李 超，劉 策，關(guān)天冶

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

我國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，在近30年的迅猛發(fā)展中，也帶動(dòng)了工程基礎(chǔ)建設(shè)的步伐，但我國(guó)2/3的國(guó)土為山地，特別是西部地區(qū)受青藏高原隆起的影響，地形變化大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。因此在這一地區(qū)開(kāi)展大規(guī)模水電工程、公路工程等建設(shè)活動(dòng)，不免需要經(jīng)常地開(kāi)挖巖土體，形成大量的人工邊坡，可見(jiàn)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題事關(guān)工程建設(shè)和運(yùn)行期間的安全和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。山田剛二認(rèn)為[1- 4]：滑坡是以巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形和風(fēng)化狀態(tài)等為內(nèi)因，以降雨、融雪等氣象條件和挖方填土引起的應(yīng)力變化等為外因而綜合生成的極復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象。這一定義指出風(fēng)化作用及巖體巖性是引發(fā)滑坡的內(nèi)因之一，而降雨是引發(fā)滑坡的主要外在因素。因此本文通過(guò)考慮巖土體的非飽和作用來(lái)分析降雨入滲條件下石英片巖滲透特征，并在涉及到巖體強(qiáng)度的各向異性前提下分析邊坡穩(wěn)定性的滯后作用。

1 飽和-非飽和滲流理論

土的導(dǎo)水能力在飽和-非飽和條件下，可以通過(guò)滲透系數(shù)函數(shù)來(lái)直觀反映。飽和狀態(tài)下，顆粒間所有孔隙被水充填；而在非飽和狀態(tài)下，孔隙中包含部分空氣，氣體所占據(jù)的體積為滲流的非傳導(dǎo)通道，導(dǎo)致滲流路徑更加曲折，使整體滲透系數(shù)減小。因此可以斷定，含水量是滲透系數(shù)的主要影響因素之一。加拿大專家Fredlund通過(guò)測(cè)量和估算的體積含水量函數(shù)和飽和滲透系數(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)非飽和滲透系數(shù)函數(shù)[7- 10]。該方法控制方程如下：

(1)

式中，ks—測(cè)得的飽和滲透系數(shù)，m/s；kw—計(jì)算所得的非飽和滲透系數(shù)，m/s；θs—飽和體積含水量；e—自然對(duì)數(shù)的底2.71828；i—j到N之間的數(shù)值間距；y—代表負(fù)孔隙水壓力計(jì)算方法的虛擬變量；j—最終函數(shù)描述的最小負(fù)孔隙水壓力；N—最終函數(shù)描述的最大負(fù)孔隙水壓力；ψ—對(duì)應(yīng)第j步的負(fù)孔隙水壓力；θ′—方程起始值。

2 裂隙巖體飽和-非飽和滲流理論

事實(shí)上，Narasimhan就曾假定了裂隙中流動(dòng)溝槽均互相平行，并假設(shè)裂隙壁面接觸點(diǎn)引起的水流彎曲遠(yuǎn)小于氣泡水流彎曲，推導(dǎo)出單裂隙飽和度-毛管壓力關(guān)系如下[5]：

(2)

(3)

(4)

式中，S—單裂隙飽和度；bmax—裂隙最大開(kāi)度；b—裂隙開(kāi)度；f(b)—裂隙開(kāi)度分布函數(shù)。

周創(chuàng)兵[6]在研究裂隙巖體的非飽和滲流時(shí)假定裂隙開(kāi)度服從Ganna分布，并最終推導(dǎo)出節(jié)理飽和度-毛管壓力關(guān)系式如下：

(5)

(6)

f(x)=β2xe-βx

(7)

此時(shí)，ξ，s可分別表示如下：

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(8)

(9)

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(10)

(11)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，野外所測(cè)得的200余條結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)風(fēng)化石英片巖的裂隙寬度如下：

全風(fēng)化層：飽和滲透系數(shù)4.219m/s；裂隙寬度2～5mm。

強(qiáng)風(fēng)化層：飽和滲透系數(shù)1.086m/s；裂隙寬度0.5～5mm。

因研究區(qū)中風(fēng)化層及微風(fēng)化層滲透系數(shù)很小，且預(yù)計(jì)降雨入滲達(dá)不到中風(fēng)化層，因此在采用有限元分析計(jì)算時(shí)中風(fēng)化層和微風(fēng)化層采用飽水滲透系數(shù)，因此本文僅以全風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層為計(jì)算對(duì)象。通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算擬合，所獲取非飽和滲透系數(shù)函數(shù)和體積含水量函數(shù)如圖1所示。

圖1 滲透系數(shù)函數(shù)及體積含水量函數(shù)

