廣東省福斗村后山邊坡變形破壞機理及穩(wěn)定性研究

［摘要］依托廣東省福斗村后山滑坡防治工程，綜合采用現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬方法研究邊坡的變形破壞機理。采用數(shù)值模擬分析降雨強度和降雨歷時對邊坡孔隙水壓力的影響。結(jié)果表明：（1）邊坡坡度介于35～40°，坡體的變形主要受控于降雨（降雨強度和降雨歷時），屬于典型的降雨型滑坡?；w主要的成分為殘積層砂質(zhì)黏土，厚度為2～5 m，滑體體積約9200 m3，為中等土質(zhì)滑坡；（2）由于雨水隨時間增大而逐漸消散，進而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨時間增大而先降后升；（3）在一定降雨時間內(nèi)，隨降雨持續(xù)時間的增加，雨停后邊坡的穩(wěn)定性越小，當(dāng)超過臨界值時，雨停后邊坡的穩(wěn)定性保持不變。

［關(guān)鍵詞］邊坡；穩(wěn)定系數(shù)；孔隙水壓力；數(shù)值模擬

滑坡是我國山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一?，F(xiàn)有研究普遍認(rèn)為，影響邊坡穩(wěn)定性常見有降雨、地震及水文條件等。其中降雨又是影響穩(wěn)定性最重要的因素之一[1]。王曉偉等[2]基于PLAXIS 2D數(shù)值計算研究了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，隨著降雨持續(xù)時間的增大，邊坡的最大位移隨增大，邊坡穩(wěn)定性大幅降低。劉坤等[3]基于Geostudio軟件分析了降雨作用下邊坡滲流場和穩(wěn)定性，邊坡的初始孔隙水壓力隨邊坡滲透系數(shù)異性的增大而減小，邊坡穩(wěn)定性隨年降雨量成反比。此外，土體的吸力摩擦角對邊坡穩(wěn)定性影響最大。任東興等[4]依托成都某黏性土基坑淺層邊坡研究了降雨過程對淺層邊坡的弱化機理，隨降雨持續(xù)時間的增大，邊坡塑性區(qū)不斷擴展，加固后邊坡滿足規(guī)范要求的安全性要求。夏怡等[5]針對山區(qū)高速公路棄土場邊坡穩(wěn)定性，采用數(shù)值計算模型研究了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，土體邊坡基質(zhì)吸力降低是邊坡失穩(wěn)的主要因素。隨降雨的進行，坡體內(nèi)的基質(zhì)吸力先增大后減小。鄒德玉[6]基于數(shù)值模擬研究了滲條件下土體水力特性對邊坡穩(wěn)定性的影響，雨水入滲深度隨邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的增大而增大。宋亞亞等[7]基于Geostudio研究了降雨入滲對非飽和土邊坡穩(wěn)定性影響，土體的飽和滲透系數(shù)是影響非飽和土滲透性的重要因素。邊坡的穩(wěn)定性隨降雨時間的增大而降低，土體的滲透性越好，邊坡越穩(wěn)定。鐘佩文等[8]基于數(shù)值模擬研究了降雨入滲對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，降雨入滲使土體的抗剪強度顯著降低，并進一步導(dǎo)致土體飽和區(qū)增大，局部剪切帶擴展并形成貫通連續(xù)面。

本文依托廣東省龍川縣福斗村后山滑坡防治工程，綜合采用現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬方法研究了邊坡的變形破壞特征，系統(tǒng)地分析了降雨強度及降雨歷時對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

研究區(qū)邊坡位于廣東省龍川縣福斗村后山，為典型的丘陵地貌。邊坡山體總體走向呈北東向，高度60 m，坡向為317°，坡度介于35～40°。根據(jù)鉆孔資料顯示，斜坡上部土體為殘積層砂質(zhì)黏土，黃褐色，呈可塑狀，土層厚9.8～20.0 m，下伏基巖為花崗巖。2022年，由于修建公路，在坡腳進行開挖切坡，形成的人工邊坡高度為8～12 m，坡度介于55～60°。2022年雨季期間，受強降雨的影響，調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)邊坡后緣出現(xiàn)拉裂縫，滑坡邊界出現(xiàn)大量剪切裂縫，嚴(yán)重威脅著坡腳居民人身安全及財產(chǎn)安全。

