降雨條件下高邊坡安全評價與變形預(yù)警機制研究

王恒亮，渠根啟，黃亦佳，潘 童，萬愉快

（1、南京市江寧區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 南京 211134；2、南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司徐州分公司江蘇徐州 221000；3、河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210024；4、江蘇省建筑工程集團第一工程有限公司江蘇揚州 225008；5、寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 銀川 750021）

0 引言

降雨沿表面土體入滲或形成的坡面流沿地表裂縫進入坡體內(nèi)部，會導(dǎo)致巖土體的抗剪強度降低，極易誘發(fā)邊坡滑坡災(zāi)害，危害人民的生命財產(chǎn)安全。在大規(guī)模公路工程建設(shè)中，有效評估公路高邊坡穩(wěn)定性，對保障人民生命財產(chǎn)及工程安全和優(yōu)化工程建設(shè)的投資及運營效益具有重要意義，同時也是發(fā)揮安全監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警的核心工作。

邊坡穩(wěn)定性演化是一個復(fù)雜、動態(tài)的非線性耗散過程，是由內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力和人為因素共同作用的結(jié)果，這個過程十分復(fù)雜，且具有不確定性。為了對邊坡變形演化行為做出準確判斷，就需要建立具有一定適用性的滑坡預(yù)警判據(jù)。李秀珍等人［1］分析比較了各種不同的滑坡判據(jù)，提出了以監(jiān)測資料為依據(jù)，將理論模型預(yù)報、根據(jù)預(yù)報判據(jù)預(yù)報以及斜坡的宏觀變形破壞跡象和前兆信息等幾者有機地結(jié)合起來的綜合信息預(yù)報方法；劉造保等人［2］結(jié)合巖石實驗及邊坡安全監(jiān)測的具體情況，制定邊坡進入加速變形-破壞階段的綜合預(yù)警判據(jù)；張振華等人［3］提出了基于設(shè)計安全系數(shù)和破壞模式的邊坡開挖過程中動態(tài)變形監(jiān)測預(yù)警指標的研究思路和方法。降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素之一，許多學(xué)者將降雨因素的影響考慮進滑坡預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中。王俊等人［4］基于無限邊坡算法開展降雨型滑坡的預(yù)警系統(tǒng)研究；黃曉虎等人［5］以日降雨量、日位移速率建立臨災(zāi)預(yù)警線，進而設(shè)計遞進式滑坡臨災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。降雨工況、尤其是降雨工況下的邊坡破壞具有短時程的特點，此時滑坡臨界速率難以確認且普遍存在位移突變現(xiàn)象。楊帆等人［6］針對滑坡監(jiān)測位移-時間曲線特點，提出基于時間序列的人工蜂群算法與支持向量回歸機相結(jié)合的滑坡位移預(yù)測方法；譚萬鵬等人［7］通過分析關(guān)鍵點位移監(jiān)測數(shù)據(jù)以及數(shù)值軟件，分析不同安全系數(shù)對應(yīng)的滑坡位移趨勢曲線進行滑坡預(yù)報。本文運用數(shù)值方法開展降雨工況下的高邊坡穩(wěn)定性評價，建立降雨條件下高邊坡變形預(yù)警機制。

1 邊坡穩(wěn)定性評價

1.1 邊坡參數(shù)與數(shù)值建模

某公路高邊坡段坡長425 m，為五級邊坡，最大高約50.3 m。每級坡高10 m，設(shè)計坡比1∶0.5～1∶1.25。坡表分布殘積含碎石粉質(zhì)粘土，褐黃色硬塑狀約含10%輝綠巖碎石，表層含少量植物根系，屬普通土；全風(fēng)化輝綠巖呈灰褐色，原結(jié)構(gòu)已破壞，呈砂土狀，風(fēng)化中夾球形孤石，屬硬土；強風(fēng)化輝綠巖，深灰色，結(jié)晶較好，差異風(fēng)化明顯，屬軟巖；中風(fēng)化輝綠巖，花崗斑巖脈穿插，深灰色，結(jié)晶較好，巖質(zhì)堅硬，屬次堅石?，F(xiàn)場調(diào)查時，該段處于爆破開挖施工中，從現(xiàn)場情況可以看出坡頂有較厚的碎石粉質(zhì)土，巖石破碎度高，不利于邊坡安全。粘聚力c取122.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ取22.4°。

