楊 堅

(肇慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，廣東 肇慶526020)

本文基于飽和-非飽和土滲流控制理論，Geostudio軟件中SLOPE/W、SEEP/W和SIGMA/W模塊相耦合，對湖南湘西地區(qū)某高速公路蠕滑邊坡進(jìn)行降雨入滲條件下邊坡的飽和-非飽和穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)滲流場與應(yīng)力場的耦合分析，從孔隙水壓力、安全系數(shù)、位移時程等角度綜合分析降雨強(qiáng)度、降雨持時、雨型等不同降雨特性對蠕滑邊坡的變形破壞影響。

1 某蠕滑邊坡概況

所選蠕滑邊坡地處湖南湘西武陵山區(qū)，原始地貌單元屬構(gòu)造剝蝕山體，山間沖溝相間，地形起伏較大，邊坡高程介于340～380 m，為殘坡積堆積體形成的山前坡積裙。高程380 m以上為山體，自然坡度約45°，坡腳邊坡坡度25°～35°，坡積裙前緣為相對較開闊的山前沖洪積平原。

根據(jù)鉆孔資料，邊坡體由第四系全新統(tǒng)殘坡積堆積體和志留系中統(tǒng)青灰色強(qiáng)、中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖組成。上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積堆積體組成物質(zhì)以坡殘積粉質(zhì)黏土為主，偶夾碎石，呈可塑～硬塑狀態(tài)，無搖振反應(yīng)，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，含少量礫石，厚7～9 m。下伏志留系中統(tǒng)炭質(zhì)頁巖巖層產(chǎn)狀40°～45°，巖層傾向與坡向平行，為順向坡。分為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖和中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖。地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水(潛水)和基巖裂隙水(潛水)，其中孔隙水賦存于第四系松散覆蓋層中，孔隙水穩(wěn)定埋深為1.60～4.70 m。巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查該邊坡處于蠕滑狀態(tài)，蠕滑方向基本垂直路基，后緣已產(chǎn)生十幾米長的拉裂縫，沿坡體也出現(xiàn)數(shù)條拉裂縫，但該邊坡尚未整體性滑動。目前，該邊坡正前方為在建高速公路，一旦發(fā)生整體性失穩(wěn)，將嚴(yán)重影響高速公路正常施工和現(xiàn)場施工人員的生命安全。

根據(jù)地形等高線和推測的滑動面位置，可獲得該邊坡主滑方向的剖面(見圖1)。從現(xiàn)有變形情況看，在強(qiáng)降雨情況下，坡體前部必然出現(xiàn)更大變形，牽引后部坡體產(chǎn)生階梯滑移，從而導(dǎo)致整個坡體失穩(wěn)。

2 飽和-非飽和土滲流理論與穩(wěn)定性分析方法

由于上覆堆積體主要成分為粉質(zhì)黏土夾碎石，地下水位處于坡面下2～4 m處，地下水埋深較淺，非飽和土和飽和土中地下水的運動是相互聯(lián)系的，可按飽和-非飽和土滲流問題分析強(qiáng)降雨條件下該邊坡體的孔隙水壓力響應(yīng)規(guī)律及其穩(wěn)定性。

2.1 飽和-非飽和滲流控制方程

2.1.1 土-水特征曲線

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，選擇飽和體積含水量為45%的粉質(zhì)黏土的樣本函數(shù)作為估算單位體積含水量函數(shù)即土-水特征曲線(見圖2)。

2.1.2 飽和-非飽和滲流控制方程

可根據(jù)達(dá)西定律與質(zhì)量守恒定律(連續(xù)性方程)推導(dǎo)出飽和-非飽和土中水滲流的控制方程:

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡剖面

圖2 粉質(zhì)黏土土-水特征曲線

非恒定流有限元方程為:

式中，[K]為單元特征矩陣；[M]為單元質(zhì)量矩陣；｛Q｝為節(jié)點流量向量。

求解的邊界條件如下:

式中，H為已知水頭邊界；Q2為流量邊界。

初始條件為:

本文選用滲透系數(shù)預(yù)測模型作為粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)預(yù)測模型，其控制方程為:

式中，kw與ks分別為計算的滲透系數(shù)函數(shù)和已測的飽和滲透系數(shù)(m/s)；θ為體積含水量；e=2.718；y為虛擬積分變量，是負(fù)孔壓的函數(shù)；i=j～N，介于最小、最大負(fù)孔壓力；ψ對應(yīng)的基質(zhì)吸力插值；θ’為體積含水量的一階導(dǎo)數(shù)。

根據(jù)滲透試驗結(jié)果，選取粉質(zhì)黏土飽和滲透系數(shù)為5.7×10-6c m/s(0.005 m/d)，預(yù)測滲透系數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 滲透系數(shù)預(yù)測曲線

2.2 飽和-非飽和抗剪強(qiáng)度理論

Fredlund等[1]在庫倫飽和土抗剪強(qiáng)度公式基礎(chǔ)上，提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，如式(7)所示。

