積雨條件下膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析

何 源，吳 福，石覃劍，何芳芳

(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，廣西 南寧 530028)

0 引言

膨脹土具有濕時塑性很強，干燥時裂隙發(fā)育，裂面光滑，邊坡易塌的特點[1-4]，常出現(xiàn)大雨大滑，小雨小滑，無雨不滑等現(xiàn)象[5-6]。針對降雨工況下膨脹土變形破壞的機理，程展林、李青云等[7-10]通過降雨入滲實驗研究，表明膨脹土邊坡不僅存在重力作用下的整體穩(wěn)定性受裂隙面強度控制，而且在吸濕條件下會產(chǎn)生淺層失穩(wěn)，淺層失穩(wěn)的主要影響因素為土的膨脹變形；謝燦榮等[11]基于控制含水量的思路，通過滴灌作用論證了含水量是影響膨脹土裂隙展開的關鍵因素，徐彬等[12-13]考慮不同深度下膨脹土性質(zhì)的差異性，研究了雨水入滲條件下的膨脹土邊坡的滲流規(guī)律，進行了相對應的穩(wěn)定性分析。

前期的研究多從實驗分析膨脹土抗剪強度或采用極限平衡法計算膨脹土斜坡安全系數(shù)折減，本文依托寧明縣1∶5萬地質(zhì)詳細災害調(diào)查成果，通過對寧明縣境內(nèi)典型膨脹土邊坡地質(zhì)災害進行工程勘察獲取試驗參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)災害發(fā)生時段實際雨頻、雨強進行數(shù)值模擬，更真實地剖析寧明縣膨脹土邊坡積雨條件下安全系數(shù)變化特征。

1 降雨對膨脹性邊坡穩(wěn)定性影響分析

1.1 降雨時段與膨脹土邊坡失穩(wěn)時間耦合性

降雨為寧明地質(zhì)災害發(fā)生的主要誘發(fā)因素，縣境內(nèi)地質(zhì)災害基本屬降雨誘發(fā)型。寧明縣屬亞熱帶季風氣候，降雨量總體較充沛，時間多集中在每年5—9月份，月均降雨量均超過130 mm，尤其以8月降雨最多，可超過200 mm。地質(zhì)災害發(fā)生頻率上，寧明縣地質(zhì)災害集中發(fā)生于每年5—10月的雨季，共發(fā)生地質(zhì)災害154起，占寧明縣地質(zhì)災害總數(shù)的91.7%(僅以有時間記錄的168處地質(zhì)災害為基底)。尤以6—10月份最為多發(fā)，共發(fā)生地質(zhì)災害120起，占寧明縣地質(zhì)災害總數(shù)的71.4%(圖1)。

1.2 降雨對膨脹土邊坡失穩(wěn)變形分析

通過圖1對比分析，寧明縣月降雨量呈拋物線狀，自2—8月呈線性遞增，并在8月份達到最高值后回落，至次年2月為最低值，地質(zhì)災害月發(fā)生頻率自2月(0處)開始遞增，9月份達到峰值(30處)后開始回落(去除6月份)，兩者高度耦合，由此可分析得出結(jié)論：

1)淺層膨脹土邊坡“清表”：地質(zhì)災害最高發(fā)月份為6月(共39處)，而非9月，這是由于隨著自2月份降雨量的快速回升，原本穩(wěn)定性較差的斜坡開始產(chǎn)生崩滑，此時崩滑多為小型且淺層土質(zhì)膨脹土邊坡，相當于強降雨對斜坡的一次“清表”。

2)降雨入滲滯后性：除去6月份地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量的影響，地質(zhì)災害發(fā)生頻率的峰值在9月，而降雨量的峰值在8月，地質(zhì)災害的發(fā)生與降雨量的變化存在滯后性，這種滯后性反映出降雨入滲到斜坡內(nèi)部是需要一個時間段的累積過程。

3)膨脹土邊坡失穩(wěn)季節(jié)性：寧明縣膨脹性巖土分布廣泛，在經(jīng)歷冬、春季的干旱及夏、秋季的雨水增多后，膨脹性巖體遇水膨脹產(chǎn)生崩塌滑坡，因此膨脹土邊坡失穩(wěn)具有季節(jié)性。