對該邊坡正常工況下穩(wěn)定性進行評價，運用數(shù)值分析-強度折減法進行安全系數(shù)計算。數(shù)值分析-強度折減法基于有限差分法，基于抗剪強度折減法理論進行邊坡穩(wěn)定性分析，逐步降低或增加材料的抗剪強度，使邊坡達到極限平衡狀態(tài)［10-13］。安全系數(shù)定義如下：

式中：Fs為折減系數(shù)，通過不斷增加或減小折減系數(shù)，反復(fù)計算，直至邊坡達到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。單次安全系數(shù)的計算過程主要采用“數(shù)值計算的不收斂性”判據(jù)。首先，通過給粘結(jié)力設(shè)定一個大值來改變內(nèi)部應(yīng)力，以找到體系達到力平衡的典型時步Nr；接著，對于給定的折減系數(shù)Fs，執(zhí)行Nr時步，如果體系不平衡力與典型內(nèi)力比率R＜10-3，則認為體系達到了力平衡。如果不平衡力比率大于10-3，那么再執(zhí)行Nr時步，直至R＜10-3后退出當前計算，開始新一輪折減計算過程。為了控制整個強度折減法循環(huán)計算過程的求解時間，只要滿足上述3 個標準中的任何1個，便退出計算。

采用式⑶進行邊坡所在區(qū)域的降雨強度預(yù)測，計算確定不同降雨重現(xiàn)期下不同持續(xù)時間的總降雨量，如表1所示。

表1 不同降雨重現(xiàn)期下的降雨量Tab.1 Rainfall under Different Rainfall Return Periods（mm）

其中：i為降雨強度（mm/min）；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時（min）。對邊坡斷面進行數(shù)值建模（見圖1），降雨工況數(shù)值計算的模型參數(shù)取值如表2所示。

圖1 邊坡斷面模型Fig.1 Model of the Original Section

表2 邊坡降雨工況數(shù)值建模參數(shù)Tab.2 Numerical Modeling Parameters for Slope Rainfall Conditions

1.2 降雨工況下邊坡安全系數(shù)影響規(guī)律分析

降雨工況下邊坡安全系數(shù)隨降雨時間的變化曲線如圖2 所示，邊坡安全系數(shù)隨著降雨持續(xù)時間的增加而降低，降雨持續(xù)時間較短（如1 h）對邊坡安全性影響較小，降雨持續(xù)時間較長（如24 h）對邊坡安全性影響顯著。此外，邊坡安全系數(shù)隨著降雨重現(xiàn)期（即降雨強度）的增加而顯著降低。

圖2 邊坡在不同降雨條件下的安全系數(shù)隨時間變化Fig.2 Safety Factor of Slopes under Different Rainfall Conditions Varies over Time

2 降雨工況下高邊坡滑坡災(zāi)害預(yù)警機制

2.1 邊坡變形穩(wěn)定狀態(tài)判別方法

運用有限差分數(shù)值方法進行數(shù)值建模，高邊坡最大斷面數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分和實際坡面表面變形監(jiān)測點位置如圖3 所示。在進行數(shù)值模擬時，將邊坡模型擬定為摩爾-庫侖本構(gòu)模型。將邊坡模型的邊界設(shè)定為底部與左右兩側(cè)約束，上部自由，即確定邊坡左右邊界沿水平方向的位移為0，下邊界沿豎直方向的位移為0。

圖3 監(jiān)測邊坡數(shù)值計算模型和監(jiān)測點位置Fig.3 Numerical Calculation Model for Monitoring Slope and Location of Monitoring Points

《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范：JTG/T 3334—2018》［8］給出了邊坡穩(wěn)定系數(shù)要求，對于高速公路確定正常工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30，非正常的降雨工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20。

開挖路塹邊坡監(jiān)測預(yù)警指標確定步驟（見圖4）：

圖4 路塹邊坡監(jiān)測變形預(yù)警值確定流程Fig.4 Process for Determining Deformation Warning Values of Road Cutting Slope Monitoring

⑴針對邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和所受荷載特點，建立邊坡的精細化有限元數(shù)值計算模型；

