軟弱夾層及降雨入滲影響邊坡穩(wěn)定性研究

沙 鵬 劉冬艷 黃永亮

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2. 浙江有色地質環(huán)境研究院，浙江 紹興312000)

0 引言

近年來，浙江省玄武巖臺地型區(qū)滑坡災害頻繁發(fā)生[1-3]，據(jù)統(tǒng)計，浙江省玄武巖分布較廣的嵊州、新昌、寧海三縣市，其中玄武巖臺地區(qū)滑坡占災害數(shù)的39%.目前滑坡處于蠕滑狀態(tài)，由于軟弱夾層及連續(xù)降雨因素影響，可能引起滑坡局部加速滑動.研究軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性最有效的方法是室內模型試驗與數(shù)值模擬方法.由于模型試驗方法在成果代表性、推廣性以及成本上具有一定的局限性，越來越多的學者采用不同數(shù)值方法研究軟弱夾層滑坡變化特征，揭示滑坡產生機理.魏龍生[4]對軟弱夾層傾角、內摩擦角、厚度等影響因素與數(shù)值計算結果之間進行相關性分析，得出傾角越大，內摩擦角越小，厚度越大，邊坡易破壞.夏開宗[5]、殷博[6]等分析了層面強度、厚度、傾角、水力作用等因素對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感程度，前者結果表明：順層軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感程度是層面傾角>內摩擦角>厚度>水力作用>粘聚力；后者表明：含軟弱夾層緩傾順層巖質邊坡的穩(wěn)定性影響因素的影響程度由大到小，軟弱夾層內摩擦角>傾角>粘聚力>厚度.數(shù)值模擬軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性的方法越來越多，李永亮等[7]運用ABAQUS軟件，采用有限元強度折減法分析了坡高、坡腳、夾層埋深、夾層傾角和夾層厚度對邊坡穩(wěn)定性的影響.張社榮等[8]基于極限平衡法和有限元強度折減法探討層狀巖質邊坡在不同巖層傾角、邊坡坡腳、結構面間距條件下的安全系數(shù)與破壞面位置的變化規(guī)律.魏云杰等[9]采用GEO-SLOPE 軟件的Mohgenstem-Prince法計算了降雨條件下含軟弱夾層(凝灰?guī)r)玄武巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù).Xue等[10]針對含兩層軟弱夾層(斷層泥)的玄武巖邊坡，綜合采用現(xiàn)場調查、GEO-SLOPE軟件研究了邊坡穩(wěn)定和變形.結果表明，軟弱夾層是滑坡的根本因素，開挖是邊坡失穩(wěn)的重要觸發(fā)因素.Xu[11]、Fu[12]等利用DDA模擬了滑坡的孕育、發(fā)生、發(fā)展至再穩(wěn)定的變形破壞和運動全過程.數(shù)值模擬是研究含多層軟弱夾層巖質邊坡失穩(wěn)破壞的重要手段之一.

綜上看出，學者們通過多種數(shù)值模擬方法研究軟弱夾層賦存特性對軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性影響，得到一些有益的結論.但現(xiàn)有文獻中，較少考慮降雨入滲條件下軟弱夾層賦存特性對邊坡穩(wěn)定性的影響.同時考慮降雨入滲及軟弱夾層特征因素，通過數(shù)值模擬獲取內部不同的滲流場、位移場，揭示降雨條件下軟弱夾層邊坡破壞特征還需要深入挖掘.本文通過有限差分法(Fast Lagrangian Analysis of Continua，F(xiàn)LAC3D)開展兩因素影響下邊坡變形數(shù)值試驗研究工作，通過改變軟弱夾層的力學參數(shù)，實現(xiàn)軟弱夾層賦存特征的變化，獲得降雨條件下軟弱夾層厚度、粘聚力、內摩擦角、傾角對軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性的影響；同時探討降雨過程中含軟弱夾層邊坡的內部特征聯(lián)系.

1 軟弱夾層邊坡數(shù)值模擬

1.1 模型構造及相關參數(shù)

本文建立幾何模型，如圖1所示.參照俞伯汀研究成果[3]和《浙江省新昌縣回山鎮(zhèn)下山村滑坡勘查報告》[13]勘查結果，對相似模型進行材料屬性的相似折減，土工試驗結果得出邊坡硬質玄武巖以及軟弱夾層物理參數(shù)見表1.