1.2 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料揭示，區(qū)內(nèi)巖土體根據(jù)工程地質(zhì)分類主要為第四系坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土、下伏中侏羅世（J3y）花崗巖基巖層。巖土體自上而下分別為：①坡積層粉質(zhì)黏土：黃褐色、褐紅色，稍稍，硬塑—堅硬。其成分以粉黏粒為主，局部含少量中粗砂；該土質(zhì)較均勻，切面稍粗糙，韌性及干強度中等。厚度3.40～4.60 m；②殘積層粉質(zhì)黏土：黃褐色、褐紅色，硬塑—堅硬。其成分以粉黏粒為主，局部含少量中粗砂；該土質(zhì)較均勻，切面稍粗糙，韌性及干強度中等，厚度5.20～16.70 m；③全風(fēng)化花崗巖：黃褐色、褐色，原巖結(jié)構(gòu)已完全破壞，巖芯呈土柱狀為主，局部巖芯呈土狀夾砂土狀；巖芯浸水軟化崩解，屬極軟巖。厚度2.50～3.80 m；④強風(fēng)化花崗巖：褐色、褐紅色，風(fēng)化強烈，巖體極破碎，巖芯呈碎塊狀為主，局部巖芯呈角礫狀、半巖半土狀。厚度2.50 m，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級（圖1）。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有季風(fēng)明顯，光照充足，雨量充沛的特點。新田鎮(zhèn)多年平均氣溫19 ℃。近12年（2010～2021年）年平均降雨量為1467.07 mm。年降雨量差異較大，分布不均，豐水年達2290.6 mm，枯水年為940.6 mm（圖2）；降雨主要集中在每年3月至9月，雨季降雨量占全年雨量的75%左右。

根據(jù)鉆探揭露顯示，研究區(qū)地下水為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水。第四系土層孔隙水地下水類型為上層滯水；下伏基巖孔隙裂隙水主要以潛水為主，水量豐富。地下水受大氣降水影響較大，并向東側(cè)的潭芬河及場地深部徑流排泄。

2 滑坡變形特征

2.1 滑坡基本特征

研究區(qū)斜坡上部巖土層主要為粉質(zhì)黏土、全（強）中風(fēng)化層為主。坡體巖土體完整性極差。根據(jù)現(xiàn)場測繪及變形分布，滑坡呈現(xiàn)典型的圈椅狀形態(tài)。后緣拉裂縫為弧形，裂縫寬度為5～15 cm，錯動深度為1050 cm。此外，坡腳位置出現(xiàn)5～20 cm鼓脹裂縫?，F(xiàn)場調(diào)查表明，主滑方向為NE 130°，滑體厚度為2～5 m，體積約9200 m3，屬于典型的中等土質(zhì)滑坡。

2.2 滑坡影響因素

研究區(qū)土體水理性質(zhì)敏感，強降水作用影響下，容易導(dǎo)致邊坡巖土體軟化，進而從而導(dǎo)致邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)驟減，經(jīng)雨水浸泡，穩(wěn)定性差極易再次誘發(fā)山體大面積滑坡或滑塌。具體導(dǎo)致研究區(qū)斜坡變形的要素主要有以下幾種：

①地形地貌：從地形地貌上看，斜坡體所在地形坡度一般較陡。為邊坡體發(fā)生崩塌位移提供了空間；②地質(zhì)條件：勘查區(qū)內(nèi)巖體破碎，節(jié)理裂隙極度發(fā)育，多數(shù)以散體狀為主，完整性極差，易導(dǎo)致邊坡變形破壞；③大氣降雨：雨季短時間內(nèi)的強降雨極易滲透進入邊坡巖土體中，土體飽和或減小顆粒之間的摩阻力。降雨是導(dǎo)致邊坡變形及破壞的決定性因素；④人類工程：坡腳開挖支護不當(dāng)，使得邊坡巖體失去受力平衡，導(dǎo)致該邊坡巖體發(fā)生滑動。

3 滑坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬

由于本文研究的邊坡屬于典型的降雨型滑坡，降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的決定性因素。本文采用Geostudio數(shù)值軟件進行建模計算，并進一步分析邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性。根據(jù)典型剖面建立計算模型（圖3）。為研究降雨過程中不同位置處孔隙水壓力的變化情況，模型設(shè)置了4個監(jiān)測點（A、B、C和D點）。其中A點位于坡頂，B點位于坡中，C點位于坡腳，D點位于B點以下1.5 m處。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。具體的計算工況見表2所示。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 孔隙水壓力規(guī)律

