基于GeoStudio 的小嶺后滑坡穩(wěn)定性分析

張 伍,童柳華

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232000）

0 前言

滑坡在我國(guó)是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,其不僅會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)隱患,更會(huì)導(dǎo)致人類生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大損失[1]。滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究,作為邊坡結(jié)構(gòu)安全性防護(hù)的重要理論基礎(chǔ),其也成為滑坡研究的重點(diǎn)[2]。目前,滑坡穩(wěn)定性分析方法主要基于極限平衡法和以有限元為主的數(shù)值分析法等研究理論,邵龍?zhí)禰3]等對(duì)傳統(tǒng)極限平衡理論進(jìn)行了擴(kuò)展,并對(duì)土體內(nèi)某一點(diǎn)的極限平衡狀態(tài)與土體沿整個(gè)滑動(dòng)面的極限平衡狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行了探討,進(jìn)而定義了土體沿滑動(dòng)面的安全系數(shù)并進(jìn)行穩(wěn)定性分析；丁恒[4]等利用Flac3D 數(shù)值模擬分析,對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；倪曉輝[5]則采用GeoStudio軟件分析淺層滑坡不同工況下失穩(wěn)概率及穩(wěn)定性,其以降雨因素研究淺層土質(zhì)滑坡為主并提出具體防治措施。

龍泉市屬亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖濕潤(rùn),整體地勢(shì)較高,降雨受地形增強(qiáng)作用明顯,降雨充沛。以強(qiáng)降雨作為一種重要因素的定量危險(xiǎn)性分析評(píng)價(jià)就顯得格外重要。不同區(qū)域不同時(shí)刻,影響滑坡發(fā)生的主要因素也就不同。浙江省極端暴雨工況下的滑坡災(zāi)害分布廣泛,但也具有明顯的分布規(guī)律[6]。考慮到小嶺后滑坡坡體土層較厚且滑坡面在一定程度上由降雨量所控制,本文利用GeoStudio 軟件對(duì)不同降雨工況情況進(jìn)行解析,闡明其穩(wěn)定性與降雨量有著不可分割的關(guān)系。研究表明,滑坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素多為水的作用,降雨及水位漲落產(chǎn)生常導(dǎo)致滑帶抗剪強(qiáng)度下降（飽和區(qū)有效應(yīng)力降低、非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低、土體產(chǎn)生軟化）,削弱了滑坡穩(wěn)定性[7-8]。通過(guò)對(duì)小嶺后滑坡的進(jìn)一步分析,以期查明降雨環(huán)境下巖土體中地下水的滲流特征及其安全穩(wěn)定系數(shù),為浙江省滑坡工程防治提供理論依據(jù)。

1 滑坡概況

小嶺后公路邊滑坡位于龍南鄉(xiāng)蛟垟村小嶺后自然村西側(cè)山體斜坡上,地處中山區(qū),斜坡海拔高程1102.6 m～1278.2 m,最大相對(duì)高差175.6 m,自然斜坡地形坡度15°～30°,剖面形態(tài)呈折線狀,前緣坡度較緩,坡度15°～20°,坡體開墾為梯田；后緣斜坡25°～30°,植被以毛竹、松木為主,坡體中前部臺(tái)階狀水田大部分已荒廢,坡腳為鄉(xiāng)級(jí)公路?；掳l(fā)生于坡體微溝處,該處微溝溝道寬2 m～5 m,兩側(cè)岸坡高1 m～3 m,溝口直對(duì)公路。坡面出露地層巖性為下白堊統(tǒng)高塢組（K1g）晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r,巖石風(fēng)化程度較高。現(xiàn)有邊坡未出露基巖,殘坡積層（Qel-dl）主要為粉質(zhì)粘土,灰褐色,厚度0.5 m～1 m,可塑狀,稍濕～濕,偶見(jiàn)碎礫石,含量＜5%,碎礫石呈棱角狀～次棱角狀,原巖成份為凝灰?guī)r。該滑坡（圖1）發(fā)生于2017 年8 月20 日,受連續(xù)降雨影響,微溝溝岸發(fā)生多處滑坡,周邊發(fā)育多條拉張裂縫,滑塌體下滑過(guò)程中,對(duì)溝底土層進(jìn)行刮蝕、刨鏟,帶動(dòng)底部松散土層沿溝口方向滑動(dòng),威脅前緣道路過(guò)往行人及車輛?；麦w平面形態(tài)呈條帶狀（圖1）,滑坡體前緣寬后緣窄,前緣面最大寬度18 m,后緣面寬8 m,軸線長(zhǎng)約60 m,主滑方向約225°,滑坡后緣海拔高度為1142 m,剪出口海拔高度為1120 m,滑體組成物主要為第四系殘坡積層及下白堊統(tǒng)高塢組全風(fēng)化晶屑熔結(jié)巖,滑體厚3 m～5 m,滑動(dòng)面位于全風(fēng)化層中,滑坡整體呈條帶狀。

