劉明揚(yáng)，武 哲，付曉東，黃玨皓，張振平，4

（1.中建國際投資（湖北）有限公司，武漢 430071；2.中國建筑國際集團(tuán)有限公司，香港 999077；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

隨著中國西南地區(qū)水電、交通等基礎(chǔ)建設(shè)項目的開展和推進(jìn)，邊坡工程的安全性問題成為相關(guān)行業(yè)的重點關(guān)注問題，滑坡地質(zhì)災(zāi)害的防治更是工程建設(shè)面臨的重大問題。降雨誘發(fā)堆積體邊坡地質(zhì)災(zāi)害是該地區(qū)最為常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，對人民生命和財產(chǎn)安全造成巨大威脅。因此，對降雨作用下堆積體邊坡失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制開展深入研究具有重要的工程意義。

近年來，已有很多學(xué)者圍繞降雨過程中邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律開展了相關(guān)研究。張忠傳等［1］以云南省某礦山邊坡為研究對象，利用Hoek-Brown 準(zhǔn)則得到巖體力學(xué)參數(shù)，借助數(shù)值模擬對降雨和地震荷載作用下邊坡的塑性區(qū)分布和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。王志鵬等［2］利用Geostudio 軟件重點研究了滲流和降雨入滲雙重作用下開挖邊坡的變形機(jī)理，并提出了相應(yīng)的開挖優(yōu)化方案。肖宇月等［3］開展了降雨條件下含軟弱夾層的軟巖邊坡穩(wěn)定性分析，并提出降雨對軟巖邊坡穩(wěn)定性的劣化影響主要由內(nèi)部水巖作用產(chǎn)生的巖體軟化所導(dǎo)致的。劉禮領(lǐng)等［4］、吳火珍等［5］運(yùn)用Geostudio 軟件對降雨作用下滑坡的響應(yīng)過程進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有研究集中于降雨過程中邊坡安全系數(shù)和塑性區(qū)的變化規(guī)律，對坡體內(nèi)部滲流場和應(yīng)力場的耦合作用分析較少［6-7］。此外，不同降雨類型作用下邊坡內(nèi)部滲流場的響應(yīng)規(guī)律也并未引起研究人員的廣泛關(guān)注。因此，本文以云南小勐養(yǎng)-磨憨（“小磨”）公路沿線典型堆積體邊坡為研究對象，利用飽和-非飽和滲流理論，借助Geostudio 軟件開展不同降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性分析；以坡體內(nèi)部設(shè)定監(jiān)控點的孔隙水壓力和含水率變化反映邊坡滲流場變化，基于應(yīng)力-滲流耦合理論分析邊坡臨界滑移面安全系數(shù)的變化規(guī)律，以期為該地區(qū)堆積體邊坡在降雨作用下的穩(wěn)定性評價提供理論參考。

1 基于非飽和土強(qiáng)度理論的應(yīng)力-滲流耦合分析

Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則是表達(dá)土體材料強(qiáng)度規(guī)律的經(jīng)典理論。隨著非飽和土力學(xué)的發(fā)展，在傳統(tǒng)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上引入了基質(zhì)吸力的概念，得到了非飽和土抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則。

式中：c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；uw為孔隙水壓力；ua為孔隙氣壓力；χ為與土類別和飽和度有關(guān)的參數(shù)。

由于χ的物理意義并不明確并且較難確定。因此Fredlund 等［8］提出以正應(yīng)力與吸力作為變量的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式。本文進(jìn)行降雨數(shù)值模擬時采用的就是該理論。

式中，tanφb為抗剪強(qiáng)度隨吸力（ua-uw）增加而增加的速率。

在降雨入滲的過程中，滲流場與應(yīng)力場存在互相擾動的過程。降雨對應(yīng)力場的影響體現(xiàn)在導(dǎo)致巖土體有效應(yīng)力降低，土體骨架發(fā)生膨脹，顆粒間孔隙體積發(fā)生改變；在應(yīng)力場改變的基礎(chǔ)上，雨水滲流路徑發(fā)生改變，宏觀表現(xiàn)為材料滲透系數(shù)發(fā)生改變，對滲流場造成影響。因此，對降雨過程中邊坡內(nèi)部應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)進(jìn)行分析是得到邊坡失穩(wěn)規(guī)律的重要內(nèi)容。

