李安潤(rùn)，鄧 輝，肖宇月，何書(shū)濤，伍小軍

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

降雨條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性有顯著影響，受不同因素的影響，邊坡穩(wěn)定性又呈現(xiàn)出不同程度的變化。為探究邊坡穩(wěn)定性變化影響因素，葉帥華等人[1-10]通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)認(rèn)為影響邊坡穩(wěn)定性的因素有降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)、坡比、坡體形態(tài)、坡體物質(zhì)組成和巖土體滲透系數(shù)等；唐棟等人[10-14]通過(guò)灰度理論的方法對(duì)不同影響因素的敏感性展開(kāi)分析，結(jié)果表明降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。為深入探究降雨條件下坡體內(nèi)部的變化情況，陸世軒等人[15]開(kāi)展了降雨入滲非飽和土的穩(wěn)定性研究，認(rèn)為堆積體邊坡失穩(wěn)與孔隙水壓力等因素密切相關(guān)，且在堆積體邊坡失穩(wěn)瞬間會(huì)出現(xiàn)孔隙水壓力短暫消散現(xiàn)象。趙梓彤等人[16-17]也通過(guò)數(shù)值模擬的手段結(jié)合有限元法和強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，認(rèn)為降雨強(qiáng)度越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的危害越大。但由于堆積體邊坡的空間差異性，對(duì)于西南深切河谷地區(qū)堆積體邊坡穩(wěn)定性是否有相似規(guī)律，尤其是坡體形態(tài)對(duì)堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響，還有待進(jìn)一步研究。

本文以大渡河流域某堆積體邊坡為例，對(duì)“轉(zhuǎn)折型”堆積體邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在對(duì)邊坡工程地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元數(shù)值分析方法與極限平衡法，建立地質(zhì)概化模型，通過(guò)在坡體內(nèi)部設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到降雨過(guò)程中坡體孔隙水壓力和位移量等變化，進(jìn)一步深入分析該堆積體邊坡在降雨條件下坡體穩(wěn)定性系數(shù)等變化，進(jìn)而對(duì)其穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，并有針對(duì)性地提出可行的防治建議。研究成果希望能為類似工程實(shí)踐提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 堆積體基本特征

該堆積體結(jié)構(gòu)密實(shí)，抗剪強(qiáng)度高，整體穩(wěn)定性好，但局部范圍內(nèi)淺表部在雨季時(shí)有小規(guī)模崩塌。在堆積體前緣發(fā)育一處中型滑坡，滑坡呈圈椅狀，長(zhǎng)約130 m，寬約370 m，平均厚度約18 m，體積約8.5×105m3，后緣形成高約40 m陡坎，坡體物質(zhì)主要由碎石土和塊碎石土組成，具有架空現(xiàn)象，塊、碎石巖性多為閃長(zhǎng)巖。根據(jù)鉆孔資料推測(cè)架空現(xiàn)象是由于滑坡體在滑動(dòng)過(guò)程中形成，且滑動(dòng)面位于基覆界線，滑坡體前緩后陡，由于公路S211修建將前緣抗滑段部分開(kāi)挖，加之降雨弱化導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)成災(zāi)。

1.2 堆積體結(jié)構(gòu)特征

該堆積體邊坡位于德威閘址上游約1 000 m處，大渡河左岸，并有公路S211從前緣穿過(guò)。堆積體邊坡整體沿NW～SE方向展布，坡體呈上緩下陡狀，上部坡度約10～30°，下部約40～60°。坡體主要分布于1 235～1 785 m范圍內(nèi)，前緣最寬處約1 700 m，長(zhǎng)約2 000 m，平均厚度約50 m，體積約1.2×108m3。堆積體邊坡全景見(jiàn)圖1。

圖1 堆積體邊坡全景

根據(jù)顆粒特征將將該堆積體分為兩部分，堆積體中上部主要由細(xì)顆粒充填塊石及漂石組成，厚度一般約15～30 m，最大厚度可達(dá)約50 m，堆積體前緣基覆界面處主要以粗顆粒為主，粒徑約2～40 mm厚度約2～3 m。該堆積體還具有典型的冰磧物物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征，相較于普通松散堆積體，該堆積體顆粒間鑲嵌緊湊，膠結(jié)度高；堆積體的中上部以塊碎石為主，下部以角礫及細(xì)顆粒為主，顆粒粒徑差異大，邊坡堆積物結(jié)構(gòu)特征總體表現(xiàn)為細(xì)顆粒充填于粗顆粒骨架。