3 巖塊直剪試驗(yàn)分析

片理面的存在是石英片巖地層力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度特征和破裂模式表現(xiàn)出明顯各向異性特征的根本原因，本文展開(kāi)了平行于片理面、斜交片理面和垂直于片里面方向的巖塊直剪試驗(yàn)，并為后續(xù)的各向異性巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力分析提供參數(shù)依據(jù)，通過(guò)室內(nèi)的直剪試驗(yàn)，獲取結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)的結(jié)果表明：巖體抗剪強(qiáng)度不僅與巖體所受法向應(yīng)力有關(guān)，而且與巖體含水量有關(guān)；飽和狀態(tài)下巖體的抗剪強(qiáng)度比天然狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度平均減小20%；與天然狀態(tài)相比，黏聚力c、內(nèi)摩擦角夠的變化也比較明顯，c平均下降71.4%這充分說(shuō)明在降雨條件下，尤其是大降雨發(fā)生時(shí)，巖體失穩(wěn)的可能性會(huì)大大增加，這也正是地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常在降雨后發(fā)生的主要原因。

4 滲流場(chǎng)有限元分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本文采取研究區(qū)風(fēng)化程度高，裂隙發(fā)育完全，較大坡高的坡段作為計(jì)算剖面，并在該基礎(chǔ)上分析在特定降雨條件下該高切坡的滲流場(chǎng)在降雨過(guò)程中的滲流趨向特點(diǎn)及考慮強(qiáng)度各向異性的穩(wěn)定性分析。

該所建立的剖面模型高程以坡角(高程620.2m)以下20m為模型底邊界，并設(shè)置模型底高程為0m，巖層從上到下為殘坡積土、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層、微風(fēng)化層，如圖2所示。

表1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果表

表2 計(jì)算參數(shù)表

圖2 計(jì)算剖面簡(jiǎn)化模型圖

4.1 計(jì)算參數(shù)的選取

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的滲水試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)、及巖體直剪試驗(yàn)等，確定了不同巖土層的滲透系數(shù)、強(qiáng)度各向異性情況，各種巖土層的基本物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。

4.2 初始條件和邊界條件的確定

在計(jì)算飽和-非飽和滲流的過(guò)程中，將切坡表面的邊界條件設(shè)置為單位流量邊界q=7.375mm/h，左右邊界設(shè)置為不透水邊界Q=0，本文采用當(dāng)?shù)貐^(qū)域歷史平均降雨強(qiáng)度7.4mm/h，降雨持續(xù)時(shí)間為6h，計(jì)算時(shí)間至64h剖面邊界條件如圖3所示。

圖3 剖面邊界條件設(shè)置圖

滲流場(chǎng)計(jì)算采用GEO-STUDIO的SEEP/W模塊，該模擬計(jì)算軟件基于有限元理論分析方法對(duì)巖土體滲流問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，可以得到飽和-非飽和的滲流數(shù)值計(jì)算結(jié)果，如圖4所示。

5 考慮各向異性邊坡穩(wěn)定性分析

研究區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用GEO-STUDIO中的SLOPE模塊，并考慮平行于片理方向和垂直于片理方向物理強(qiáng)度的各向異性，從而求得相對(duì)客觀的穩(wěn)定性系數(shù)，如圖5、6所示。

圖4 剖面邊界條件設(shè)置圖

圖5 不同歷時(shí)邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面

圖6 降雨條件下穩(wěn)定性系數(shù)曲線

主要內(nèi)容和結(jié)論如下：

(1)通過(guò)計(jì)算可得出降雨引起的入滲導(dǎo)致巖土體含水量增加，孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力下降，加大了巖土體的容重，并導(dǎo)致了巖土體抗剪強(qiáng)度的降低。而在降雨過(guò)程中坡肩表層的殘坡積土孔隙水壓力變化最為顯著，全風(fēng)化次之，強(qiáng)風(fēng)化層孔隙水壓力變化較小。在降雨初期殘坡積層最先形成暫態(tài)飽和區(qū)，在降雨6h停止后，暫態(tài)飽和區(qū)不斷下移，并在殘坡積土層形成了孔空隙水壓力區(qū)，隨著雨后坡內(nèi)滲流的繼續(xù)進(jìn)行，高孔隙水壓力區(qū)由降雨6h時(shí)的大范圍連接區(qū)域變成數(shù)塊分割斷裂的小區(qū)域，并所屬高孔隙水壓力區(qū)不斷下移到強(qiáng)風(fēng)化層。

(2)在考慮到風(fēng)化石英片巖物理強(qiáng)度的各向異性情況下，運(yùn)用Geostudio有限元軟件的SLOPE模塊設(shè)置該高切坡各向異性物理參數(shù)，分析在降雨過(guò)程中其穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)計(jì)算顯示，由于在降雨停止后坡內(nèi)滲流繼續(xù)進(jìn)行，因此在邊坡的穩(wěn)定性分析上反映出了穩(wěn)定性系數(shù)的滯后性，在降雨6h停止后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)持續(xù)降低，在大約14h時(shí)降為最低1.107，并在后期有所回升，到計(jì)算的62h時(shí)回升到1.172，由此也反映出了坡體滲流的排干作用。并且通過(guò)與剛體極限平衡方法綜合分析邊坡的穩(wěn)定性可分析出該高切坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性良好，在該特定降雨條件下歷時(shí)降雨2h時(shí)邊坡穩(wěn)定性尚且滿足安全要求，2h以后邊坡穩(wěn)定性在安全儲(chǔ)備上稍顯不足。