董 雪

(中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

0 引言

降雨是誘發(fā)非飽和土體邊坡失穩(wěn)的主要因素之一，在降雨入滲條件下邊坡土體逐漸從非飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，土體抗剪強度降低，滲流力加劇了邊坡的下滑趨勢，從而誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞[1，2]。降雨過程中影響邊坡穩(wěn)定性的因素包括邊坡形態(tài)特征、巖土體結(jié)構(gòu)性質(zhì)、巖土體前期水分條件和初始水位、降雨參數(shù)(雨型、雨強和持時)等[3,4]。本文基于非飽和土體的強度理論并結(jié)合邊坡剛體極限平衡方法，以丹東市某硼泥堆填土高邊坡為例，利用有限元軟件Geo-studio模塊耦合對高邊坡在天然狀態(tài)和降雨入滲條件下的穩(wěn)定狀態(tài)進行分析，得出兩種狀態(tài)下，高邊坡的安全系數(shù)，并探討降雨因素對邊坡穩(wěn)定性的影響機理，為硼泥堆高邊坡后續(xù)的地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供理論依據(jù)。

1 降雨入滲規(guī)律和雨水運動特征

大多數(shù)情況下，邊坡土體按含水量情況可呈現(xiàn)漸變特征[5]，從表及里依次劃為淺表層的干土區(qū)域、過渡的非飽和區(qū)域、地下水位以下飽和區(qū)域如圖1a)所示。降雨入滲將引起土體的含水率、孔隙水壓力、地下水位等參數(shù)發(fā)生變化。在降雨初期階段，因淺層土體干燥，毛細負壓大，水分在毛細負壓和重力共同作用下下滲，當土壤顆粒的含水量大于其自身的持水量時，干土區(qū)域消失，并轉(zhuǎn)變成非飽和區(qū)，這個過程也叫做滲潤階段，此時降雨能全部滲入到邊坡土體內(nèi)部，坡腳處出現(xiàn)逸出點，土體孔隙水壓力升高，出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，如圖1b)所示。隨著降雨歷時持續(xù)，雨水分子在重力、毛管力等作用下，通過土壤顆粒孔隙向深部運移延伸，土體顆?？紫吨饾u被雨水分子充填趨于飽和，這個階段是滲漏階段，當土體孔隙完全被水分充填飽和時，水分子在重力作用下呈穩(wěn)定流動，達到滲透階段[6]。此時斜坡淺層(坡頂和坡表處)土體由非飽和狀態(tài)趨于暫態(tài)飽和狀態(tài)，浸潤線附近土體含水量增大，孔隙水壓力由負壓狀態(tài)變?yōu)檎龎籂顟B(tài)，土體結(jié)構(gòu)強度降低。降雨強度超過地表入滲能力時，便產(chǎn)生地表坡流，如圖1c)所示。降雨結(jié)束后，坡腳附近的地表徑流還要持續(xù)一段時間，斜坡淺表層飽和土體中的水分因蒸發(fā)作用變成干燥狀態(tài)，暫態(tài)飽和區(qū)消散，潛水位會因雨水入滲而上升，在潛水位以上局部區(qū)域分布著非飽和土區(qū)域，如圖1d)所示。

2 工程概況

丹東市某硼泥堆位于低山山腳處，地貌單元屬河流Ⅱ級階地。項目區(qū)系東北地區(qū)暴雨中心區(qū)，日降水量最高達657.9 mm，平均年降水量1 000 mm～1 200 mm，最多年降雨量達1 815 mm(1985年)，最少年降雨量659.5 mm(1965年)。

根據(jù)前期勘察資料，硼泥堆高邊坡是人工填筑的方式形成的，填土壓實性差，土體滲透性較好。邊坡坡頂高程265 m，坡底高程215 m，相對高差達50 m，邊坡共分4級修建，從底到頂，坡高分別為15 m，15 m，10 m,10 m，坡角34°，34°，32°，32°，每級坡間設(shè)置5 m寬平臺。地層巖性從新到老順序為素填土(主要成分以硼泥礦渣為主，局部含角礫)、粉質(zhì)黏土(原始地表層)、花崗巖(全風(fēng)化～強風(fēng)化)，地下水高程209 m，詳見圖2。

3 計算模型及參數(shù)

3.1 建立模型

數(shù)值模擬采用有限元軟件Geo-studio的Seep/w和Slope/w模塊耦合計算，應(yīng)用Seep/w模塊進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)滲流分析，確定硼泥堆邊坡的初始孔隙水壓力條件、浸潤線、應(yīng)力分布等特征參數(shù)的變化，再將計算文件作為父文件導(dǎo)入Slope/w模塊，計算不同降雨時步下的邊坡安全系數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將硼泥堆高邊坡概化模型分成3層，素填土、粉質(zhì)黏土和花崗巖，模型網(wǎng)格密度1.0 m，共劃分單元數(shù)6 981個，7 177個節(jié)點。

3.2 設(shè)置邊界條件

Seep/w模塊邊界條件設(shè)置如下：底部不透水邊界(即不設(shè)置任何邊界條件)；兩側(cè)邊界條件地下水以上按零流量邊界，地下水位以下按壓力水頭邊界，水頭值等于地下水位；上部邊界當降雨強度小于土壤表面的入滲能力時，計算入滲速率取為降雨強度，邊界條件為第二類邊界條件；當降雨強度大于土壤表面的入滲能力時，可按給定水頭邊界處理，邊界條件轉(zhuǎn)換為第一類邊界條件。

