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        降雨模式對(duì)廣德破碎站西側(cè)滑坡的穩(wěn)定性影響分析

        2021-02-18 02:25:12胡殿坤姚慶健
        地下水 2021年6期
        關(guān)鍵詞:滑坡體降雨滑坡

        胡殿坤,繆 信,姚慶健,許 峰,邵 蔚

        (中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心安徽總隊(duì),安徽 合肥 230031)

        降雨是滑坡形成的重要因素之一[1],降雨影響滑坡的機(jī)制主要是雨水入滲導(dǎo)致滑坡地下水位上升、滲透壓力增大,且降雨增加了坡體自重并導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低,進(jìn)而誘發(fā)滑坡產(chǎn)生[2-4]。以往研究中,關(guān)于降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間對(duì)滑坡的影響比較成熟,林孝松、榮冠等研究了降雨作用下的邊坡地下水入滲規(guī)律[5-6];繆海波等基于Richards傳導(dǎo)方程和案例得出降雨歷時(shí)和降雨入滲率對(duì)淺層滑坡的穩(wěn)定性均有顯著影響[7]。馬紫娟等對(duì)降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和地震等組合工況下的禮縣爛山滑坡穩(wěn)定性變化特征進(jìn)行了深入研究[8]。近年來,關(guān)于在不同降雨模式工況下滑坡的滲流和穩(wěn)定性影響得到了諸多學(xué)者的關(guān)注和研究。劉艷輝等根據(jù)降雨實(shí)況與全國各地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害反饋資料,劃分誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨雨型,分析總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)和規(guī)律[9]。邱戰(zhàn)洪等基于國內(nèi)南方地區(qū)七子山填埋場(chǎng),研究降雨條件下山谷型垃圾填埋場(chǎng)的水分運(yùn)移規(guī)律及其穩(wěn)定性[10]。胡濤等運(yùn)用泊松分布統(tǒng)計(jì)出不同累積降雨量和不同雨型的發(fā)生概率,分析滑坡體的地下滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性的變化規(guī)律[11]。馬云彪等根據(jù)三峽庫區(qū)水位年調(diào)度周期,選取對(duì)滑坡最不利的3個(gè)階段,分析不同降雨開始時(shí)間和不同降雨形式對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響[12]。

        專家學(xué)者對(duì)降雨模式提出了多種形式,不盡統(tǒng)一。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)五種降雨模式,并以廣德破碎站西側(cè)滑坡為研究對(duì)象,結(jié)合有限元分析軟件Geo-studio,定量分析該滑坡在不同降雨模式下孔隙水壓力和穩(wěn)定性變化規(guī)律。研究成果對(duì)降雨型滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治具有一定的指導(dǎo)意義。

        1 滑坡基本概況

        1.1 滑坡形態(tài)、規(guī)模

        2020年7月,在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下,廣德破碎站西側(cè)滑坡發(fā)生變形失穩(wěn)?;潞缶夁\(yùn)輸?shù)缆沸纬蓴?shù)十米拉張裂縫,局部區(qū)域下挫1~2 m,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)乩习傩丈?cái)產(chǎn)安全。根據(jù)勘查,滑坡體主滑方向?yàn)?19°,后緣高程約為103.5 m,前緣高程平均約90 m,高差約10 m?;驴v向長(zhǎng)約36 m,寬約60 m,面積約2 160 m2,體積約1.08萬 m3。坡體物質(zhì)組成主要為第四系殘坡積,成分主要為粘土夾碎塊石,滑坡的潛在滑動(dòng)面為淺層圓弧狀土質(zhì)滑面,滑床為第四系坡殘積粘土夾碎塊石,下伏基巖為三疊系下統(tǒng)和龍山組灰?guī)r。滑坡工程地質(zhì)平面圖如圖1所示。

        圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖

        1.2 滑坡影響因素

        根據(jù)滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和發(fā)育特征分析,滑坡形成的原因主要有以下幾個(gè)方面:

        (1)地形條件:滑坡處位于低山丘陵區(qū),堆積-侵蝕、剝蝕淺丘平原,總體地形較平緩,但滑坡后緣較陡,局部坡度達(dá)到52°,有利的地形因素是該滑坡形成主要因素之一。

        (2)地質(zhì)條件:滑坡堆積體第四系松散層厚度較大,為滑坡體形成提供了較豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。第四系松散層巖性軟弱,強(qiáng)度低,易受降雨和水的影響。