式中，τf為抗剪強(qiáng)度；c’為有效黏聚力；σ為正應(yīng)力；φ’為有效內(nèi)摩擦角；uw為孔隙水壓力；ua為孔隙氣壓力，實際工程中可取孔隙氣壓力為大氣壓力，即ua=0；φb為基質(zhì)吸力增加引起抗剪強(qiáng)度增加的曲線的傾角。

2.3 穩(wěn)定性分析法

基于巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)和滲流計算結(jié)果可進(jìn)行極限平衡法或有限元強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性計算。本文中使用瑞典條分法Morgenstern-Price法，既考慮了力平衡，又考慮了力矩平衡；在建立極限平衡方程時，同時考慮土條間的法向力和切向力，建立反映二者關(guān)系的條間力函數(shù)X=Eλf(x)。該方法適用于計算包括圓弧滑裂面在內(nèi)的任意滑裂面。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

根據(jù)該邊坡地質(zhì)勘察報告。利用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊建立有限元模型，采用四邊形&三角形單元劃分網(wǎng)格，模型中共設(shè)3個監(jiān)測點，其中節(jié)點92位于邊坡后緣，節(jié)點1114位于中部，節(jié)點1963位于前緣。離散后的模型、監(jiān)測點及地下水位如圖4所示。

圖4 模型建立與網(wǎng)格劃分

1)邊界條件 滲流邊界:計算模型左、右兩側(cè)與底邊為不透水邊界，滲流量為0；坡面為流量邊界，流量大小為降雨強(qiáng)度，根據(jù)相應(yīng)的工況設(shè)置。應(yīng)力邊界:計算模型左右邊界為豎直方向自由，水平方向固定；底邊水平和豎直方向均固定。

2)工況設(shè)計 根據(jù)中國氣象局24 h降雨強(qiáng)度，結(jié)合湘西地區(qū)的降雨資料，按中雨(20mm/d)、大雨(40mm/d)、暴雨(80mm/d)和大暴雨(160mm/d)，設(shè)計4種降雨工況對該邊坡進(jìn)行數(shù)值分析。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 穩(wěn)定降雨強(qiáng)度下滲流場

工況I:降雨強(qiáng)度為160mm/d(大暴雨)，持時1，3，5，7 d。由孔隙水壓力云圖及滲流矢量圖可知，隨著強(qiáng)降雨進(jìn)行，該邊坡地下水位線逐漸上升，孔隙水壓力逐漸增加，坡體非飽和區(qū)逐漸縮小，隨著降雨持時的增加，局部達(dá)到飽和狀態(tài)。

各監(jiān)測點在降雨過程中，孔隙水壓力隨著降雨持時的增加而增加。位于前緣的監(jiān)測點1963，在約4.3 d時孔隙水壓力從負(fù)值增加到0，說明此時前緣地下水位線已經(jīng)抬升到該監(jiān)測點，隨著降雨的持續(xù)，該點的孔隙水壓力也繼續(xù)增大。位于中部的監(jiān)測點1114，孔隙水壓力在3.0～3.6 d期間急劇增加，說明此間地下水位急劇上升，在約3.2 d時從負(fù)值增加到0，在約3.6 d后孔隙水壓力隨著持時的增加而緩慢增加。位于后緣的監(jiān)測點92，孔隙水壓力在0～0.5 d期間急劇增加，說明這期間地下水位急劇上升，約0.2 d時從負(fù)值增加到0，0.5 d以后隨著降雨的持續(xù)而逐漸達(dá)到最大值，此時邊坡該點處已達(dá)到飽和狀態(tài)。從整體來看，孔隙水壓力先快速增加后逐漸變緩(見圖5)，說明在邊坡處于非飽和狀態(tài)時，入滲速率較快，接近飽和時，雨水的入滲變得困難，這是由于滲透系數(shù)隨著含水量的增加而逐漸減小的原因。

圖5 監(jiān)測點孔隙水壓力曲線

3.2.2 不同降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力與變形響應(yīng)

工況I I分別模擬降雨強(qiáng)度20mm/d持時8 d(中雨)、160mm/d持時1 d(大暴雨)的降雨過程。

從圖6可知，當(dāng)降雨總量為160mm時，3個監(jiān)測點的孔隙水壓力在不同降雨條件下的變化趨勢基本一致。以監(jiān)測點1963為例，持時1 d，降雨強(qiáng)度為160mm/d的孔隙水壓力增長約2 kPa，增長速率大于降雨強(qiáng)度為20mm/d的孔隙水壓力增長速率，最大孔隙水壓力約-7 kPa。但降雨強(qiáng)度為20mm/d的孔隙水壓力在隨后的幾天內(nèi)持續(xù)增長，到第8 d時，孔隙水壓力增大到約3.5 kPa，由負(fù)值變?yōu)檎?，說明地下水位從該點以下上漲到該點以上。由此可以看出，低強(qiáng)度、長持時降雨，雨水能夠充分滲入地下，使地下水位抬升較高，孔隙水壓力增加的較多。由此可知，在降雨量相同的情況下，低強(qiáng)度、長持時降雨比高強(qiáng)度、短持時降雨對邊坡的孔隙水壓力影響更大。