基于非飽和土強(qiáng)度理論的應(yīng)力-滲流耦合分析具體采用Geostudio 軟件開展，即借助軟件的SEEP/W 模塊和SIGMA 模塊對含水率變化條件下材料的體積變化進(jìn)行求解：先采用SEEP/W 模塊對降雨入滲過程中坡體內(nèi)部的孔壓分布情況進(jìn)行求解；再將得到的孔壓代入到SIGMA 模塊中作為邊界和初始水壓條件，進(jìn)而得到考慮降雨條件下邊坡的體積變化規(guī)律。這種流固耦合計算方式得到的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且大大降低計算成本。

2 典型堆積體邊坡模型與分析工況

2.1 分析模型

以小磨公路K100+065～+300 的堆積體邊坡為研究對象。該邊坡在即將挖至路槽標(biāo)高時發(fā)生了滑坡，在K100+100 坡口線以外發(fā)現(xiàn)了張拉裂縫。根據(jù)地質(zhì)勘測資料和鉆孔結(jié)果，坡體由地表向深部材料依次為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、軟化泥質(zhì)粉砂巖及基巖，其中強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖內(nèi)部呈碎塊及碎石土狀?；w主要為全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖，上覆少量粉質(zhì)黏土；粉質(zhì)黏土為褐紅色，可塑狀；滑體泥巖為全-強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、碎石土狀。以地質(zhì)勘測報告為原型，建立數(shù)值模型如圖1 所示，模型劃分單元為5 160 個，節(jié)點為5 288 個。

圖1 計算模型

坡體巖土體遵循Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)勘察資料在邊坡后緣設(shè)置了拉裂縫，計算過程中將裂縫視為一種不計容重與強(qiáng)度參數(shù)且具有較高滲透性能的特殊材料。典型堆積體邊坡巖土力學(xué)參數(shù)見表1，非飽和分析力學(xué)參數(shù)如圖2 所示［9］。

圖2 坡體材料的力學(xué)參數(shù)

表1 巖土材料力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬工況

通過統(tǒng)計勐臘2013—2017 年氣象資料，得到月降雨平均值［圖3（a）］，結(jié)果顯示該地區(qū)降雨具有典型的干濕分明特性，降雨主要集中于6—8 月，集中了全年超過60%的降雨；最大月平均降雨量多出現(xiàn)在8 月，為392.7 mm。對勐臘地區(qū)多年降雨等級進(jìn)行統(tǒng)計［圖3（b）］，可知降雨類型多為小雨和中雨，大暴雨為極端降雨天氣。在統(tǒng)計逐次降雨事件的雨量分布特征后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)的降雨事件由一次或多次中雨以上降雨與若干次小雨組成，中雨以上的降雨在降雨事件中多為峰值。

圖3 勐臘地區(qū)2013—2017 年降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計

基于以上統(tǒng)計結(jié)果，分別從降雨量和降雨模式兩個角度對降雨作用下邊坡內(nèi)部滲流-應(yīng)力場的變化規(guī)律進(jìn)行分析。對降雨模式分析時，在保持降雨量為200 mm、降雨時長為10 d 不變的基礎(chǔ)上，選擇均一型、單值型、波動型3 種降雨模式，如圖4（a）所示；對降雨量分析時，則選擇均一型降雨模式，在10 d 降雨時長的條件下，分別設(shè)置降雨量R為200、400、600 mm，如圖4（b）所示。

圖4 不同降雨條件的計算方案

3 不同降雨條件下堆積體邊坡響應(yīng)規(guī)律與失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制分析

3.1 降雨模式分析

保持10 d 降雨時長和200 mm 的總降雨量，分別設(shè)置均一型（M1）、單值型（M2）和波動型（M3）3 種降雨模式，具體逐日降雨量見圖4（a）。對3 種降雨模式下坡體安全系數(shù)變化進(jìn)行比對（圖5），結(jié)果顯示在降雨前5 天，安全系數(shù)大小關(guān)系為單值型＞均一型＞波動型，此時3 種降雨模式的降雨強(qiáng)度大小正好與之相反；在第5 天之后，單值型降雨模式下坡體安全系數(shù)出現(xiàn)陡降并在t=5～7 d 內(nèi)持續(xù)小于另外兩種降雨模式，在降雨結(jié)束時刻波動型降雨安全系數(shù)最小，其次為單值型和均一型，3 種降雨模式作用下安全系數(shù)下降值分別為0.019、0.025 及0.026，說明波動型降雨對邊坡穩(wěn)定性擾動作用最為明顯。均一型降雨作用下安全系數(shù)呈單調(diào)下降趨勢，在降雨末期（t=7～10 d）內(nèi)下降速度加快；對于單值型降雨模式，在降雨前半段（t=0～5 d）內(nèi)降雨強(qiáng)度不斷增加，對應(yīng)安全系數(shù)的下降速度不斷增加。在峰值降雨強(qiáng)度t=5 d 后安全系數(shù)減低速度迅速增大，而后持續(xù)下降。波動型降雨模式下安全系數(shù)的變化規(guī)律具有明顯的波動趨勢，波動臨界點對應(yīng)的降雨時間與降雨強(qiáng)度變化對應(yīng)的降雨時間近似，且隨降雨強(qiáng)度的增加，安全系數(shù)降低值及下降趨勢更為明顯。但相比于降雨強(qiáng)度發(fā)生變化的時間點，安全系數(shù)做出響應(yīng)的時間點有些許延后，這是因為降雨入滲需要一定時間才可以運(yùn)移至潛在滑移面。因此安全系數(shù)的變化出現(xiàn)了滯后性。綜上所述，在相同降雨量和降雨時長的條件下，邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律降雨強(qiáng)度的變化規(guī)律具有一致性，波動型降雨模式最邊坡穩(wěn)定性影響最大。