        (3)降水:降雨是影響坡體穩(wěn)定的自然因素中最經(jīng)常發(fā)生的和最活躍的因素,是該滑坡的主要誘發(fā)因素。廣德區(qū)域7 月份持續(xù)性降雨,導(dǎo)致水流匯集后迅速滲入坡體或沿坡而下,增大了土體的容重和孔隙水壓力,減小了坡體抗滑移能力。另外由于雨水滲入,對(duì)斜坡土體起到了軟化作用,造成滑面的抗剪強(qiáng)度降低,從而使土層產(chǎn)生蠕動(dòng)變形,形成裂縫,最終導(dǎo)致滑坡形成。

        (4)人類活動(dòng):滑坡后緣為運(yùn)輸?shù)缆?,車輛行駛過程中荷載、振動(dòng)對(duì)滑坡穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

        2 計(jì)算理論

        2.1 飽和-非飽和土體滲流理論

        根據(jù)廣義達(dá)西定理和質(zhì)量守恒原理,二維滲流的一般控制微分方程(毛昶熙,1998)[13]為:

        (1)

        式中:kx、ky為水平和垂直方向的飽和滲透系數(shù);mw為儲(chǔ)水曲線的斜率;γw為水的容重;H為滲流的總水頭;Q為邊界流量。

        2.2 非飽和土體的穩(wěn)定性理論

        穩(wěn)定性計(jì)算是根據(jù)非飽和土抗剪強(qiáng)度場(chǎng)采用延伸的摩爾-庫侖公式(F redlund et al,1993)

        τf=c′+(σ-μa)tanθ′+(μa-μw)tanθb

        (2)

        式中:τf為土的抗剪強(qiáng)度;c′為飽和土的有效粘聚力,θ′為飽和土的有效內(nèi)摩擦角;σ-μa為凈法向應(yīng)力;μa-μw為土體基質(zhì)吸力;θb為相對(duì)于基質(zhì)吸力的剪切摩擦角。

        3 計(jì)算模型及降雨工況

        3.1 滑坡計(jì)算模型

        選取滑坡代表性剖面,建立二維數(shù)值模型。二維模型包含三種材料,分別為滑坡堆積物、第四系坡殘積碎塊石土和下部和龍山組灰?guī)r。模型左右為水平約束邊界,即地下水位線固定水頭,底部邊界為豎向不透水邊界,坡表為降雨條件。計(jì)算模型如圖2所示。

        圖2 滑坡計(jì)算模型

        根據(jù)滑坡勘查報(bào)告及相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合確定滑坡體和滑床的相關(guān)計(jì)算參數(shù),如表1所示?;w土水特征曲線和對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)曲線可根據(jù)Geo-studio軟件中自帶的Fredlund預(yù)測(cè)模型得出,如圖3所示。

        表1 物理力學(xué)參數(shù)表

        圖3 滑體土水特征和滲透系數(shù)曲線

        3.2 降雨工況

        降雨工況的設(shè)置是在天然工況的基礎(chǔ)上,疊加降雨條件進(jìn)行的,計(jì)算時(shí)水位線以上的土體采用天然重度進(jìn)行計(jì)算,水位線以下的土體采用飽和重度進(jìn)行計(jì)算。由于邊坡破壞多發(fā)生在大雨、暴雨過后,參照我國氣象部門的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),本次數(shù)值模擬采用的降雨強(qiáng)度為24 h的單位邊界流量3.125 mm/h。

        根據(jù)前人的研究,歸納總結(jié)五種降雨模式,分別為均勻型、遞增型、遞減型、峰值型、峰谷型,降雨強(qiáng)度在0~3.125 mm/h連續(xù)變化。具體降雨工況如表2和圖4所示。

        表2 計(jì)算工況表

        圖4 五種降雨模式

        4 結(jié)果分析

        4.1 孔隙水壓力變化規(guī)律

        在上述工況設(shè)置好的基礎(chǔ)上,首先進(jìn)行滲流分析。在滑坡體內(nèi)選取某一節(jié)點(diǎn)為代表反映不同降雨模式下孔隙水壓變化情況,如圖5所示。

        圖5 不同降雨模式下節(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力

        通過上圖,可以得出:

        (1)不同降雨模式工況下,滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化顯著。均勻型、遞增型、遞減型、峰值型及峰谷型降雨模式的最終孔隙水壓力分別為17.67、15.71、9.54、10.69和14.46 kPa,初始孔隙水壓力為7.35 kPa,最大差值10.32 kPa。由此可見,不同的降雨模式對(duì)滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力有顯著影響。