2 堆積體邊坡穩(wěn)定性分析方法

堆積體邊坡大多由松散物質(zhì)組成，對(duì)于降雨條件下邊坡坡體內(nèi)部孔隙水壓力的分析,傳統(tǒng)的摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論無(wú)法適用，在此選用非飽和土強(qiáng)度理論進(jìn)行分析。目前應(yīng)用最為廣泛的非飽和土強(qiáng)度理論是在20世紀(jì)70年代由Fredlund等提出：

Tf=c′+(σ-Ua)tanφ′+(Ua-Uw)tanφb

(1)

式中c′——有效黏聚力；φ′——有效內(nèi)摩擦角；Uw——孔隙水壓力；Ua——孔隙氣壓力；Tf——非飽和土抗剪強(qiáng)度；tanφ′、tanφb——相對(duì)于凈應(yīng)力與凈吸力的2個(gè)摩擦系數(shù)。

由式(1)可知，隨著基質(zhì)吸力的減小，土體強(qiáng)度大幅降低，因此基質(zhì)吸力是研究邊坡土體強(qiáng)度的重要指標(biāo)，也是邊坡失穩(wěn)評(píng)價(jià)的重要參考因素。

堆積體邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法很多，目前運(yùn)用較多的為有限元數(shù)值分析法和極限平衡法2種，本文對(duì)該堆積體邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，采用有限元數(shù)值分析法和極限平衡法相結(jié)合進(jìn)行分析。對(duì)于降雨條件下堆積體邊坡土體由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，將結(jié)合GeoStudio有限元計(jì)算軟件中SEEP/W模塊，模擬該堆積體邊坡在降雨條件下坡體內(nèi)孔隙水壓力隨時(shí)間的變化情況。隨著降雨入滲，坡體內(nèi)部孔隙水壓力逐漸增大，土體強(qiáng)度逐漸降低。借助于GeoStudio有限元計(jì)算軟件中SIGMA/W模塊，模擬該堆積體邊坡在降雨條件下邊坡應(yīng)力和應(yīng)變變化情況，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量對(duì)邊坡變形情況進(jìn)行分析。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，將通過(guò)SLOPE/W模塊實(shí)現(xiàn)，將SEEP/W模塊得到的孔隙水壓力變化情況及SIGMA/W模塊得到的應(yīng)力應(yīng)變情況導(dǎo)入SLOPE/W模塊，采用極限平衡法對(duì)降雨條件下堆積體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化情況進(jìn)行分析，找出堆積體邊坡隨降雨作用的變化規(guī)律。

3 堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，選取1-1′剖面建立地質(zhì)概化模型(圖2)。模型中材料有3類，分別為堆積體、河床和基巖，其中堆積體前部坡度約45°，后部坡度約15°。模型垂直河流方向(X軸方向)長(zhǎng)1 400 m，高(Y軸方向)700 m。模型共劃分為1 541個(gè)單元，1 627個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件設(shè)定：天然狀態(tài)下，邊坡模型右側(cè)采用定水頭140 m，實(shí)際河面高程1 240 m。根據(jù)當(dāng)?shù)貫o定縣氣象站降雨觀測(cè)資料及非飽和土體降雨入滲的滯后特性，降雨條件設(shè)置為2個(gè)階段，前半段降雨時(shí)間設(shè)置為10 d，總降雨量為72.8 mm，降雨類型為均勻型，后半段10 d為不降雨?duì)顟B(tài)，基覆界面設(shè)置為零流量邊界。在SEEP/W模塊進(jìn)行飽和-非飽和滲流場(chǎng)分析時(shí)，選擇飽和/非飽和模型作為河床及堆積體材料模型，基巖材料模型選擇飽和模型。在坡體后緣、中部坡度變化處、前緣分別設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3。

圖2 堆積體邊坡數(shù)值計(jì)算模型及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

堆積體土水特征曲線是根據(jù)堆積體的粒徑分布曲線擬合得出，結(jié)合Fredlund&Xing法估算出滲透性函數(shù)，擬合得出水土特征曲線。堆積體顆粒組成見(jiàn)表1。在模擬邊坡應(yīng)力變化、位移及穩(wěn)定性情況時(shí)，各材料的本構(gòu)關(guān)系確認(rèn)為彈塑性，巖土體的破壞遵循摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，并考慮基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