圖5 不同降雨模式邊坡安全系數(shù)變化曲線

從滲流場角度對3 種降雨模式進(jìn)行對比，分別選擇降雨第5 天［圖6（a）］和第10 天［圖6（b）］坡體內(nèi)部孔壓分布進(jìn)行分析。雖然在降雨中期（t=5 d），降雨強(qiáng)度的關(guān)系為單值型M2＞均一型M1＞波動型M3，但在降雨前中期，波動型降雨量明顯高于其余兩種降雨模式。因此圖6 中波動型降雨對邊坡內(nèi)部孔壓消散范圍的影響最大，單值型入滲最少，因此影響面積最小。在降雨結(jié)束時刻，3 種降雨模式下坡體內(nèi)部負(fù)孔壓消散范圍基本相同，波動型和均一型降雨由于在第10 天時仍具有一定降雨強(qiáng)度。因此水流矢量主要停留在坡體淺層，而對于單值型降雨此時降雨強(qiáng)度基本為0，降雨在基質(zhì)吸力作用下向地下水位處移動，主要作用于潛在滑移面處，故在相同降雨條件下該種降雨模式導(dǎo)致坡體安全系數(shù)最低，對邊坡的擾動下也最大。

圖6 不同降雨時長的邊坡孔隙水壓力分布云圖

對3 種降雨模式下坡頂裂縫區(qū)13 m 埋深內(nèi)孔隙水壓力和體積含水量變化進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點位置如圖1 所示。圖7（a）顯示在降雨初期（t=1 d）和中期（t=5 d），地表處孔壓迅速做出響應(yīng)，負(fù)孔壓開始發(fā)生消散，3 種降雨模式下距地表埋深7 m 內(nèi)各監(jiān)測點孔壓均發(fā)生變化，說明此時濕潤鋒均運(yùn)移至此位置。波動型降雨條件下地表處孔壓消散程度最大，均一型其次，單值型最小，這與降雨強(qiáng)度的大小規(guī)律相同。降雨末期，3 種降雨模式下孔壓值基本保持一致，說明在降雨量完全入滲的條件下，孔隙水壓力的變化規(guī)律與降雨強(qiáng)度的變化規(guī)律相類似，孔壓的變化值則受到降雨量的控制，與降雨模式無關(guān)。

圖7（b）為不同降雨模式下體積含水率隨深度變化規(guī)律。降雨開始階段，降雨入滲雖對坡體內(nèi)部孔壓有所補(bǔ)給，但在單值型降雨條件下，初始降雨強(qiáng)度基本為0，地表淺層2 m 內(nèi)部分水分在基質(zhì)吸力的作用下向坡體內(nèi)部運(yùn)移。因此含水率出現(xiàn)小幅度降低。在降雨中期，含水量的大小分布規(guī)律與孔壓類似，以波動型降雨條件下內(nèi)部含水率上升幅度最大，單值型最小。在降雨結(jié)束時，3 種降雨模式下不同埋深處含水率基本相同。

圖7 不同降雨模式下邊坡物理量分布

選擇降雨第1、5、10 天坡體內(nèi)部塑性區(qū)分布情況，對降雨作用對應(yīng)力場的影響進(jìn)行討論。在圖8中，均一型和波動型降雨強(qiáng)度較高，坡面淺層區(qū)域已進(jìn)入屈服。隨降雨過程的繼續(xù)，降雨不斷入滲，坡腳處屈服面積不斷增加，在降雨第5 天（圖9）波動型降雨強(qiáng)度下降到5 mm/d，此時相比于其余兩種降雨模式，地表淺層屈服區(qū)域隨降雨入滲向深部推移；坡頂處裂縫區(qū)內(nèi)也已幾乎處于塑性區(qū)。降雨末期（圖10），單值型降雨作用下屈服區(qū)主要沿強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥沙巖與軟化粉質(zhì)泥沙巖交界面處延伸，波動型降雨模式下坡腳處塑性區(qū)的分布與滑移面所在位置較為接近，也就是說滑移面所處區(qū)域材料已經(jīng)進(jìn)入屈服狀態(tài)。因此降雨結(jié)束時刻安全系數(shù)更低。