表1 巖層物理力學參數(shù)

圖1 幾何模型構建

1.2 降雨入滲概念模型

降雨入滲概念模型如圖2，降雨初期，具有較強吸力的基質迅速吸水，表層含水率迅速增大，孔隙水壓力增加，并在重力作用下，水分向深部逐減入滲，當降雨量達到某一程度后，入滲速率減緩，若降雨量大于入滲量時形成地表徑流.不同巖土類型、邊坡類型以及降雨因素條件下，邊坡的降雨入滲過程存在差異.

圖2 降雨入滲概念模型[14]

降雨從表面滲入邊坡內部，并在邊坡內部產生暫態(tài)孔隙水壓力，降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響是通過降雨引起的暫態(tài)孔隙水壓力的改變來體現(xiàn)[15].因此，在FLAC3D中可采用滲流模塊進行降雨過程模擬.通過滲流模塊中的“APPLY discharge+滲流通量”命令，分析降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響.其中，降雨強度通過公式(1)在FLAC3D中進行轉換，即:

(1)

式中：Q為邊坡入滲邊界流量，單位為m/s；i為降雨強度，單位為mm/h；α為邊坡坡度.

1.3 數(shù)值模型建立

數(shù)值計算模型的幾何尺寸為：坡高0.6 m，坡寬0.5 m，基層厚度0.2 m，寬1.5 m，坡度30 °，模型的右側和底部為不透水邊界，左側為透水邊界，坡面設為降雨入滲邊界，邊坡內設置7個分析點，其P1～P3為孔隙水壓分析點，距離坡面距離10 cm，P1位于軟弱夾層下部，P2位于軟弱夾層內部，P3位于軟弱夾層上部.S4～S7為水平位移分析點，分析點等間距設置，S4位于夾層下部，S5位于夾層內部，S6、S7位于夾層上部，如圖3所示.

圖3 降雨入滲數(shù)值模型

1.4 數(shù)值模擬設計方案

本實驗主要研究降雨誘發(fā)邊坡破壞及滑坡的發(fā)展進程，以及探討不同降雨條件對邊坡滲流的影響.根據(jù)1990～2013年期間，浙江省不同區(qū)域1 569個淺層滑坡實地調查和其對應的降雨強度的記錄，確定降雨強度閾值在不同區(qū)域導致滑坡的頻率，如圖4所示，降雨強度在40 mm/h～60 mm/h出現(xiàn)頻率最高，因此本次試驗采用降雨強度為55 mm/h.

圖4 浙江省降雨強度分布統(tǒng)計圖(根據(jù)文獻[16])

此模擬試驗根據(jù)軟弱夾層物理參數(shù)共設計十組工況，如表2所示.工況一、二、三對比相同降雨條件下軟弱夾層厚度對邊坡內部特征變化影響；工況一、四、五對比相同降雨條件下軟弱夾層粘聚力對邊坡內部特征變化影響；工況一、六、七對比相同降雨條件下軟弱夾層內摩擦角對邊坡內部特征變化影響；工況一、八、九、十對比相同降雨條件下軟弱夾層傾角對邊坡內部特征變化影響.

表2 數(shù)值模擬工況

2 不同軟弱夾層對降雨邊坡的影響

2.1 軟弱夾層厚度對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖5(a)-5(c)給出不同厚度軟弱夾層邊坡的孔隙水壓力隨降雨時間變化曲線.從圖中可以看出，不同厚度條件下同一分析點變化趨勢相同，隨降雨歷時的增加，軟弱夾層下部P1的孔壓值持續(xù)增加至最大值，隨后趨于穩(wěn)定.軟弱夾層內部P2、上部P3孔壓值增大至極值后有所下降，由于軟弱夾層的高滲透性，雨水較快入滲至邊坡內部，孔壓增大，持續(xù)降雨使其抗剪、抗滑能力下降，軟弱夾層與坡面交界處產生變形，雨水沿變形處滲出，形成孔壓消散現(xiàn)象，導致孔壓有所下降.夾層下部巖體由于滲透系數(shù)小的原因，孔壓持續(xù)增大后趨于穩(wěn)定.當軟弱夾層厚度從0.05 m增大至0.15 m，P1孔壓值為25.42 kPa、29.02 kPa、25.33 kPa，P3孔壓分別為11.36 kPa、10.36 kPa、13.19 kPa，軟弱夾層上部比軟弱夾層下部降幅至少為47.93%，因此，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內部>軟弱夾層上部，分析其原因：隨降雨歷時增加，雨水從軟弱夾層處較快入滲至夾層內部，形成飽水區(qū)，降雨不斷進行，坡頂入滲的雨水并未流至軟弱夾層上方P3，所以在軟弱夾層上面玄武巖層仍然處于非飽水區(qū)，導致軟弱夾層內部的雨水沿夾層上表面向坡頂方向滲流，軟弱夾層上部孔壓相對較??；由于重力作用，夾層內部雨水向下部蔓延至軟弱夾層下方分析點，及雨水在坡腳處聚集，軟弱夾層下部孔隙水壓力較大.