1.3 極端降雨條件下地質(zhì)災害具有突發(fā)性、群發(fā)性

自2008年以來，極端降雨條件下寧明縣地質(zhì)災害具有突發(fā)性和群發(fā)性，均為強臺風攜帶降雨引發(fā)：2008年“9.24臺風黑格比”突發(fā)地災，寧明縣共誘發(fā)地質(zhì)災害16起；2014年7月22號“威馬遜”臺風突發(fā)地災，共誘發(fā)地質(zhì)災害4處；2014年9月16號臺風“海鷗”臺風突發(fā)性地災，共誘發(fā)地質(zhì)災害3處。

1.4 降雨條件下膨脹土邊坡誘發(fā)機理

降雨氣候條件下，寧明縣地質(zhì)災害突發(fā)性強，滑坡、崩塌災害在降雨過程中發(fā)生，與降雨過程同步，主要原因有三點：一是降雨形成坡面徑流并快速沖刷、侵蝕坡體，降低斜坡穩(wěn)定性；二是在極短時間內(nèi)入滲坡體，迅速增加斜坡體自重；三是快速浸潤坡積層及巖體軟弱結(jié)構(gòu)面，降低其抗剪強度，加速斜坡在重力作用下失穩(wěn)。

2 降雨條件下典型膨脹性邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 典型膨脹土邊坡概況

本次分析選取桐棉鎮(zhèn)衛(wèi)生院后山不穩(wěn)定斜坡(圖2)為研究對象，該不穩(wěn)定斜坡橫向?qū)?5 m，縱向長約55 m，高40 m，滑坡體揭露平均厚度約4.8 m，總體積約18 000 m3，根據(jù)工程鉆探揭露，該不穩(wěn)定斜坡全風化層厚度約2 m，強風化層厚度約3 m，地下水位埋深大于11 m，經(jīng)取樣鑒定成果(表1)，該不穩(wěn)定斜坡為中等脹縮性膨脹土邊坡。

表1 桐棉衛(wèi)生院脹縮性判別表

2.2 數(shù)值模型建立

通過 Seep/W 和 Slope/W 模塊，并采用非線性強度參數(shù)分析持續(xù)降雨條件下邊坡安全系數(shù)變化特征。依據(jù)桐棉衛(wèi)生院后山不穩(wěn)定斜坡工程地質(zhì)剖面 (圖3a) 建立 Geo-studio 數(shù)值模型 (圖3b)，斜坡模型高40 m，長65 m (有效邊坡縱向長55 m)，邊坡土體按全風化、強風化、中風化分為三層，全風化層厚2 m，強風化層厚3 m，地下水位根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災害勘察揭露斜坡地下水位確定，埋深11～20 m。

前人研究并提出膨脹土飽和滲透系數(shù)隨風化程度而異，全風化層的滲透性比土本身的滲透性大2～4個數(shù)量級，本次分析取全、強風化層的飽和滲透系數(shù)為中風化層的100、10倍。全、強、中風化層滲透系數(shù)根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災害勘察點土工試驗結(jié)果確定，分別取2.6×10-8、2.6×10-7和2.6×10-6，并依據(jù)前人研究成果建立水特征曲線 (圖4a) 及滲透性函數(shù)曲線 (圖4b)，且各風化層滲透性函數(shù)的形狀一致。

2.3 邊界條件及強度參數(shù)取值

本次計算斜坡地下水位根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災害勘察揭露斜坡地下水位確定，埋深11～20 m，地下水位以下左右邊界為定水頭邊界，設最大負孔隙壓力線性分布于水位線上，水頭為5 m，其余邊界為零流量邊界，斜坡初始孔隙水壓力圖見圖5。整個斜坡坡面及坡腳平面均采用流量邊界，可自動判斷降雨強度與土體滲透系數(shù)之間的關系：當降雨強度大于表層土體滲透系數(shù)時，按定水頭邊界處理，水頭值等于位置高程；當降雨強度小于表層土體滲透系數(shù)時，按流量邊界處理，其值等于降雨強度。

