李全文，常金源，，徐文剛，楊 成

(1.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012；3.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

降雨型滑坡的特點(diǎn)與降雨過程聯(lián)系密切，而降雨過程中雨水的入滲和在坡體中的滲流是決定滑坡穩(wěn)定性的主要因素。對(duì)于降雨敏感的滑坡，水在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中具有關(guān)鍵性的作用。水會(huì)使得組成邊坡的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)弱化。這種弱化現(xiàn)象由兩部分組成，一是改變巖土體的力學(xué)性質(zhì)，如c、φ值的降低，二是改變了巖土體的力學(xué)狀態(tài)，如孔隙水壓力(u)的增高降低了有效應(yīng)力(σ′)的水平。

對(duì)于均質(zhì)完整的土質(zhì)斜坡，雨水入滲和坡體內(nèi)滲流均通過斜坡表面的非飽和、飽和滲流完成。如果由于土質(zhì)斜坡的不均勻變形，在坡表出現(xiàn)了拉張裂縫，因?yàn)榱芽p可以看作比組成坡體的土體滲透系數(shù)大很多倍的“物質(zhì)”[1]，則雨水入滲會(huì)優(yōu)先沿著這些后天生成的裂縫形成集中的滲流，這些裂縫成為了優(yōu)勢(shì)入滲通道。此時(shí)降雨入滲將表現(xiàn)出裂隙流和表面滲流的雙重特點(diǎn)。

我國(guó)東南沿海丘陵地區(qū)，坡體表層由于風(fēng)化作用，多形成松散堆積的殘坡積層，在降雨影響下多形成淺層滑坡。此類滑坡的深長(zhǎng)比小，分析時(shí)常將其作為無限平面滑動(dòng)型滑坡來研究。如Skempton等[2]建立了平行于坡表的無限邊坡模型，并求取了邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)(Fs)表達(dá)式；Pradel等[3]將南加利福尼亞作為研究區(qū)域，研究了均質(zhì)邊坡在長(zhǎng)歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨條件下的淺層滑坡現(xiàn)象，建立了無限平面滑動(dòng)型邊坡模型。本文即以此類型滑坡作為研究對(duì)象，建立無限平面滑動(dòng)型滑坡模型，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)降雨過程中裂縫對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

1 基本原理

1.1 表面入滲的一般過程

1.2 裂隙入滲

降雨過程中，地表徑流灌入滑坡后緣裂隙，裂隙中產(chǎn)生靜水壓力作用。裂隙滲流屬于有壓入滲，初始入滲壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面入滲，因此，其擴(kuò)展范圍也就較之增大。

表1 土性參數(shù)[7]

圖1 積水入滲時(shí)含水率的變化情況

軟件中可以用總水頭邊界條件來模擬裂縫入滲的情況?？偹^由壓力水頭和高程組成，其中高程代表重力分量，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示[5]。由于裂隙表面的水壓力由上到下呈靜水壓力狀態(tài)分布，因此用總水頭邊界用來模擬裂隙中存水時(shí)的滲流情況是合適的。與此相對(duì)應(yīng)的是坡面入滲選擇壓力水頭邊界，兩者之間的差異如圖2所示。

圖2 總水頭邊界和壓力水頭邊界比較

(1)

式中，H—總水頭，m；u—孔隙水壓力，kPa；rw—水的容重，kN/m3；he—高程，m；u/rw—壓力水頭，采用長(zhǎng)度單位，m。

2 土性參數(shù)與模型設(shè)計(jì)

2.1 土性參數(shù)

模型采用粉土，其土性參數(shù)見表1，土水特征曲線(Van Genuchen擬合方程[6])和非飽和滲透系數(shù)曲線分別如圖3、圖4所示。坡體為均質(zhì)，考慮較潮濕的環(huán)境，其基質(zhì)吸力設(shè)為-10kPa。

圖3 粉土土水特征曲線

圖4 粉土非飽和滲透系數(shù)

2.2 模型設(shè)計(jì)

裂隙的存在可以大大擴(kuò)展飽和帶的范圍。因此為了解存在裂隙情況下的邊坡降雨入滲和滲流過程，設(shè)計(jì)數(shù)值模型如圖5所示。裂隙入滲邊界根據(jù)裂隙的高度設(shè)置總水頭(head)壓力，如左邊裂隙的最高點(diǎn)為(8，10.5)(單位m，下同)，則在裂隙上施加10.5m總水頭邊界，而右邊裂隙相應(yīng)施加8m總水頭邊界，從而保證裂隙中的水柱由上到下為靜水壓力狀態(tài)。