表1 堆積體顆粒組成

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)、工程類比法，結(jié)合勘察資料、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及參數(shù)反演綜合確定巖土體各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)(表2)。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 結(jié)果及分析

3.3.1孔隙水壓力變化分析

隨著降雨持續(xù)進(jìn)行，從第1 d至第10 d，孔隙水壓力由坡體表面向內(nèi)部逐漸增大，坡體內(nèi)部孔隙水壓力的增加相比于坡表表現(xiàn)出明顯的延遲。坡體內(nèi)部最大孔隙水壓力出現(xiàn)在降雨第10 d坡體后緣中部，最大孔隙水壓力值為452 kPa。坡體中部坡度明顯變化處，孔隙水壓力值也達(dá)到約410 kPa(圖3)。第10 d停止降雨后，孔隙水壓力不再增加，并隨著時(shí)間增長(zhǎng)開(kāi)始緩慢降低，說(shuō)明土體中孔隙水壓力開(kāi)始逐漸消散，土體強(qiáng)度增加，坡體內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)孔隙水壓力短暫消散現(xiàn)象，到第15 d及以后孔隙水壓力基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但與天然狀態(tài)下孔隙水壓力值相比仍高出約10 kPa，原因可能是坡體孔隙水壓力消散還未完成，也可能是坡體受雨水浸泡后，殘留于坡體的滯水使坡體仍舊保留著一小部分孔隙水壓力。

圖3 降雨第10 d孔隙水壓力云

3.3.2位移變化情況分析

整個(gè)降雨過(guò)程中，堆積體邊坡X方向產(chǎn)生的位移量較小，Y方向位移量變化更為明顯，且位移量變化主要集中在降雨初期。降雨剛發(fā)生時(shí)，坡體位移沒(méi)有較為明顯的變化，隨著降雨過(guò)程持續(xù)，雨水入滲進(jìn)入坡體，非飽和狀態(tài)的土體開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，土體抗剪強(qiáng)度急劇降低，位移量開(kāi)始顯著增大，坡體后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)1前3 d就產(chǎn)生了高達(dá)43.17 mm的位移量，隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，位移量開(kāi)始呈緩慢增加的趨勢(shì)，第10 d停止降雨時(shí)累積位移量已經(jīng)高達(dá)43.20 mm，而后位移量緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定，Y方向位移量最大值最終穩(wěn)定在43.21 mm。坡體中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和坡體前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在Y方向的位移量變化，也具有坡體后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)1類似的變形趨勢(shì)，但位移量明顯更小。坡體中部第10 d時(shí)累計(jì)位移量為33.93 mm，最終趨于穩(wěn)定時(shí)最大位移量為33.98 mm，坡體前緣第10 d時(shí)累計(jì)位移量為7.78 mm，最終趨于穩(wěn)定時(shí)最大位移量為7.81 mm。坡體后緣和坡體中部位移量差值較坡體中部與坡體前緣位移量差值更大。說(shuō)明降雨條件確實(shí)會(huì)導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生較為明顯的變形，且坡體后緣變形較中部和前緣更為明顯，地形坡度對(duì)位移量的變化有明顯的增強(qiáng)作用，坡體后緣位移量的增加具有漸變特征。位移量見(jiàn)圖4、5、6。

3.3.3模型校核

模擬計(jì)算結(jié)果顯示，降雨條件會(huì)導(dǎo)致坡體后緣產(chǎn)生較大的累計(jì)變形量，前緣變形量較小，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查情況相符合?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)在堆積體邊坡后緣局部發(fā)現(xiàn)有不同長(zhǎng)度的拉張裂縫，裂縫寬度平均約2～5 cm，深約1～2 m，延伸最長(zhǎng)的裂縫長(zhǎng)度可達(dá)5～10 m。坡體中部坡度轉(zhuǎn)折端也有少量裂縫發(fā)育，對(duì)應(yīng)于數(shù)值模擬結(jié)果坡體中部產(chǎn)生的位移量，說(shuō)明該模型能很好地模擬堆積體邊坡在降雨條件下的變形情況，也能較好地評(píng)價(jià)其邊坡穩(wěn)定性。

