基于強降雨條件下模擬仿真模型的邊坡穩(wěn)定性分析

徐 康馬才波

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.內(nèi)蒙古引綽濟遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400）

0 引言

長期以來，邊坡穩(wěn)定性一直是工程地質(zhì)和巖石力學(xué)研究的重要課題，而邊坡失穩(wěn)受多種因素的影響，其中包括自然環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、滑坡組成物質(zhì)等。其中降雨是邊坡變形破壞主導(dǎo)因素之一［1］，這是由于在持續(xù)降雨滲流作用下，導(dǎo)致邊坡土體孔隙水壓力增大以至于有效應(yīng)力減小。同時由于降雨形成的徑流在邊坡表面對護坡物質(zhì)的沖刷作用，導(dǎo)致邊坡表面發(fā)生破壞，從而進一步增大雨水的滲透強度，加速邊坡的變形破壞［2］。

針對邊坡穩(wěn)定性眾多學(xué)者都開展了研究。其中，周明月等［3］對梅沖河系統(tǒng)邊坡表面布置變形監(jiān)測點進行邊坡穩(wěn)定性研究，結(jié)果表明該邊坡均出現(xiàn)不同程度變形且同降雨存在明顯正相關(guān)性；楊磊等［4］通過邊坡表觀變形、多點位移及錨索荷載等監(jiān)測數(shù)據(jù)來研究長河壩水電站泄洪洞進口邊坡的穩(wěn)定問題；杜怡韓等［5］通過野外地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)勘察等方法以安徽省蕪湖市繁昌區(qū)某小區(qū)南側(cè)大型滑坡為研究對象，研究了強降雨對滑體土壓力的影響規(guī)律、滑體在強降雨作用下的破壞機制。

經(jīng)過對邊坡穩(wěn)定性的長期研究，逐漸從理論發(fā)展到對滑坡發(fā)生時間和規(guī)模的預(yù)測預(yù)報，掌握滑坡發(fā)生及發(fā)展規(guī)律，提前做好防護，從而減少滑坡產(chǎn)生的不良影響，因此滑坡預(yù)測預(yù)報相關(guān)工作順勢而生［6-7］。滑坡形成的機制相對而言比較復(fù)雜，影響因素較多并且演化機制復(fù)雜，因此，根據(jù)云南某水庫邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)值仿真方法進行研究，分析強降雨條件下的邊坡穩(wěn)定情況，綜合分析該滑坡的變化規(guī)律及發(fā)展趨勢。

1 工程概況

某邊坡位于云南省怒江州蘭坪縣營盤鎮(zhèn)大華村附近瀾滄江右岸坡體上，邊坡距下壩址約5.1 km。其地貌形態(tài)如圖1所示，曲線所標范圍即為邊坡滑坡體的范圍，高程為1 410.00～1 870.00 m，滑坡堆積體預(yù)計體積約5×107m3。當(dāng)水庫水位達到1 500.00 m時，滑坡體將會有近70 m的范圍淹沒在水位之下。整個邊坡呈扇形，前寬后窄，呈南北向展布，前緣沿河流約1.2 km。在整個斜坡區(qū)，整體表現(xiàn)出西部坡體高于東部坡體，上部坡體陡于下部坡體的斜坡地貌?；掳镀缕露?0°～60°，部分岸坡已失穩(wěn)滑動。整個滑坡地表原始天然植被較少，且多為季節(jié)性植物，滑坡地表植被覆蓋度隨季節(jié)變化較大。

2 邊坡觀測數(shù)據(jù)分析

通過分析邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時掌握邊坡土體的實際變形情況以及可能滑動坡體的面積或體積，相應(yīng)地進行預(yù)報和預(yù)警并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，以避免人員傷亡和財產(chǎn)損失。

2.1 監(jiān)測點的選取

監(jiān)測點位置的選擇要既能全面反映邊坡的變化過程，又能夠確保監(jiān)測的準確度，從大量實際工程得出的經(jīng)驗可知［8-9］，在不同部位布置監(jiān)測點監(jiān)測會對邊坡的整體分析造成很大的影響，甚至差別很大，因此監(jiān)測點的選取是一個極其重要的工作。監(jiān)測點的選擇需要根據(jù)邊坡類型、監(jiān)測要求、地質(zhì)條件以及破壞情況綜合選取。

在邊坡設(shè)置3個斷面，共布置6個監(jiān)測點（ZK1-1~ZK3-2），監(jiān)測斷面分布情況如圖1所示。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)測成果分析，監(jiān)測點ZK3-1位置滑動明顯，從監(jiān)測孔垂直方向（順滑坡方向）和水平方向（順水庫方向）可以看出，曲線在12 m深處存在明顯的拐點，上下錯動距離0.1 m。

根據(jù)數(shù)據(jù)計算結(jié)果，監(jiān)測點ZK3-1處沿x軸方向位移量在-2～8.42 cm，沿y軸方向位移量在-4.2～6.97 cm，位移速度0.020～0.078 mm/d，且運動速度與降雨有關(guān)。

3 模型建立

根據(jù)測斜儀監(jiān)測結(jié)果，本次建模選取的邊坡剖面為斷面1-1~斷面3-3，為了滿足邊界條件選取長240 m、寬200 m、高160 m的模型?；谟邢薏罘衷韺υ摶逻M行動力學(xué)以及靜力學(xué)的相關(guān)計算，數(shù)值模型一共劃分單元141 200個，節(jié)點148 920個，網(wǎng)格基本上是六面體網(wǎng)格，建立的模型如圖2所示。