圖6 監(jiān)測點1963的孔隙水壓力曲線

3.2.3 瞬變降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力與變形響應(yīng)

工況III為降雨強(qiáng)度隨時間周期性變化，即降雨從0.3 d開始，強(qiáng)度隨時間瞬時變化，到0.45 d增加到最大值600mm/d，每日降雨量可達(dá)160mm，相當(dāng)于大暴雨，之后到0.65 d再減小至0，連續(xù)7 d。

從圖7可知，位于邊坡中部的監(jiān)測點1114處的孔隙水壓力起初為負(fù)值，在降雨強(qiáng)度瞬時變化的前4 d，孔隙水壓力持續(xù)增加，并于約第4.4d增加至0，說明地下水位隨著降雨的入滲持續(xù)上升到達(dá)該監(jiān)測點；之后孔隙水壓力隨著每天瞬時降雨強(qiáng)度的增大而急劇增加，之后隨著降雨的結(jié)束而逐漸減小，直到下一天降雨的來臨，其變化稍滯后于降雨時間，孔隙水壓力總體上是增加的，說明滲流量小于降雨強(qiáng)度。監(jiān)測點92由于位于地下水位附近，當(dāng)?shù)叵滤怀^該點埋深并到達(dá)地表時，該點的孔隙水壓力隨降雨的變化而周期性變化，變化稍滯后于降雨時間，說明此處邊坡已達(dá)到飽和狀態(tài)。由于雨水向下滲流，監(jiān)測點1963的孔隙水壓力隨著降雨的變化持續(xù)增加。

圖7 監(jiān)測點孔隙水壓力變化曲線

由圖8可知，該邊坡的位移隨著降雨的周期性變化而增加，邊坡前端位移最大，可達(dá)33mm，向邊坡上部位移逐漸變小，邊坡前緣牽引中后部向下位移，由此可知，此邊坡隨著降雨的入滲將發(fā)生牽引式滑坡。

圖8 降雨后邊坡位移等值線與矢量圖

3.2.4 強(qiáng)降雨后孔隙水壓力響應(yīng)

工況I V為降雨強(qiáng)度160mm/d持時1 d，分析降雨后15 d內(nèi)的孔隙水壓力響應(yīng)與穩(wěn)定性。

圖9顯示了降雨1 d后15 d監(jiān)測點孔隙水壓力變化，從中可以看出降雨強(qiáng)度為160mm/d持時1 d停止后，監(jiān)測點1114和1963孔隙水壓力隨著雨水的入滲仍舊緩慢增加，直到最大值；而監(jiān)測點92位于邊坡最上部，雨水從上向下滲流，孔隙水壓力隨著降雨的結(jié)束開始減小。降雨過程中，邊坡安全系數(shù)快速降低，降雨結(jié)束后，隨著雨水的入滲安全系數(shù)繼續(xù)降低，但降低的幅度變緩，逐漸趨于穩(wěn)定。因此，降雨結(jié)束后一段時間內(nèi)，邊坡的孔隙水壓力隨著降雨的入滲繼續(xù)增加直至穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)則隨之降低到穩(wěn)定值；這說明降雨效應(yīng)具有一定的滯后性，滑坡往往也發(fā)生在強(qiáng)降雨結(jié)束之后。

圖9 監(jiān)測點孔隙水壓力變化曲線

4 結(jié)語

通過對湘西典型堆積層蠕滑邊坡進(jìn)行調(diào)查研究，分析降雨作用下蠕滑邊坡的滲流場與位移場的變化，主要表現(xiàn)在孔隙水壓力與邊坡位移的變化。

1)降雨強(qiáng)度不變時，隨著降雨持時的增加，邊坡孔隙水壓力增加。降雨量不變時，低強(qiáng)度、長持時降雨比高強(qiáng)度、短持時降雨對堆積層邊坡的影響大，更不利于邊坡的穩(wěn)定。

2)降雨強(qiáng)度隨時間瞬時變化時，邊坡孔隙水壓力隨降雨強(qiáng)度的變化而變化，總體呈上升趨勢，從非飽和狀態(tài)逐漸變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的變化呈階梯性降低。

3)降雨結(jié)束后一段時間內(nèi)，邊坡的孔隙水壓力隨著降雨的入滲繼續(xù)增加直至穩(wěn)定狀態(tài)。這說明降雨效應(yīng)具有一定的滯后性，往往滑坡也就發(fā)生在低強(qiáng)度、長持時降雨后期或結(jié)束之后，或強(qiáng)降雨結(jié)束之后。

4)降雨作用下該類蠕滑邊坡前緣位移大于中后部位移，往往發(fā)生牽引式滑坡。