圖5 不同厚度下孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

由圖6可知，隨軟弱夾層厚度的增加，水平位移有增大的趨勢，說明軟弱夾層厚度對分析點水平位移的影響具有一致性.在降雨入滲條件下，在軟弱夾層上方，越靠近軟弱夾層，其水平位移越大，因此隨著分析點向上，水平位移逐漸減?。寒斳浫鯅A層厚度從0.05 m增加至0.15 m，軟弱夾層內部S5的水平位移從8.7 cm增加至15.33 cm，增幅超過75%，軟弱夾層上部S7的水平位移比S5至少減小了70.65%；而位于軟弱夾層下方S4的位移最小，其值為0.17 cm～3.57 cm，說明坡腳受軟弱夾層的影響較小.

圖6 水平位移隨夾層厚度變化曲線

2.2 軟弱夾層粘聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響

從圖中7(a)-7(c)可以看出，同一分析點在不同粘聚力條件下變化趨勢相同.當軟弱夾層粘聚力從8.7 kPa增大至14.7 kPa，軟弱夾層上部P3的最大孔隙水壓力從10.36 kPa增加至16.25 kPa，平均增幅為56.85%，軟弱夾層下部P1從29.02 kPa增加至31.59 kPa，平均增幅為8.86%，說明改變軟弱夾層粘聚力對軟弱夾層上部孔隙水壓力影響顯著.由于軟弱夾層的滲透性大，雨水入滲率大，持續(xù)降雨使其抗剪、抗滑能力下降，弱層與坡面交界處產生變形，形成孔壓消散現(xiàn)象，導致夾層內部及下部孔壓有所下降.在降雨條件下，不同分析點處孔隙水壓力變化不同，隨降雨時間的增大，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內部>軟弱夾層上部.

由圖8可知，隨軟弱夾層粘聚力的增加，位于軟弱夾層上方分析點水平位移有減小的趨勢，降幅均為78.42%，而位于下側分析點有增大的趨勢.當軟弱夾層粘聚力為8.7 kPa時，軟弱夾層內部S5的最大水平位移為15.09 cm，軟弱夾層上部S7的最大水平位移為3.62 cm，比S5相差約11.47 cm，說明越靠近軟弱夾層，水平位移越大.

圖7 不同粘聚力的孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

圖8 水平位移隨粘聚力變化曲線

2.3 軟弱夾層內摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響

孔隙水壓力在不同軟弱夾層內摩擦角條件下變化曲線如圖9(a)-9(c).從圖中可以看出，同一分析點孔壓在不同內摩擦角條件下變化一致，說明降雨過程內摩擦角的改變對孔隙水壓力無影響.軟弱夾層上部、下部、內部孔隙水壓力變化趨勢與改變弱層厚度、粘聚力的變化基本一致.

圖9 不同內摩擦角的孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

由圖10可知，隨軟弱夾層內摩擦角的增加，位于軟弱夾層上方分析點水平位移有增加的趨勢，而位于下側的S4的位移有減小的趨勢，四組曲線幾乎平行，曲線斜率接近5×10-5， 說明軟弱

圖10 水平位移隨內摩擦角變化曲線

夾層內摩擦角不顯著影響邊坡變形.在降雨入滲條件下，在軟弱夾層上方分析點中，隨著分析點向上，水平位移逐漸減小.當軟弱夾層內摩擦角為20 °，軟弱夾層內部S5的水平位移最大，為15.09 cm，而上部S7的水平位移3.62 cm，比S5減小了76.01%.位于軟弱夾層下方S4的位移最小，受軟弱夾層的影響較小.