圖5 邊坡模型

2.3 僅考慮裂縫

(1)不存在地下水位

存在這樣一種情況，短歷時(shí)、高強(qiáng)度的降雨往往使坡表有限深度范圍內(nèi)的土體發(fā)生飽和，但是形成的坡表徑流會(huì)匯集在坡體內(nèi)的裂縫中，沿裂縫向兩邊滲流，模擬結(jié)果如圖6所示。在不存在地下水位的情況下，飽和帶沿裂縫向兩邊擴(kuò)展，且順坡向擴(kuò)展范圍較大。飽和帶的擴(kuò)展一方面增加了坡體的自重，另一方面也降低了底部土體的強(qiáng)度，這兩者均會(huì)使坡體的Fs降低。

可以分別計(jì)算不同時(shí)間下坡體的Fs值，如圖6(c)所示。由圖可以明顯看出，曲線呈曲折狀，特別是5hr左右的時(shí)候Fs下降迅速，原因是由于中部裂隙的飽和帶擴(kuò)展到土巖界面，造成底部土體強(qiáng)度降低。經(jīng)過24hr的滲流，坡體Fs由原來的2.795變?yōu)?.378，降低了0.417。這只是考慮裂隙滲流的情況，并未考慮降雨和由于裂隙的存在造成坡體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)。由于模型為有限元模型，故無法考慮裂隙的張開情況，同時(shí)由于軟件自身功能的限制，無法在裂隙上施加靜水壓力的作用。以上的兩個(gè)限制，造成計(jì)算得到的坡體Fs應(yīng)該比實(shí)際情況要高。

圖6

(2)存在地下水位

有地下水位的情況，飽和帶的擴(kuò)展和不存在地下水位的情況有著明顯的差別。前者飽和帶邊界近似一個(gè)金字塔形，兩邊為與地下水位線相切的下凹曲線，沿坡向擴(kuò)展半徑較大，主要使地下水位抬升；后者類似紡錘形的上半段，頂部平滑，兩邊曲線為上凸曲線，擴(kuò)展半徑小于前者。這也反映了兩種不同邊界條件下的滲流結(jié)果。地下水位的抬升將會(huì)使滑面處的孔隙水壓力增大，降低了滑帶的有效應(yīng)力，使得坡體的抗滑力下降。存在地下水位的情況Fs隨時(shí)間變化情況如圖7(c)所示。

圖7

2.4 降雨條件下存在裂縫的情況

如圖8所示，考慮存在地下水位。12hr時(shí)，裂縫兩邊的地下水位顯著抬升，裂隙底部土體中形成較大的孔隙水壓力集中，這會(huì)使得導(dǎo)致土體有效應(yīng)力降低，從而減弱坡體的抗滑性能。在坡體表面形成大約0.3～0.4m厚的飽和帶，如圖8所示(圖中飽和水位線的位置與模型網(wǎng)格劃分的大小有關(guān)，網(wǎng)格劃分越小，水位線的位置表現(xiàn)的越精細(xì))，已經(jīng)與中部裂縫形成的飽和帶貫通。

圖8 降雨和裂縫條件下模擬結(jié)果圖

18h時(shí)，地表飽和帶已經(jīng)達(dá)到約0.8m深度，與兩裂縫飽和帶大范圍貫通，在斷面上非飽和帶面積逐步減小，飽和帶的面積接近斷面總面積的一半，坡體的重量繼續(xù)增加，F(xiàn)s不斷下降。

降雨一天時(shí)間，在兩裂縫周邊形成寬廣的飽和帶，斷面上飽和帶面積已經(jīng)超過三分之二，與此同時(shí)，裂縫下部的孔隙水壓力集中帶的面積也逐漸擴(kuò)展，最大孔隙水壓力繼續(xù)增加。由邊坡Fs圖8(c)可知，在20h以后，F(xiàn)s下降率有較大的增加，原因可能就是滑帶底部孔隙水壓力值增大，造成土體的有效應(yīng)力減小。

3 結(jié)論

文章以淺層滑坡為研究對(duì)象，建立了均質(zhì)等厚斜坡模型，對(duì)不同情況開展了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，裂隙作為優(yōu)勢(shì)入滲通道，使得降雨能快速滲入到滑面位置，或者與地下水接觸，提高了滑面處的有效應(yīng)力，降低了邊坡的穩(wěn)定性。具體結(jié)論如下：

(1)隨降雨時(shí)間的增長(zhǎng)，坡體穩(wěn)定性Fs逐漸降低，在相同降雨條件下，存在地下水位的情況Fs下降更低。

(2)當(dāng)有裂縫存在時(shí)，入滲由表面無壓入滲變?yōu)榱严吨苓叺挠袎喝霛B，初始?jí)毫λ^的存在使得入滲飽和帶的面積擴(kuò)展要快于表面無壓入滲，也即，裂隙入滲的影響范圍要大于同等條件下表面降雨入滲的影響范圍。這也就是工程中需要設(shè)置截水溝等排水設(shè)施以盡量避免坡體裂縫積水的一個(gè)原因。