從圖4可看出降雨強度對坡體內(nèi)部孔隙水壓力的影響。不同位置處，隨降雨強度的增大，孔隙水壓力表現(xiàn)出先增大后不變的趨勢。對于A、B和C監(jiān)測點而言，在降雨時長小于10 h時，孔隙水壓力迅速增大，時間進一步增大，孔隙水壓力基本趨于穩(wěn)定。以監(jiān)測點A 為例，當(dāng)降雨強度為40 mm/d 時，最大孔隙水壓力為- 25 kPa；當(dāng)降雨強度為80 mm/d時，最大孔隙水壓力為-24 kPa；當(dāng)降雨強度為120 mm/d時，最大孔隙水壓力為-19 kPa。對于監(jiān)測點D而言，孔隙水壓力表現(xiàn)出與其他點不同的規(guī)律。具體表現(xiàn)出隨時間增大，孔隙水壓力先增大后減小的趨勢。在降雨強度分別為40 mm/d、80 mm/d和120 mm/d工況下，最大孔隙水壓力分別為-6 kPa、1.5 kPa和11.8 kPa。由此可見，地表處的孔隙水壓力變化規(guī)律與坡體內(nèi)部變化規(guī)律大不相同。這是由于隨著降雨時間的增大，當(dāng)坡表土體達到飽和時，雨水向下滲透，進而導(dǎo)致坡體內(nèi)部孔隙水壓力降低。

4.2 降雨歷時對坡體孔隙水壓力的影響

降雨時長對邊坡孔隙水壓力的影響如圖5所示。不同位置處的孔隙水壓力變化規(guī)律明顯不同。圖5（a）表明，隨時間增大，孔隙水壓力表現(xiàn)出先增后減最后保持穩(wěn)定的趨勢。此外，隨降雨時長由1 d增大至3 d的過程中，孔隙水壓力的最大值基本相同。但達到最大值的時刻有所差異，降雨時長越大，達到最大孔隙水壓力的值越晚。圖5（b）和圖5（c）為坡腳和坡中孔隙水壓力的變化規(guī)律，兩個位置處的孔隙水壓力表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，均表現(xiàn)出先迅速增大隨后保持穩(wěn)定的趨勢。圖5（d）為地表以下1.5 m處孔隙水壓力的變化趨勢。監(jiān)測點D 的孔隙水壓力變化趨勢與其他位置不同。不同降雨時長下的孔隙水壓力最大值分別為-14.5 kPa、-13.8 kPa和-13 kPa。

4.3 降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響

進一步強度折減法定量計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律（圖6）。邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出隨時間的增大而先減小后略微增大的趨勢。當(dāng)降雨強度分別為40 mm/h、80 mm/h和120 mm/h情況下。穩(wěn)定性系數(shù)分別降低了5.6%、8.0%和1.6%。由此可見，不同的降雨強度下，隨降雨時間的增大，巖土體飽和度增大，雨水排泄，土體基質(zhì)吸力增大，邊坡穩(wěn)定性提高。

邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時長規(guī)律如圖7所示。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。對于降雨時長為1 d工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本穩(wěn)定于1.12，當(dāng)降雨時長增大至2 d時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由最大的1.13降低至1.115，當(dāng)降雨時長增大至3 d時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.165降低至1.115。此外，在降雨的前12 h之前，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。此外，降雨時長對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)的最大值有所不同，對于雨時為2 d時，穩(wěn)定性系數(shù)最大值出現(xiàn)在20 h時刻，降雨時長為3 d時，穩(wěn)定性系數(shù)最大值出現(xiàn)在42 h時刻。

5 結(jié)論

本文采用GeoStudio建立數(shù)值模型，系統(tǒng)分析了雨強和雨時對邊坡穩(wěn)定性的影響，得出如下幾點結(jié)論：

（1）廣東省龍川縣福斗村后山滑坡屬于典型的降雨型滑坡，坡度介于35～40°，滑體體積約為9200 m3，屬于典型的中等大小的土質(zhì)滑坡。

（2）隨降雨強度的增大，坡腳、坡頂和坡中位置處孔隙水壓力表現(xiàn)出先增大后不變的趨勢。對于坡面1.5 m以下位置處，隨時間增大，孔隙水壓力先增大后減小的趨勢。由于降雨時間增大，土體達到飽和時，雨水向下滲透，進而導(dǎo)致坡體內(nèi)部孔隙水壓力降低。

（3）降雨時長對邊坡孔隙水壓力的影響顯著，但隨降雨時間的持續(xù)增大，巖土體達到飽和，雨水對邊坡孔隙水壓力的影響逐漸減弱。

（4）雨時對邊坡穩(wěn)定性影響存在著初期失穩(wěn)和雨停失穩(wěn)規(guī)律，即降雨時間短的邊坡，穩(wěn)定性最不利時刻為降雨初期，而降雨歷時較大的邊坡，雨停后的邊坡穩(wěn)定性需要尤為關(guān)注。

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