2.4 軟弱夾層傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

從圖中11(a)-11(c)可以看出，同一分析點在不同傾角條件下變化趨勢相同.當軟弱夾層傾角從5 °增大至15 °，軟弱夾層下部P1的最大孔隙水壓力分別為29.49 kPa、29.02 kPa、27.76 kPa、24.9 kPa，軟弱夾層上部P3的最大孔隙水壓力為10.02 kPa、10.36 kPa、10.10 kPa、12.17 kPa，比軟弱夾層下部至少減小51.12%，主要因為坡頂入滲的雨水并未流至軟弱夾層上方P3處，軟弱夾層內部的雨水沿夾層上表面向坡頂方向滲流，軟弱夾層上部孔壓相對較小.由于重力作用，夾層內部雨水向下部蔓延至軟弱夾層下方及雨水在坡腳處聚集原因，軟弱夾層下部孔隙水壓力較大.同時降雨持續(xù)進行，邊坡失穩(wěn)破壞，雨水滲出，夾層內部及上部孔壓有下降趨勢.縱向分析，在降雨前期，傾角越大，孔隙水壓力響應時間較短；隨降雨的進行，傾角越小，孔隙水壓力值越大，說明軟弱夾層傾角越小，雨水越容易入滲.橫向分析，降雨條件下，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內部>軟弱夾層上部.

圖11 不同傾角下孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

由圖12可知，隨軟弱夾層傾角的增加，位于軟弱夾層上方水平位移有增大的趨勢，位于下側的水平剪切位移與軟弱夾層傾角并不是簡單的呈正相關，而是存在某個臨界值θ，使邊坡剪切位移在軟弱夾層傾角θ小于或大于臨界值10 °是單增或單減，傾角在5 °～10 °時，邊坡水平位移隨傾角增大而減小，傾角在10 °～15 °時隨軟弱夾層傾角的增大而不斷增大.在降雨入滲條件下，在軟弱夾層上方分析點中，越靠近軟弱夾層，其水平位移越大，當軟弱夾層傾角增加至15 °時，軟弱夾層處的水平位移最大，為18.81 cm，而軟弱夾層上方S7的水平位移為9.35 cm，比S5減小了50.29%.

圖12 水平位移隨軟弱夾層傾角變化曲線

3 降雨對軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性影響

3.1 降雨入滲引起的孔隙水壓力分布規(guī)律

圖13(a)為工況一邊坡在降雨過程中孔隙水壓力分布變化圖.連續(xù)降雨1.5 h后，邊坡坡面孔隙水壓力發(fā)生變化，坡體表面位置出現(xiàn)飽水區(qū)，坡頂處孔隙水壓力最大，其值為53.7 kPa.隨降雨進行3 h時，由于軟弱夾層的滲透性相對較高，加快雨水下滲，夾層內孔隙水壓力最大值為64.8 kPa.隨著深度以及降雨量的增加，雨水入滲速度逐漸減緩，降雨歷時6 h時，在軟弱夾層上方的硬質巖體中，含水率較高，孔隙水壓力越大，為65.0 kPa.隨降雨歷時增加，邊坡最大孔隙水壓力不斷增大，分別增大20.67%、0.31%，增大速率減慢.

3.2 降雨入滲引起的塑性區(qū)分布規(guī)律

含軟弱夾層邊坡的變形可以認為是塑性區(qū)的擴張形成貫通區(qū)，導致邊坡結構層的抗剪、抗拉能力的下降，從而進入塑流狀態(tài)[17].圖13(b)給出持續(xù)降雨1.5 h、3 h、6 h時的塑性區(qū)的分布.在降雨初期階段，塑性區(qū)首先發(fā)生在軟弱夾層上方的坡體表面處，隨著降雨的進行，邊坡塑性區(qū)面積增大，降雨6 h后塑性變形區(qū)貫穿整個邊坡，且范圍較大，說明此區(qū)域可能會發(fā)生滑坡.