3.3 選取計算參數(shù)

硼泥堆高邊坡的各層巖土物理力學(xué)參數(shù)具體見表1。

表1 各層巖土物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)當?shù)厮臍庀筚Y料，選取暴工況下降雨強度4 mm/h，降雨持續(xù)時間96 h，因降雨強度小于邊坡土體的入滲強度，坡面按流量邊界處理。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析結(jié)果

在天然狀態(tài)下，邊坡內(nèi)部地下水位以上土體為非飽和區(qū)，孔隙水壓力為負值且呈線性特征分布，由非飽和土理論可知，負孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)對于邊坡整體穩(wěn)定有利；在地下水位附近及以下部位為飽和區(qū)，孔隙水壓力變?yōu)檎?，在壓力水頭的作用下，水分由坡體內(nèi)部向坡外運移。根據(jù)文獻[7]中相關(guān)規(guī)定，按照Morgenstern-Price極限平衡法求出此狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)Fs=1.32>Fst=1.3，判定邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，計算分析結(jié)果如圖3所示。

4.2 降雨對邊坡滲流影響

降雨過程中硼泥堆高邊坡坡體孔隙水壓力整體變化趨勢：坡內(nèi)部非飽和區(qū)內(nèi)負孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)隨著降雨持續(xù)時間的增大而逐漸降低，淺表部的負壓轉(zhuǎn)變成正值，地下水水位升高，浸潤線上升。如圖4a)所示在降雨初期，因坡面表土干燥，土體入滲能力強，負孔隙水壓力值較大；圖4b)和圖4c)中降雨歷時持續(xù)增加，在淺表部坡面形成了由暫態(tài)飽和區(qū)構(gòu)成的“飽和殼”，其隨著降雨過程持續(xù)而向邊坡深部擴展，即坡表的土體由非飽和土變成飽和土，相應(yīng)的土體孔隙水壓力由負壓轉(zhuǎn)變成正值，坡內(nèi)部負孔隙水壓力值也逐漸降低，坡腳處的滲流量逐漸增加；降雨持續(xù)75 h以后，坡體內(nèi)部的暫態(tài)飽和區(qū)變化程度減弱，這也符合文獻[5]的研究觀點，降雨過程主要影響坡面以下30 m范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)土體基質(zhì)吸力變化形成暫態(tài)飽和區(qū)。在坡體淺表部，因土體飽和后含水量增加，水分從頂部向下方運移，地下水位升高，在滲透性突變的素填土與粉質(zhì)黏土的界面處，地下水向下部運移受阻轉(zhuǎn)而向坡腳臨空面方向運動，導(dǎo)致地下水流集中于坡腳界面附近如圖4d)所示。

4.3 降雨入滲對土質(zhì)高陡邊坡穩(wěn)定性影響機理分析

降雨條件下，雨水在重力作用下沿土體孔隙、空隙下滲，坡體淺表部土體由非飽和轉(zhuǎn)變成飽和狀態(tài)并逐漸向坡體深部延展，孔隙水壓力值由負變正，則有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致土體的抗滑力逐漸降低；加之土體含水量增加，土體的下滑力不斷增大；在重力場和滲透場作用下，地下水位升高，坡腳附近臨空面附近剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著降雨入滲過程的持續(xù)增加，土體的抗滑力與下滑力此消彼長，邊坡穩(wěn)定性不斷的降低。本例中硼泥堆高邊坡屬于人工填筑，填土壓實性差，為降雨入滲提供了良好的滲流通道；硼泥堆成分以硼泥礦渣為主，其力學(xué)性能具有“結(jié)構(gòu)性強度”特征，即在干燥缺水的情況下，土體表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，一旦遇水后，土體強度會大幅度降低。

通過前文的分析，降雨入滲對硼泥堆高陡邊坡的穩(wěn)定性影響范圍多集中在坡體淺表部，邊坡的破壞模式以淺部剪切滑動破壞為主，隨著降雨歷時的逐漸累加，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，至降雨結(jié)束時刻，安全系數(shù)最小Fs=1.07

5 結(jié)論

通過對丹東市某硼泥堆高邊坡降雨入滲對其穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

1)天然狀態(tài)下，安全系數(shù)Fs=1.32>Fst=1.3，硼泥堆高邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；

2)降雨條件下，降雨強度4 mm/h，降雨持續(xù)時間96 h，安全系數(shù)Fs=1.07

3)通過研究硼泥堆高邊坡破壞機理得出：在降雨入滲條件下，邊坡表層土體逐漸從非飽和向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，孔隙水壓力由負轉(zhuǎn)正，有效應(yīng)力下降，土體抗剪強度降低；隨著降雨入滲過程的持續(xù)增加，土體的抗滑力與下滑力此消彼長，加劇了邊坡的下滑趨勢，從而誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞；

4)降雨入滲對硼泥堆高邊坡的穩(wěn)定性影響范圍主要集中在坡體淺表部的土體，邊坡的破壞模式以淺部剪切滑動破壞為主，隨著降雨歷時的累加，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，至降雨結(jié)束時刻，安全系數(shù)最小。