考慮拉張裂縫與地下水位的邊坡穩(wěn)定性分析

陳 茜，蔣水利

(陜西水利水電工程集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710018)

1 概述

邊坡失穩(wěn)是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一[1]，也是巖土工程持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。在土質(zhì)邊坡失穩(wěn)前，由于坡頂表面附近土體內(nèi)的拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，坡頂張拉開裂，產(chǎn)生一定深度的拉張裂縫，并伴隨整個(gè)失穩(wěn)過程，對(duì)土坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)模式具有密切的影響[2-3]。

王燦輝[4]利用FLAC軟件分析張拉破壞對(duì)土坡穩(wěn)定性的影響，指出土體的抗拉強(qiáng)度對(duì)土坡穩(wěn)定性具有重要的影響。于婷婷等[5]討論了考慮降雨拉張裂縫作用對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，指出降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)與裂縫的位置和邊坡的穩(wěn)定性存在密切關(guān)系。劉華磊等對(duì)降雨條件下邊坡裂縫的演化機(jī)制及邊坡穩(wěn)定性展開研究，認(rèn)為地表裂縫為降水入滲提供了通道，使水分更容易抵達(dá)邊坡土體內(nèi)部的軟弱結(jié)構(gòu)面，而降低邊坡的穩(wěn)定性。李全文等[6]以淺層滑坡為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬方法研究降雨條件下含裂縫邊坡的穩(wěn)定性，表明降雨會(huì)以裂縫為優(yōu)勢(shì)入滲通道快速滲入到滑面位置而提高滑面處的有效應(yīng)力，降低邊坡穩(wěn)定性。杜玉鵬[7]開展了持續(xù)降雨條件下黃土中雨水入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究，通過模擬不同裂縫發(fā)育深度下邊坡穩(wěn)定性指出黃土邊坡穩(wěn)定性隨裂縫深度的增大而降低，當(dāng)裂縫發(fā)育方向與最危險(xiǎn)滑動(dòng)線方向一致時(shí)，邊坡安全系數(shù)下降最快。馬蓓青等[8]研究了持續(xù)降雨條件對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，指出降雨歷時(shí)增加,黃土邊坡土體含水率逐漸增大,土體強(qiáng)度降低,易導(dǎo)致坡腳出現(xiàn)滑坡。而坡頂拉張裂縫的存在加劇了降雨入滲的過程，加速了土體強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性的降低。

上述研究表明，水分侵入會(huì)對(duì)坡頂具有拉張裂縫的邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。這些研究的共同特征在于考慮自上而下的入滲過程，即水分由地表向土體內(nèi)部侵入。導(dǎo)致土體內(nèi)含水率變動(dòng)的另一重要因素是地下水位的波動(dòng)。如河流、湖泊等地表水體附近的邊坡會(huì)因河水位、湖水位的變化而使地下水位產(chǎn)生明顯的波動(dòng)。地下水位波動(dòng)會(huì)引起土體內(nèi)含水量自下而上的變動(dòng)過程，本文關(guān)注的重點(diǎn)在于當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生波動(dòng)后對(duì)坡頂具有拉張裂縫的邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)制，總結(jié)拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用下邊坡穩(wěn)定性特征，以期為構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性評(píng)估方法，探索邊坡失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)報(bào)和邊坡治理技術(shù)提供借鑒。

2 基本原理

2.1 考慮土體強(qiáng)度水敏性和土體重度與含水率相關(guān)的簡(jiǎn)布法

簡(jiǎn)布法主要思想是取單位長(zhǎng)度土坡按平面問題計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，當(dāng)采用總應(yīng)力表示時(shí)，安全系數(shù)如式(1)所示：

(1)

其中，F(xiàn)s為安全系數(shù);αi為第i土條底面中點(diǎn)對(duì)應(yīng)于滑動(dòng)面圓心時(shí)與豎直方向的夾角;li為第i土條底面水平投影長(zhǎng)度;Wi為第i土條自重;ΔHi為第i土體兩側(cè)切向力的合力;ci為第i土條內(nèi)土的黏聚力;φi為第i土條內(nèi)土的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)土體內(nèi)濕度(飽和度/含水率)發(fā)生改變時(shí)，既會(huì)對(duì)土體的重度產(chǎn)生影響，又會(huì)影響土體強(qiáng)度，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。對(duì)于含有非飽和區(qū)的土質(zhì)邊坡，其間含水率空間分布是非均勻的，相應(yīng)的土體重度可表示為：

γ(x,y)=γd[1+θ(x,y)]

(2)

故而土體重度在沿豎向呈現(xiàn)非線性變化的特征。

土體強(qiáng)度隨含水率變化而改變，林鴻州等[9]研究表明：黏聚力隨飽和度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；內(nèi)摩擦角則隨飽和度的增大而減小。根據(jù)林鴻州等研究成果，可以采用如下表達(dá)式刻畫土體內(nèi)含水率變化對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

(3)

(4)

(5)

其中，ac,bc,cc均為黏聚力與飽和度關(guān)系擬合參數(shù)；aφ,bφ,cφ均為內(nèi)摩擦角與飽和度關(guān)系擬合參數(shù)；Sθ為飽和度；θs為飽和含水率。

利用土水特征曲線和孔隙水壓力的空間分布特征，可將飽和度改寫成空間分布的函數(shù)。進(jìn)一步，簡(jiǎn)布法安全系數(shù)公式(式(1))改寫成如下形式：

(6)