3.3 降雨入滲引起邊坡位移變化

圖13(c)為降雨情況下邊坡變形隨降雨歷時增加的變化云圖.降雨初期，邊坡坡頂處出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，最大位移為0.804 cm.降雨至3 h時，位于邊坡坡面與軟弱夾層交界線處出現(xiàn)變形，最大位移為4.31 cm，繼而降雨，軟弱夾層弱化，邊坡變形增大，位移值為10.5 cm.隨降雨歷時增加，邊坡最大水平位移不斷增大，增大速率減慢，與孔隙水壓力變化一致，這是因為軟弱夾層相對玄武巖層而言，滲透系數(shù)較高，降雨初期，雨水沿坡面較快地滲入坡體內部，導致抗剪抗拉能力下降，但隨降雨量增加，沿軟弱夾層雨水入滲至坡體內速率減慢，因此邊坡最大變形在坡面與軟弱夾層交界線處，整體呈現(xiàn)緩慢破壞.

圖13 降雨入滲邊坡數(shù)值模擬結果

3.4 降雨對含軟弱夾層邊坡失穩(wěn)過程分析

在降雨條件下，雨水入滲至軟弱夾層，夾層內部逐漸飽水，強度下降，處于夾層弱化階段.在降雨初期階段，邊坡坡頂處的滲流梯度較大，雨水沿坡頂向下入滲.此時孔隙水壓力在軟弱夾層與坡面交界處至坡頂位置逐減增大，坡體抗剪強度降低.因此，邊坡塑性區(qū)首先在夾層至坡頂位置產生，說明孔隙水壓力和塑性區(qū)形成存在正相關關系.隨著降雨歷時的增加，雨水不斷向坡體內部延伸，同時入滲速率降低.由于軟弱夾層滲透系數(shù)相對較高，雨水向夾層內部延伸及夾層下方擴展，導致孔隙水壓力不斷增大.由于夾層存在一定角度，在自重作用下雨水向夾層后緣入滲量較少，孔壓增大幅度減小，雨水集中面在夾層與下部巖層交界位置，從而在夾層前端邊坡塑性區(qū)集中，此外向夾層后緣區(qū)至坡體內部擴展緩慢.根據(jù)3.3節(jié)可以看出，降雨條件下，坡面與軟弱夾層交界處變形較大，主要因為軟弱夾層上方結構層重力增加，導致夾層被擠壓變形.隨著降雨進行，軟弱夾層遇水軟化，軟弱夾層的抗滑能力進一步下降，導致邊坡沿夾層發(fā)生滑移破壞.

4 結論

本文基于二次開發(fā)的FLAC3D滲流模塊對降雨條件下含有軟弱夾層的巖質邊坡的漸進破壞過程分析，討論了軟弱夾層的厚度、粘聚力、內摩擦角、傾角對巖質邊坡的影響規(guī)律，具體結論如下:

(1)在相同降雨條件下，改變軟弱夾層的賦存屬性，邊坡最大孔隙水壓力變化規(guī)律一致，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內部>軟弱夾層上部，但改變軟弱夾層的內摩擦角，孔隙水壓力無變化.

(2)在不同軟弱夾層厚度中，最大水平位移始終在軟弱夾層與坡面相交處，邊坡水平位移與厚度正相關.位于軟弱夾層上方的分析點水平位移與夾層的粘聚力負相關，其越靠近軟弱夾層，水平位移越大，相差約11.47 cm，而位于夾層下方的水平位移與夾層的粘聚力正相關.改變軟弱夾層內摩擦角，各分析點位移幾乎無明顯變化， 說明軟弱夾層內摩擦角不顯著影響邊坡變形.

(3)隨軟弱夾層傾角的增加，位于軟弱夾層上方的水平位移有增大的趨勢，此時距離夾層最遠的水平位移比夾層處的水平位移至少降低了50.29%；位于夾層下側的水平剪切位移與軟弱夾層傾角并不是簡單的呈正相關，傾角在5 °～10 °時，邊坡水平位移隨傾角增大而減小，傾角在10 °～15 °時水平位移隨傾角增大不斷增大.

(4)邊坡最大水平位移隨厚度、粘聚力、傾角以及內摩擦角變化產生的最大增量分別為73.42%、3.35%、17.93%、0.27%，因此軟弱夾層的賦存特征對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感程度為：軟弱夾層的厚度>傾角>粘聚力>內摩擦角.