⑵以現(xiàn)場測試、室內(nèi)實驗等手段綜合獲得的邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)步驟⑴建立邊坡的數(shù)值計算模型，采用位移反分析方法，反演邊坡各層巖土體的變形模量；

⑶根據(jù)邊坡的地質(zhì)特征，對其在不同工況下可能的變形破壞模式進行分析，利用極限平衡法確定邊坡的最危險滑動面；

⑷采用強度折減法分析邊坡在不同工況下巖土體粘聚力逐漸弱化過程中的位移變化規(guī)律，通過規(guī)范［8］要求尋找邊坡在不同工況下的位移變化階段；

⑸建立邊坡的監(jiān)測點水平位移量與安全系數(shù)的關(guān)系曲線圖，根據(jù)關(guān)系曲線上斜率變化較大的數(shù)值點和規(guī)范［8］確定的數(shù)值點確定各階段的預(yù)警起點；

⑹根據(jù)不同工況設(shè)立不同的預(yù)警指標，通過預(yù)警指標對邊坡的安全狀態(tài)進行判別和預(yù)警。

2.2 正常工況下邊坡變形判別

利用數(shù)值方法計算不同粘聚力下對應(yīng)的安全系數(shù)和監(jiān)測點的位移值，并通過多項式擬合的方法整理出正常工況下各測點水平向位移變化與安全系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 高邊坡各監(jiān)測點水平位移與安全系數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between Horizontal Displacement and Safety Factor of Monitoring Points on High Slopes

求得各測點在正常工況下水平位移與安全系數(shù)變化的關(guān)系曲線上斜率變化較大的關(guān)鍵點，并根據(jù)曲線的趨勢確定影響各曲線變化趨勢最大的那個關(guān)鍵點對應(yīng)的水平位移量（見圖5 中的點B′）為紅色預(yù)警起點，邊坡斷面監(jiān)測點的變形突變的位移值如表3 所示。確定安全系數(shù)1.20 對應(yīng)的數(shù)值點（見圖5 中的點A）為橙色預(yù)警起點，確定安全系數(shù)1.0 對應(yīng)的數(shù)值點（見圖5中的點C）為失穩(wěn)點。

表3 高邊坡各監(jiān)測點變形突變處B'點位移與安全系數(shù)Tab.3 Displacement and Safety Factor of Point B' at the Deformation Mutation Point of Each Monitoring Point on the High Slope

位移突變對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如表3 所示，可以發(fā)現(xiàn)斷面監(jiān)測變形突變的安全系數(shù)非常接近1.05，這與文獻［8］和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013》［9］里給出的邊坡穩(wěn)定性評價標準中的基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定狀態(tài)界限安全系數(shù)基本吻合，因此可以統(tǒng)一采用安全系數(shù)為1.05 時的變形值，作為不同狀態(tài)的界限值，即圖5中的點B，相應(yīng)等級預(yù)警指標如表4所示。

表4 正常工況下高邊坡各監(jiān)測點變形預(yù)警值Tab.4 Deformation Warning Values of Monitoring Points on High Slopes under Normal Working Conditions

2.3 降雨工況下邊坡變形判別

與正常工況下一致，按照每種巖土體同步長等比例下降原則，對開挖擾動各巖土層的粘聚力按比例折減。考慮降雨因素計算不同粘聚力下對應(yīng)的安全系數(shù)和監(jiān)測點的位移值，并通過多項式擬合的方法整理出正常工況下各測點水平向位移變化與安全系數(shù)的關(guān)系曲線（見圖6）。降雨工況下，邊坡在安全系數(shù)1.15 對應(yīng)下發(fā)生上層破壞，中部的監(jiān)測點位移變化較小，故在降雨工況下只考慮上部1號監(jiān)測點。

圖6 降雨工況下高邊坡監(jiān)測點水平位移與安全系數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between horizontal Displacement and Safety Factor of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

求得各測點在正常工況下水平位移與安全系數(shù)變化的關(guān)系曲線上斜率變化較大的關(guān)鍵點，并根據(jù)曲線的趨勢確定影響各曲線變化趨勢最大的那個關(guān)鍵點對應(yīng)的水平位移量（見圖6 中點B′）為紅色預(yù)警起點，邊坡斷面監(jiān)測點的變形突變的位移值如表5所示。確定安全系數(shù)1.10對應(yīng)的數(shù)值點（見圖6中點A）為橙色預(yù)警起點，確定安全系數(shù)接近1.0對應(yīng)的數(shù)值點（見圖6中點C）為失穩(wěn)點。