圖1 滑坡全貌

2 地質(zhì)因素分析

2.1 地層巖性

巖性松疏、滲透性好為滑坡發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。邊坡土體厚度較大,表層部分殘余邊坡層厚度為0.5 m～1.0 m,巖性為黏土、塑性,工程地質(zhì)性質(zhì)較差；全風(fēng)化巖石大部分已風(fēng)化成土,遇水易軟化,最大厚度超過(guò)5 m,工程地質(zhì)性質(zhì)較差?；轮饕镔|(zhì)組成均為殘坡積和全風(fēng)化物質(zhì),強(qiáng)降雨期間全風(fēng)化層多位于地下水位附近,受地下水浸泡,土體飽和,抗剪強(qiáng)度顯著降低,力學(xué)性質(zhì)變差,逐漸形成貫通的軟弱層。

2.2 地形及地貌

滑坡所在山體地形由陡峭開始變得緩慢,微地貌呈凹形,有利于集中水源,坡腳處有高速公路切坡,這為斜坡的不穩(wěn)定提供了重要條件。因此,地形和地貌條件有利于滑坡的形成。

2.3 氣象與水文

強(qiáng)降雨引起斜坡巖土體地下水水位上升,基質(zhì)吸力降低和孔隙水壓力增加是其斜坡發(fā)生變形破壞的主要原因[9]。連續(xù)的暴雨會(huì)使大量雨水下滲到坡體內(nèi)部,增大了巖土體重度,同時(shí)浸潤(rùn)飽和了斜坡上的殘坡積層和全風(fēng)化層,最終導(dǎo)致巖土體力學(xué)強(qiáng)度下降,滑坡體上部分下滑力明顯增加,從而導(dǎo)致斜坡土體蠕動(dòng)下錯(cuò)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

滑坡模型見(jiàn)圖2,山坡高100 m,長(zhǎng)200 m,將邊坡劃分為粘土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化層和中風(fēng)化層四個(gè)區(qū)域,滑坡區(qū)域網(wǎng)格單元尺寸均設(shè)3 m,劃分1418 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及1351 個(gè)網(wǎng)格單元。確定模型的地下水邊界和降雨邊界,把左側(cè)為定水頭時(shí)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果當(dāng)作初始條件,利用GeoStudio 軟件中的Slope/ W 具有可以引入Sigma/ W 和 Seep/ W 計(jì)算結(jié)果的功能,以及 Sigma/W 可以引入 Seep/ W 計(jì)算結(jié)果的功能,分別計(jì)算考慮耦合情況下和不考慮耦合的情況下邊坡的安全系數(shù),以此來(lái)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。

圖2 模型劃分示意圖

圖3 水土特征曲線

3.2 計(jì)算原理

首先在 Seep/ W 中建立有限元分析模型,經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算后,得到瞬時(shí)孔隙水壓力,將所計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入至 Sigma/ W,得到不同時(shí)刻滲透力作用下的應(yīng)力應(yīng)變。Slope/ W 導(dǎo)入 Seep/W 的結(jié)果得到不考慮降雨即非耦合以及在不同降雨條件下即耦合時(shí)安全系數(shù)的計(jì)算[10]。

3.3 參數(shù)確定

根據(jù)斜坡所在地區(qū)的自然情況,不考慮地震對(duì)此地區(qū)的影響,進(jìn)行不同降雨工況條件下的滑動(dòng)面推測(cè)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)[11]。本次連續(xù)降雨期間狀態(tài)分為四種工況,降雨強(qiáng)度分別取35 mm、75 mm、110 mm、250 mm,見(jiàn)表1。采用 Geostudio軟件來(lái)模擬降雨之后的地下水滲流場(chǎng)（主要考慮地質(zhì)模型中,巖土體彈性模量、泊松比等參數(shù)較難精準(zhǔn)獲取,故本次模型分析未選用應(yīng)力應(yīng)變耦合）,在此基礎(chǔ)上計(jì)算斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)。通過(guò)巖土試驗(yàn)和該地區(qū)巖土體的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和反演綜合確定模擬參數(shù)取值,見(jiàn)表2。