圖2 滑坡計算模型圖

模型邊坡表面為自由約束，模型四周施加法向約束，底部施加豎直位移約束［10］。該模型采用Mohr-Coulomb模型塑性模型［11］，初始應(yīng)力場為重力場。

3.1 計算參數(shù)的選取

根據(jù)實際的地質(zhì)勘查結(jié)果與室內(nèi)土體試驗獲得土體的力學(xué)參數(shù)，并參考同類型滑坡文獻數(shù)據(jù)［12］，綜合得到模擬仿真分析正常工況及強降雨工況下不同土層參數(shù)如表1所示。

表1 正常工況下土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 正常工況下穩(wěn)定性分析

以下計算是該邊坡正常工況下穩(wěn)定性計算，即只考慮在自重情況下平衡條件的穩(wěn)定性。根據(jù)模擬仿真軟件中自重應(yīng)力平衡計算方法，計算結(jié)果如表2所示。

表2 強降雨工況下土體物理力學(xué)參數(shù)

通過圖3、圖4的位移云圖可知，沿x方向的位移基本上跟滑坡整體位移方向一致，最大的位移主要集中于滑坡的表面部位以及滑坡中下部，沿x軸負向位移最大滑移量達到8.06 cm。從沿y方向的位移云圖可知，滑坡的中上部有向y軸負方向位移的趨勢，位移量達到10.6 cm，模擬結(jié)果與實際結(jié)果方向一致，沿y軸位移量偏小，整體呈牽引滑動趨勢。

圖3 正常工況邊坡沿x方向位移云圖

圖4 正常工況邊坡沿y方向位移云圖

通過上述分析可知出現(xiàn)變形的區(qū)域主要集中于滑坡的中上部，并且整體的位移有向下滑動的趨勢，跟位移矢量圖的方向一致。整體變化表明滑坡上部不穩(wěn)定，導(dǎo)致后續(xù)土體向前滑動。該滑坡失穩(wěn)是由于上部破壞牽動下方土體穩(wěn)定性從而導(dǎo)致邊坡破壞。

3.3 強降雨工況下穩(wěn)定性分析

降雨條件作為滑坡失穩(wěn)的重要因素之一，常常需要考慮該條件下滑坡的穩(wěn)定性。連續(xù)降雨使雨水沿孔隙、裂隙向下滲透，使滑體巖土含水飽和度或含水量增大，滑體重量增大，抗滑力減小，滑力增大，從而引發(fā)滑坡。除此之外，滑坡中部呈現(xiàn)一個“凹”形，出現(xiàn)局部洼地，下雨時容易形成雨水的聚集出現(xiàn)地表水，地表水的緩慢下滲容易加速該滑坡的滑動。

由于土體經(jīng)過強降雨的浸泡后，相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)也會產(chǎn)生一定的變化，進行強降雨工況下穩(wěn)定性分析，設(shè)置降雨量為107 mm/d，邊坡表層土體相應(yīng)參數(shù)會發(fā)生改變，具體參數(shù)選用參考表2，強降雨條件下的穩(wěn)定性分析具體如圖5、圖6所示。

通過圖5、圖6位移云圖可知，水平方向的位移基本上跟滑坡整體位移方向一致，最大的位移主要集中于滑坡的表面部位以及滑坡中下部，沿x方向最大滑移量達到31.1 cm。根據(jù)沿y軸方向云圖分析可知，滑坡的中上部有向沿y軸負向位移的趨勢，位移量達到51.7 cm，滑坡呈現(xiàn)的位移趨勢為剪出形式，因此強降雨條件下，土體的重力增加，整體呈現(xiàn)牽引滑動趨勢。

圖5 強降雨條件下邊坡沿x方向位移云圖

圖6 強降雨條件下邊坡沿y方向位移云圖

通過上述分析可知，出現(xiàn)變形的區(qū)域主要集中于滑坡的中上部，并且整體的位移有向下滑動的趨勢，不同位移區(qū)域在降雨后破壞的特征發(fā)生明顯變化，滑坡體在強降雨后土體顆粒飽和狀態(tài)下，抗剪強度明顯下降致使滑坡失穩(wěn)時滑動面近似一個平面。滑坡體上部出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，相較于正常工況變形破壞增大，與實際監(jiān)測結(jié)果相比滑坡的位移方向一致，但位移量更大。

4 結(jié)論

結(jié)合工程實例，通過邊坡實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對強降雨下邊坡的穩(wěn)定性進行分析，可以得出以下結(jié)論。

①通過模擬仿真模擬正常工況下邊坡穩(wěn)定性，水平方向上位移與實際監(jiān)測結(jié)果一致，位移量與實際監(jiān)測結(jié)果差值在1 cm以內(nèi)，模擬仿真結(jié)果良好。

②通過監(jiān)測分析得出邊坡危險斷面，結(jié)合數(shù)值仿真模型分析邊坡在正常工況下位移量在強降雨工況下存在明顯的滑動現(xiàn)象，模擬結(jié)果顯示水平位移方向與實際監(jiān)測結(jié)果一致，且位移量為正常工況下的3~5倍，因此強降雨會促進滑坡的發(fā)生。

③針對變形區(qū)域主要集中在邊坡的中上部，且整體有向下滑動的趨勢，可以采用設(shè)抗滑樁的支護措施，比削坡壓腳的支護方法更有效。