡面，且較為密集，形成應(yīng)變集中，并與坡面基本平行。與天然狀態(tài)相比，短時(shí)大雨工況下X方向和Y方向應(yīng)變顯著增大，等值線分布更為密集，應(yīng)變集中現(xiàn)象更顯著，邊坡有淺層向下滑動(dòng)趨勢(shì)。

圖10 短時(shí)大雨工況不同方向上應(yīng)變等值線圖

長(zhǎng)時(shí)小雨工況下邊坡X方向(見(jiàn)圖11(a))應(yīng)變集中在坡腳，相比短時(shí)大雨工況，應(yīng)變集中在坡腳的范圍更大，且與短時(shí)大雨工況一樣，由正值向坡體內(nèi)逐漸過(guò)渡到0。Y方向(見(jiàn)圖11(b))應(yīng)變等值線更為密集，也覆蓋到坡頂、坡底和坡面，但不規(guī)則，與短時(shí)大雨工況相比，長(zhǎng)時(shí)小雨對(duì)邊坡造成的應(yīng)變影響深度更深，影響范圍更大，所以可能會(huì)引發(fā)深層滑坡的發(fā)生?；诓煌涤陾l件下邊坡坡體的應(yīng)變發(fā)展，在降雨誘發(fā)多級(jí)殘積土坡的失穩(wěn)過(guò)程中應(yīng)注重坡腳防護(hù)，以降低邊坡坡腳局部坍塌引發(fā)的漸進(jìn)累積破壞。

3.3 邊坡安全系數(shù)變化分析

天然工況下，邊坡經(jīng)歷240 h的安全系數(shù)為1.455(見(jiàn)圖12(a))；短時(shí)大雨下，邊坡安全系數(shù)急劇下降到1.296(見(jiàn)圖12(b))，最危險(xiǎn)滑移面位于淺層上級(jí)坡面圓弧形滑坡；長(zhǎng)時(shí)小雨下，邊坡安全系數(shù)下降到1.214(見(jiàn)圖12(c))，與短時(shí)大雨工況相比，最危險(xiǎn)滑移面深度更深，范圍更大，覆蓋整個(gè)坡面。即：同一累計(jì)降雨量下，長(zhǎng)時(shí)小雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成的影響更大，可能以深部滑坡為主。

圖11 長(zhǎng)時(shí)小雨工況不同方向上應(yīng)變等值線圖

圖12 不同工況邊坡安全系數(shù)云圖

圖13為不同工況邊坡安全系數(shù)時(shí)變曲線，天然狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)最終維持在1.450，邊坡整體穩(wěn)定；兩種降雨工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，在0～36 h的降雨時(shí)段內(nèi)，短時(shí)大雨工況下邊坡安全系數(shù)的下降幅度明顯大于長(zhǎng)時(shí)小雨工況，36 h降雨時(shí)，短時(shí)大雨和長(zhǎng)時(shí)小雨工況安全系數(shù)分別為：1.296、1.437，降幅依次為：10.8%、1.1%，這表明雨強(qiáng)越大，安全系數(shù)下降的幅度也越大。短時(shí)降雨下邊坡以淺層滲流為主，坡體表層暫態(tài)飽和區(qū)隨降雨的進(jìn)行而逐漸擴(kuò)大，后期邊坡安全系數(shù)下降速率迅速增加，呈陡降趨勢(shì)；而長(zhǎng)時(shí)小雨工況下，邊坡安全系數(shù)在整個(gè)降雨周期內(nèi)持續(xù)下降，且其下降速率先增大后減小，這與后期雨水入滲能力下降有關(guān)。

圖13 邊坡安全系數(shù)的時(shí)變曲線

4 滑坡預(yù)警研究

基于邊坡水平和沉降位移值與安全系數(shù)的關(guān)系，研究不同工況下邊坡預(yù)警的位移閾值。以ZK11為研究對(duì)象，不同降雨工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZK11位移與安全系數(shù)呈現(xiàn)出雙S型遞減規(guī)律(見(jiàn)圖14)，由擬合效果可知，雙S型遞減規(guī)律可用BiDoseResp函數(shù)來(lái)描述，具體方程如下：

(1)

上式：Fs為邊坡安全系數(shù)，u為位移，mm，a、b、d、f、p為影響參數(shù)，c、e依次為第一、二個(gè)拐點(diǎn)。各個(gè)參數(shù)的擬合結(jié)果見(jiàn)圖14，水平位移、豎向沉降與安全系數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 0、0.998 8，擬合結(jié)果良好。