表1 降雨工況劃分標(biāo)準(zhǔn)表

表2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值表

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 滲流場(chǎng)分析

采用Geostudio 中的Seep/W 模塊對(duì)模型進(jìn)行滲流探究,不同降雨工況的滲流情況即孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律,見(jiàn)圖4。由圖可知,孔隙水壓力在不同降雨條件下的值,會(huì)隨降雨時(shí)間的增加而不斷升高,負(fù)孔隙水壓力會(huì)減小,基質(zhì)吸力減小,且高強(qiáng)度的孔隙水壓力值較低強(qiáng)度的孔隙水壓力值增長(zhǎng)的更快[12-13]。以48 小時(shí)末的數(shù)值為例,孔隙水壓力的數(shù)值由大到小的工況依次是特大暴雨、大暴雨、暴雨、大雨。因?yàn)?在同一時(shí)間段下,高強(qiáng)度的工況降雨量更大,孔隙水壓力增長(zhǎng)更快。由圖4 可以看出,負(fù)孔隙水壓力值隨著不同降雨量及時(shí)間增加至正值,表明這幾種常見(jiàn)的工況均能使土體達(dá)到飽和狀態(tài),但是飽和狀態(tài)都大不相同。圖5 中可以看到在特大暴雨條件下前期孔隙水壓力增長(zhǎng)較快,但時(shí)間到達(dá)24時(shí),土體近似達(dá)到了飽和狀態(tài),速率降低且趨于平緩,可以看出降雨下滲隨著時(shí)間的增長(zhǎng),滲透能力開始下降,孔隙水壓力增長(zhǎng)也開始變得緩慢。當(dāng)土體中滲透大量水源時(shí),土體會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài),雨水就不能繼續(xù)下滲,孔隙水壓力就會(huì)保持基本不變,此時(shí)坡面徑流量變大。雨水入滲會(huì)削弱土體的抗剪強(qiáng)度,改變土體天然重度,對(duì)土體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[14]。此外,由于高強(qiáng)度降雨持續(xù)時(shí)間短,土體蒸發(fā)與入滲時(shí)間有限,極易在表面形成徑流,需采取排水設(shè)施,避免大量水流攜帶泥土沖刷坡體。

圖4 不同工況孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系

圖5 特大暴雨條件下孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系

3.4.2 穩(wěn)定性分析

通過(guò)Seep/W 模塊計(jì)算出降雨前即初始工況下的穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng),以此結(jié)果為初始狀態(tài)加上不同降雨工況模擬降雨入滲過(guò)程和滲流場(chǎng)變化,然后將滲流場(chǎng)導(dǎo)入 SLOPE/W 穩(wěn)定性計(jì)算模塊計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 各工況壓力水頭圖

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864-2016）中,滑坡穩(wěn)定性由核算出的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行劃分,見(jiàn)表3。

由圖6 結(jié)合表3 可知,不同降雨工況下滑坡穩(wěn)定性依次為：工況1＜工況2＜工況3＜工況4。斜坡在天然、大雨和暴雨工況下,均處于穩(wěn)定狀態(tài);由圖6（b）和圖6（c）可以看出,斜坡穩(wěn)定性系數(shù)開始變小,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),這主要是因?yàn)椴煌涤炅扛淖兞嘶麦w的力學(xué)性能而削弱了巖土體的強(qiáng)度參數(shù),且地下水的上升導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低和孔隙水壓力增加,穩(wěn)定性系數(shù)就會(huì)迅速降低；在特大暴雨工況下,孔隙水壓力急劇增高,土體穩(wěn)定性變差,與之前所討論的孔隙水壓力的變化相對(duì)應(yīng),因此容易形成滑坡。

表3 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

4 結(jié)論

（1）隨著長(zhǎng)期的連續(xù)暴雨降落到地表,雨水逐漸下滲到滑坡體內(nèi),土體間孔隙水壓力值開始逐漸升高。當(dāng)滑坡體處于特大暴雨?duì)顩r下,滑坡體內(nèi)孔隙水壓力值會(huì)達(dá)到最大并且逐漸趨于穩(wěn)定,此時(shí)滑坡體達(dá)到飽水軟化狀態(tài),滑坡面阻滑能力大大降低,滑坡體整體開始下滑。

（2）以小嶺后滑坡模型為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),通過(guò)Geostudio 軟件模擬出蛟垟小嶺后滑坡在不同降雨情況下地下滲流場(chǎng)孔隙水壓力以及穩(wěn)定系數(shù)變化情況,揭示了滑坡體會(huì)隨著降雨量和時(shí)間的不斷增加而導(dǎo)致穩(wěn)定性開始逐漸下降。對(duì)特大暴雨工況重點(diǎn)分析得出,穩(wěn)定性系數(shù)小于1 且失穩(wěn)概率接近100%,極其容易發(fā)生滑坡。