本次計算降雨根據(jù)寧明縣氣象局所提供的2008年“9.24臺風黑格比”寧明縣境內(nèi)4日平均降雨量80 mm/d (9.28×10-7m/s)，斜坡土體物理實驗參數(shù)根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災害勘察點土工試驗結(jié)果確定，取值見表2，殘余水飽和度取定值50%，模擬降雨歷時4天，每3 h記錄保存1次數(shù)據(jù)，分別采用 Morgenstern-Price、Janbu 和 Bishop 三種極限平衡法計算斜坡安全系數(shù)變化特征。

表2 計算模型強度參數(shù)

2.4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)計算結(jié)果，降雨時程為3 h時，斜坡體內(nèi)浸潤峰包裹全—強風化界面；降雨時程為6 h時，浸潤峰下移至全—強風化界面以下，并在切坡全—強風化界面處溢出切坡面；降雨時稱為24 h時，浸潤峰下移至強—中風化界面，強、全風化層孔隙水壓力為負值；降雨時程為48 h時，浸潤峰下移至強—中風化界面以下，全風化層及全—強風化界面以下部分中風化層孔隙水壓力變?yōu)檎?圖6)。

不同計算模型下，不定斜坡安全系數(shù)成果見表3和圖7。持續(xù)降雨工況下，采用Morgenstern-Pric 法計算模型中，降雨時程 3 h、6 h、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h 安全系數(shù)折減為初始安全系數(shù)的 0.994、0.906、0.964、0.905、0.846、0.839、0.834；采用 Bishop 法，折減為初始安全系數(shù)的 0.995、0.99、0.963、0.904、0.835、0.826、0.821；而采用 Janbu 法和 Ordinary 法96 h后，安全系數(shù)折減為0.91。

表3 不同模型穩(wěn)流狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

對比孔隙水壓力云圖中浸潤峰的入浸時程及斜坡安全系數(shù)時程變化特征分析，當浸潤峰入滲至—強風界面以下后(6 h)，斜坡的安全系數(shù)開始明顯下降；至48 h后，浸潤峰下移至強—中風化界面以下，并保持穩(wěn)定，斜坡安全系數(shù)折減也隨之減小。因此，斜坡安全系數(shù)折減速率與浸潤峰的入浸存在耦合性，且連續(xù)降雨條件下，坡面匯水入浸6～48 h時程內(nèi)，斜坡安全系數(shù)折減最快。根據(jù)《膨脹巖土滑坡防治工程技術(shù)規(guī)范》，膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)取1.3，因此連續(xù)降雨48 h后斜坡即處于不穩(wěn)定狀態(tài)，由圖8可知，潛在滑移面分布于切坡前部，且為淺層不穩(wěn)定斜坡。

3 結(jié)語

文章依托于寧明縣1∶5萬地質(zhì)災害詳細調(diào)查成果，研究連續(xù)降雨工況下寧明縣膨脹土邊坡穩(wěn)定性，運用 Seep/W 和 Slope/W 模塊，并采用非線性強度參數(shù)分析持續(xù)降雨條件下邊坡安全系數(shù)變化特征。計算分析成果如下：

1)積雨條件下，膨脹土斜坡內(nèi)浸潤峰隨時程推進而下移，依次先附著于全—強風界面、強—中風化界面，并最終于強—中風化界面以下保持穩(wěn)定。

2)初始狀態(tài)斜坡體內(nèi)地下水位以上孔隙水壓力均為負值，浸潤峰保持穩(wěn)定后，斜坡體內(nèi)浸潤峰以上孔隙水壓力由負值變?yōu)檎怠?/p>

3)連續(xù)降雨48 h后，膨脹土斜坡體安全系數(shù)低于規(guī)范值1.3，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，潛在最大不穩(wěn)定滑移面位于浸潤線以上，潛在滑體位于斜坡前部，為小型淺層不穩(wěn)定斜坡，與寧明縣膨脹土地質(zhì)災害發(fā)育實際情況相吻合。