其中，ci(x,y)為依賴于空間位置的土體黏聚力；φi(x,y)為依賴于空間位置的內(nèi)摩擦角；Wi(x,y)為依賴于空間位置的土條自重。

2.2 坡頂裂縫的處理

現(xiàn)有的研究表明，拉張裂縫的深度、數(shù)量和發(fā)育方向均會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。其中拉張裂縫的深度影響尤為顯著，且坡頂?shù)睦瓘埩芽p通常表現(xiàn)為豎向裂縫[10-12]。在Geostudio-slope模塊中提供了一種簡(jiǎn)化處理方法，將拉張裂縫概化為張裂線。對(duì)于給定的張裂線，在張裂裂縫區(qū)域內(nèi)的滑動(dòng)面是垂直的。本文采用了張裂線的方法對(duì)坡頂裂縫進(jìn)行處理，以達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的。

3 模型與方法

為了分析考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，本文首先對(duì)比不考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用和考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，探明不同作用機(jī)制下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算差異。之后，對(duì)不同耦合工況下邊坡穩(wěn)定性開展分析，探討耦合作用差異對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。邊坡土體采用黏土，其物理指標(biāo)如表1所示，土體強(qiáng)度指標(biāo)擬合參數(shù)如表2，表3所示。采用GeoStudio軟件內(nèi)置樣條函數(shù)對(duì)文獻(xiàn)[9]中含水率-基質(zhì)吸力數(shù)據(jù)集進(jìn)行擬合獲取的土水特征曲線。

表2 黏聚力與飽和度擬合結(jié)果

表3 內(nèi)摩擦角與飽和度擬合結(jié)果

為了便于探討，本文所設(shè)置的模型采用了理想化的情形。其中，邊坡的幾何條件坡高12 m，坡度13∶16。邊坡的滲流條件為：初始狀態(tài)下邊坡內(nèi)處于靜水平衡狀態(tài)；邊坡上、左、右三個(gè)邊界為零通量邊界，下邊界設(shè)置為補(bǔ)給邊界，以調(diào)整土體內(nèi)的水位。邊坡坡頂設(shè)置有拉張裂縫，采用張拉線表示。不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度，如表4所示。研究中僅考慮邊坡內(nèi)達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算模型如圖1所示。

表4 不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度

4 結(jié)果與討論

4.1 (不)考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果對(duì)比

圖2示出了不考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用和考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。其中，地下水位距離下邊界高度為2 m，拉張區(qū)高度為0.2 m。在不考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用影響的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中采用飽和狀態(tài)下土體物性參數(shù)和飽和抗剪強(qiáng)度，如表1所示。由圖2可知，考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用的邊坡安全系數(shù)明顯高于不考慮耦合作用的邊坡安全系數(shù)，并且臨界滑動(dòng)面(圖中安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面位置)的曲率更大，埋深更深。這表明考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果偏于安全。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用的邊坡內(nèi)地下水水位線以上土體按非飽和土考慮，在滲流穩(wěn)定條件下土體內(nèi)含水率自下而上逐漸降低，即土體單位重度逐漸減小，而土體抗剪強(qiáng)度則呈現(xiàn)總體增強(qiáng)的趨勢(shì)，如式(2)～式(4)所示。在它們共同作用下，邊坡穩(wěn)定增強(qiáng)。

4.2 不同拉張裂縫深度和地下水位深度耦合作用下邊坡穩(wěn)定性特征

本節(jié)分布對(duì)不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知，對(duì)于具有相同裂縫深度、不同地下水位深度的情形，隨地下水水位埋深的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，滑動(dòng)面半徑呈遞增趨勢(shì)，曲率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。同時(shí)，滑動(dòng)面的中心位置也隨地下水水位埋深的增加而發(fā)生變化。導(dǎo)致上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于地下水水位埋深增大，意味著在非飽和區(qū)相同空間位置處土體內(nèi)含水率減小，土體單位重量隨之減小而土體強(qiáng)度則表現(xiàn)為增強(qiáng)趨勢(shì)，故而地下水水位埋深增大有利于邊坡穩(wěn)定。對(duì)于具有不同裂縫深度和相同地下水水位的情形，隨裂縫深度的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，而滑動(dòng)面半徑和中心位置不變，如表5中工況5～工況8所示。

表5 不同耦合條件下邊坡穩(wěn)定性結(jié)果

5 結(jié)論

1)基于簡(jiǎn)布法構(gòu)建了拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用的邊坡穩(wěn)定性分析模型。其特征在于在邊坡穩(wěn)定性分析模型中土體強(qiáng)度依賴于土體巖性和濕度。通過利用滲流模型獲取邊坡內(nèi)土體濕度的空間異質(zhì)性分布，再利用土水特征曲線、土體密度和強(qiáng)度指標(biāo)與濕度的經(jīng)驗(yàn)公式獲取土體密度、土體強(qiáng)度指標(biāo)空間異質(zhì)性分布。邊坡坡頂裂縫采用張裂線的方法進(jìn)行概化。并將上述模型耦合進(jìn)簡(jiǎn)布法，之后利用所構(gòu)建的模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

2)對(duì)比分析了不考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用和考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，表明在滲流穩(wěn)定條件下土體內(nèi)含水率自下而上逐漸降低，土體單位重度逐漸減小，而土體抗剪強(qiáng)度則呈現(xiàn)總體增強(qiáng)的趨勢(shì)使得考慮拉張裂縫與地下水位變動(dòng)耦合作用的邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)，具有較高的安全系數(shù)。

3)對(duì)不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，結(jié)果表明隨地下水水位埋深的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，滑動(dòng)面半徑呈遞增趨勢(shì)，曲率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。而裂縫深度的增加，會(huì)導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)減小，但滑動(dòng)面半徑和中心位置不變。