短時(shí)大雨工況下，可用BiDoseResp函數(shù)描述邊坡安全系數(shù)與水平位移的關(guān)系，兩者呈現(xiàn)非線性負(fù)相關(guān)。當(dāng)累計(jì)水平位移達(dá)到123 mm前應(yīng)做好滑坡防護(hù)和安全預(yù)警工作。短時(shí)大雨條件下，邊坡以淺層水平滲流為主，邊坡淺層土體孔隙水壓力快速上升，吸力下降，即：坡體累計(jì)水平位移響應(yīng)周期長(zhǎng)，易發(fā)生邊坡淺層滑坡。因此，滑坡預(yù)警時(shí)應(yīng)以累計(jì)水平位移指標(biāo)為主，累計(jì)沉降位移指標(biāo)為輔，且邊坡經(jīng)歷短時(shí)大雨后，一定要注意發(fā)生淺層滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)時(shí)小雨工況下，邊坡安全系數(shù)與沉降位移呈現(xiàn)非線性相關(guān)，兩者同樣可用BiDoseResp函數(shù)聯(lián)系，沉降位移指標(biāo)預(yù)警值為152 mm。持續(xù)降雨使地下水位逐步上升，非飽和區(qū)逐漸減小，邊坡位移和孔壓的影響范圍逐漸向深部擴(kuò)展，雨水持續(xù)入滲到邊坡內(nèi)部，滲流以豎向滲流為主，安全穩(wěn)定系數(shù)持續(xù)下降，最終可導(dǎo)致降雨期間以非飽和區(qū)域?yàn)橹鞯幕庐a(chǎn)生。整個(gè)降雨過(guò)程中，邊坡豎向應(yīng)力和應(yīng)變持續(xù)增大，且影響范圍也持續(xù)增大，邊坡內(nèi)處于壓縮狀態(tài)，豎向位移持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此，長(zhǎng)時(shí)小雨條件下，監(jiān)測(cè)預(yù)警初期應(yīng)以累計(jì)水平位移為控制指標(biāo)，后期雨水入滲至深處，監(jiān)測(cè)應(yīng)側(cè)重累計(jì)豎直沉降、并兼顧累計(jì)水平位移的發(fā)展。

圖14 ZK11沉降位移和安全系數(shù)關(guān)系圖

5 結(jié) 論

(1) 邊坡坡體變形和累計(jì)降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，隨著降雨量的增大，邊坡坡體變形增大，安全系數(shù)逐漸減小。

(2) 短時(shí)大雨工況下邊坡以淺層水平滲流為主，淺層土體孔隙水壓力變化快，坡腳為應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域，易發(fā)生淺層滑坡，邊坡水平位移對(duì)邊坡失穩(wěn)響應(yīng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。因此，應(yīng)將累計(jì)水平位移作為邊坡在短時(shí)大雨工況下首先考慮的失穩(wěn)預(yù)警因子。

長(zhǎng)時(shí)小雨條件下，邊坡穩(wěn)定性下降緩慢，雨水持續(xù)入滲至坡體內(nèi)部，坡體深部孔壓和應(yīng)變變化顯著。因此，降雨初期監(jiān)測(cè)預(yù)警控制指標(biāo)可選擇累計(jì)水平位移，后期降雨監(jiān)測(cè)應(yīng)以累計(jì)沉降位移指標(biāo)為主、累計(jì)水平位移指標(biāo)為輔。兩種工況下，在坡腳處均產(chǎn)生應(yīng)變集中，降雨誘發(fā)多級(jí)殘積土坡失穩(wěn)破壞的過(guò)程中應(yīng)注重坡腳的防護(hù)。

(3) 短時(shí)大雨及長(zhǎng)時(shí)小雨工況下，可用非線性BiDoseResp函數(shù)來(lái)描述累計(jì)水平位移、豎向沉降與邊坡安全系數(shù)的雙S型遞減趨勢(shì)，前者累計(jì)水平位移預(yù)警值為123 mm，后者累計(jì)沉降位移預(yù)警值為152 mm。

(4) 降雨強(qiáng)度的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，可進(jìn)一步開(kāi)展不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律數(shù)值研究，構(gòu)建降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-安全系數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，分析降雨誘發(fā)滑坡的臨界降雨條件及預(yù)測(cè)滑坡發(fā)生的可能時(shí)間。