        (2)從降雨時(shí)間來看,滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化趨勢(shì)明顯。隨著降雨時(shí)間的增加,降雨不斷入滲,均勻型、遞增型降雨孔隙水壓力呈不斷增大趨勢(shì);峰值型降雨孔隙水壓力呈先增大后減小趨勢(shì),遞減型、峰谷型降雨孔隙水壓力呈先減小后增大趨勢(shì),都存在一定的滯后現(xiàn)象。如峰值型降雨在12 h時(shí),降雨強(qiáng)度開始降低,孔隙水壓力在14 h才出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

        (3)從降雨強(qiáng)度變化來看,孔隙水壓力變化趨勢(shì)基本與降雨強(qiáng)度變化情況相吻合。降雨強(qiáng)度不變階段:均勻型降雨(0~24 h),初期孔隙水壓力不斷增大,后期增幅減小趨勢(shì)。分析原因是,隨著降雨時(shí)間的增加,地下水位水頭差逐漸減小,雨水入滲能力下降,孔隙水壓力增幅減小。

        降雨強(qiáng)度增長(zhǎng)階段:遞增型降雨(0-24h)、峰值型降雨(0-12h)、峰谷型降雨(12-24h),降雨強(qiáng)度不斷增大,孔隙水壓力不斷增大。

        降雨強(qiáng)度減小階段:遞減型降雨(0-24h)、峰值型降雨(12-24h)、峰谷型降雨(0-12h),降雨初期,降雨入滲,孔隙水壓力大幅增大,隨著降雨強(qiáng)度的降低,孔隙水壓力增幅減小,遞減型降雨孔隙水壓力甚至有下降的趨勢(shì)。

        4.2 穩(wěn)定性變化及分析

        在滲流分析的基礎(chǔ)上,對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性模擬,采用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,結(jié)果圖6所示。

        圖6 不同降雨模式下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)

        通過圖6,可以得出:

        (1)滑坡的穩(wěn)定性受降雨作用影響明顯,穩(wěn)定性系數(shù)均有所下降。均勻型、遞增型、遞減型、峰值型、峰谷型降雨工況下,穩(wěn)定性系數(shù)分別下降了3.49%、2.78%、0.72%、1.11%、2.32%,可以看出均勻型降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響最大,遞增型次之,且有持續(xù)下降的趨勢(shì),遞減型降雨影響最小。

        (2)通過對(duì)比,滑坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律基本上與孔隙水壓力變化趨勢(shì)成反比。即孔隙水壓力不斷增大,穩(wěn)定性不斷減小,孔隙水壓力增幅減小或略有下降時(shí),滑坡穩(wěn)定性下降幅度減小,穩(wěn)定性也有所回升。

        (3)初期降雨強(qiáng)度越大,穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度越大。這是因?yàn)榻涤瓿跗?,滑坡表面土體非飽和度高,土體入滲能力和保水性強(qiáng),降雨強(qiáng)度小于滑坡土體入滲能力,雨水基本全部入滲,隨著降雨的繼續(xù),土體的含水量逐漸升高,土體的入滲能力和保水能力率逐漸降低,使得滑體的含水量增加幅度變小,孔隙水壓力邊增幅也較小,因此土體的穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度小。同一降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在降雨起始階段對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響與出現(xiàn)在其他階段相比偏大,因此在強(qiáng)降雨初期要特別做好滑坡的防護(hù)措施。

        5 結(jié)語

        (1)不同的降雨模式對(duì)滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力有明顯影響,孔隙水壓力隨著降雨強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出相對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)。降雨強(qiáng)度不斷增大,孔隙水壓力不斷增大;降雨強(qiáng)度降低,孔隙水壓力增幅減小,甚至有下降的趨勢(shì)。

        (2)滑坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律基本上與孔隙水壓力變化趨勢(shì)成反比。即孔隙水壓力不斷增大,穩(wěn)定性不斷減小,孔隙水壓力增幅減小或略有下降時(shí),滑坡穩(wěn)定性下降幅度減小,穩(wěn)定性也有所回升。

        (3)滑坡的穩(wěn)定性受降雨作用影響明顯,均勻型、遞增型降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響大,遞減型降雨影響最小。

        (4)降雨初期,坡體穩(wěn)定性系數(shù)都有較大幅度降低,隨著降雨時(shí)間增長(zhǎng),遞增型降雨模式下滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)不斷下降,且有持續(xù)下降的趨勢(shì)。因此降雨初期和遞增型降雨模式下,應(yīng)加強(qiáng)度對(duì)滑坡的變形監(jiān)測(cè)和必要的防范措施。

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