圖4 坡體后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位移量

圖5 坡體中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)2位移量

圖6 坡體后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位移量

3.3.4堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

堆積體邊坡在天然狀態(tài)下處于較穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)為1.278，降雨條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。對(duì)于該堆積體邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算常見(jiàn)的方法有瑞典條分法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法，該數(shù)值模型選用上述4種方法的平均值來(lái)分析堆積體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化。降雨持時(shí)過(guò)程中堆積體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線見(jiàn)圖7。由圖7可知，堆積體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)整體呈先快速降低后逐漸緩慢升高的趨勢(shì)。降雨初期，由于土體迅速飽水，土體強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性系數(shù)快速下降，第4 d以后下降速度開(kāi)始變緩，直到第10 d時(shí)達(dá)到最小穩(wěn)定性系數(shù)1.188，而后穩(wěn)定性系數(shù)緩慢上升，由于降雨停止孔隙水壓力逐漸消散，基質(zhì)吸力增大，土體強(qiáng)度增加，使得坡體最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)為1.221。說(shuō)明降雨對(duì)堆積體邊坡穩(wěn)定性有明顯的影響，同時(shí)穩(wěn)定時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)仍舊低于天然狀態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)，說(shuō)明堆積體邊坡土體受雨水浸泡后，土體受到了弱化作用。雖然降雨后邊坡穩(wěn)定性相比于天然狀態(tài)有所降低，但堆積體邊坡整體穩(wěn)定性依舊良好，基本能滿足工程需要。

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)變化

綜上所述，降雨條件對(duì)堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響主要有三方面。

a) 雨水入滲導(dǎo)致堆積體邊坡土體由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，邊坡孔隙水壓力增加，致使邊坡產(chǎn)生明顯變形，從而降低邊坡穩(wěn)定性。

b) 降雨過(guò)程中孔隙水壓力一直處于動(dòng)態(tài)變化程中，沒(méi)有孔隙水壓力消散情形出現(xiàn)，且坡體后緣位移變形呈現(xiàn)出漸變特征，說(shuō)明只在邊坡局部產(chǎn)生較為明顯的變形，坡體整體穩(wěn)定性較好。

c) 降雨過(guò)程中產(chǎn)生的局部變形為不可恢復(fù)變形，如遇長(zhǎng)期持續(xù)降雨，累積形變量增加，潛在滑面貫通，土體強(qiáng)度降低，有可能導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低，使邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生滑坡等災(zāi)害。

4 結(jié)論

a) 降雨條件下堆積體邊坡坡體內(nèi)部孔隙水壓力變化明顯稍遲于坡體表部，降雨過(guò)程中孔隙水壓力不斷增加，最大孔隙水壓力出現(xiàn)在坡體后緣中部達(dá)452 kPa，降雨停止后穩(wěn)定孔隙水壓力較天然狀態(tài)仍增加約10 kPa，降雨條件下孔隙水壓力沒(méi)有出現(xiàn)瞬態(tài)消散現(xiàn)象。

b) 降雨會(huì)導(dǎo)致邊坡局部產(chǎn)生變形，降雨條件下坡體后緣最大位移量達(dá)43.20 mm，中部和前緣分別為33.98、7.81 mm，坡體后緣位移量值增加具有漸變特征。受地形坡度因素影響，“轉(zhuǎn)折型”堆積體邊坡中部位移量較前緣變化更為明顯。

c) 雨水入滲具有延遲效應(yīng)，穩(wěn)定性系數(shù)的變化稍遲于降雨時(shí)間，邊坡最低穩(wěn)定性系數(shù)為1.188，降雨結(jié)束后趨于穩(wěn)定的穩(wěn)定性系數(shù)為1.221，低于天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)，但坡體穩(wěn)定性依舊良好，降雨對(duì)土體具有弱化作用。降雨條件下只導(dǎo)致局部產(chǎn)生變形，整體強(qiáng)度未受到較大影響，如果長(zhǎng)期降雨導(dǎo)致坡體弱化作用累積將有極大可能成災(zāi)。

該堆積體邊坡天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，但在降雨條件下穩(wěn)定性系數(shù)明顯降低，每次降雨都會(huì)導(dǎo)致變形不可恢復(fù)，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，隨著降雨次數(shù)的累積，使坡體產(chǎn)生累積損傷，強(qiáng)度降低，有可能產(chǎn)生較大變形。建議采取修筑截排水溝+裂縫封堵+擋土墻結(jié)合的方案，一方面排出坡表水增加變形體抗滑力，另一方面利用擋土墻提升堆積體的穩(wěn)定性，對(duì)于該堆積體穩(wěn)定性的加固，此建議方案較為合理。