表5 降雨工況下高邊坡各監(jiān)測點變形突變處B′點位移與安全系數(shù)Tab.5 Displacement and Safety Factor of Point B′ at Deformation Abrupt Changes of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

位移突變對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如表5 所示，可以發(fā)現(xiàn)斷面監(jiān)測變形突變的安全系數(shù)非常接近1.05，這與文獻［8］和文獻［9］里給出的邊坡穩(wěn)定性評價標準中給出的基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定狀態(tài)界限安全系數(shù)基本吻合，因此可以統(tǒng)一采用安全系數(shù)為1.05 時變形值作為不同狀態(tài)的界限值，即圖6 中的點B，相應(yīng)的不同等級預(yù)警指標如表6所示。

表6 降雨工況下高邊坡各監(jiān)測點變形預(yù)警值Tab.6 Deformation Warning Values of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

2.4 邊坡變形破壞預(yù)警等級及指標

由表4 確定正常工況下邊坡安全系數(shù)1.20～1.30為黃色預(yù)警階段、確定正常工況下邊坡安全系數(shù)1.05～1.20為橙色預(yù)警階段、確定正常工況下邊坡安全系數(shù)1.00～1.05 為紅色預(yù)警階段。監(jiān)測點位移閾值如表7所示。

表7 高邊坡各監(jiān)測點長期變形預(yù)警的位移閾值Tab.7 Displacement Threshold for Long-term Deformation Warning at Various Monitoring Points on High Slopes（mm/d）

由表6 確定降雨工況下邊坡安全系數(shù)，1.10～1.15為黃色預(yù)警階段、邊坡安全系數(shù)1.05～1.15 為橙色預(yù)警階段、邊坡安全系數(shù)1.00～1.05 為紅色預(yù)警階段，監(jiān)測點位移閾值如表8所示。由于降雨作用下邊坡破壞主要是上部局部破壞，斷面邊坡頂部1 號監(jiān)測點產(chǎn)生位移較大，邊坡下部2 號監(jiān)測點不在局部破壞范圍以內(nèi)，產(chǎn)生位移較小。因此降雨條件下邊坡短期預(yù)警主要針對易發(fā)生局部破壞的坡頂部進行及時預(yù)警。

表8 降雨工況下高邊坡各監(jiān)測點短期變形預(yù)警的位移閾值Tab.8 Displacement Threshold for Short-term Deformation Warning of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions （mm/h）

3 結(jié)論

⑴邊坡穩(wěn)定性隨著降雨重現(xiàn)期（即降雨強度）的增加而顯著降低，同時隨著降雨持續(xù)時間逐漸降低。當降雨持續(xù)時間較長（如24 h）時，所選坡在降雨初期中前6 h 安全系數(shù)變化較小，隨后顯著降低。建議在邊坡安全監(jiān)測和預(yù)警時，有必要重視6 h 以上的長時間降雨情況；

⑵采用邊坡變形數(shù)值分析建立強度折減系數(shù)與各監(jiān)測點發(fā)生位移的關(guān)系，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分方法可以確定各監(jiān)測點在不同安全等級下的長期變形預(yù)警指標，結(jié)合依托工程邊坡分析結(jié)果建議取值為：黃色預(yù)警位移閾值1 mm/d、橙色預(yù)警位移閾值2～3 mm/d、紅色預(yù)警位移閾值4～5 mm/d；

⑶針對降雨工況，采用降雨作用下邊坡變形穩(wěn)定性數(shù)值分析方法可以建立強度折減系數(shù)與各監(jiān)測點發(fā)生位移的關(guān)系，由于降雨作用極易引起局部破壞變形，需要及時重視局部位置的變形發(fā)生，可只對發(fā)生局部變形破壞的坡頂處進行預(yù)警?？紤]降雨滑坡短時發(fā)生特點，提出了降雨邊坡短期變形預(yù)警指標，建議取值為：黃色預(yù)警位移閾值1～2 mm/h、橙色預(yù)警位移閾值3～4 mm/h、紅色預(yù)警位移閾值5～10 mm/h。