圖8 降雨初期（t=1 d）坡體內(nèi)部塑性區(qū)分布

圖9 降雨中期（t=5 d）坡體內(nèi)部塑性區(qū)分布

圖10 降雨末期（t=10 d）坡體內(nèi)部塑性區(qū)分布

圖11 為降雨結(jié)束時刻邊坡內(nèi)部臨界滑移面所處位置，分別對3 種模式下潛在滑移面入口A點與出口B點水平向位移差值進(jìn)行比對，并設(shè)置負(fù)值表示位移方向為指向坡體外部。其中，在降雨過程中A、B兩點位移基本為負(fù)值。圖12 顯示A點位移絕對值大于B點，說明在降雨過程中坡頂處變形較坡腳處更大。這一情況主要由于A點位于裂縫區(qū)并靠近主裂縫，在降雨入滲過程中裂縫側(cè)壁受到指向坡體外部的動水壓力，并且降雨造成有效應(yīng)力降低、材料發(fā)生膨脹兩種因素共同導(dǎo)致。降雨過程中A、B點位移差值的變化規(guī)律與降雨強(qiáng)度變化規(guī)律相一致，隨降雨強(qiáng)度的增加，滑移面進(jìn)出口相對變形隨之增大，邊坡更易發(fā)生失穩(wěn)。

圖11 降雨結(jié)束時刻臨界滑移面所處位置

圖12 降雨過程中滑移面進(jìn)出口水平位移差值

3.2 降雨量分析

對降雨量進(jìn)行模擬時保證降雨時長仍為10 d，降雨模式為均一型降雨；降雨量分別設(shè)置為R1=200 mm、R2=400 mm 和R2=600 mm。圖13 顯示了3 種降雨量條件下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，結(jié)果顯示降雨量的增加導(dǎo)致安全系數(shù)值下降速度顯著增加。降雨結(jié)束后3 種不同工況下安全系數(shù)的降低值分別為0.027、0.082 及0.095，說明降雨量的增加對邊坡穩(wěn)定性的擾動程度和擾動速率均具有促進(jìn)作用。

圖13 不同降雨量下邊坡安全系數(shù)

結(jié)合降雨過程中不同降雨量作用下坡體內(nèi)部孔壓分布云圖進(jìn)行分析。在降雨初期（圖14），隨降雨含量的增加，開挖區(qū)域坡體內(nèi)部孔壓消散面積明顯增加；在600 mm 降雨量條件下，裂縫區(qū)域內(nèi)部孔壓已升高至-50～0 kPa，由地表入滲的降雨已經(jīng)運(yùn)移至地下水位處。在降雨中期（圖15），200 mm 降雨量條件下降雨影響區(qū)域仍停留在坡體淺層區(qū)域，400 mm 和600 mm 降雨量條件下開挖面下方坡體孔壓基本已上升至-50～0 kPa，此外在圖15（c）中已經(jīng)可以觀察到地下水位上升現(xiàn)象，說明該計算條件下降雨中期時，自地表入滲降雨已經(jīng)開始補(bǔ)給地下水。在降雨結(jié)束時刻（圖16），600 mm 降雨條件下裂縫區(qū)下部已經(jīng)形成孔壓消散帶，地下水位上升高度明顯高于其余兩種降雨條件，400 mm 降雨量作用下裂縫區(qū)下部存在了明顯的暫態(tài)飽和區(qū)。結(jié)合非飽和土強(qiáng)度理論可知，孔壓消散區(qū)域面積的增加和地下水位的提升是降雨量增加導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低的主要原因。

圖14 降雨初期（t=3 d）時不同降雨量下邊坡孔隙水壓力云圖

圖15 降雨中期（t=5 d）時不同降雨量下邊坡孔隙水壓力云圖

圖16 降雨末期（t=10 d）時不同降雨量下邊坡孔隙水壓力云圖

圖17 為不同降雨量條件下裂縫區(qū)監(jiān)測點的孔壓及含水量變化情況。在控制降雨持時相同的條件下，降雨量越大代表日降雨即降雨強(qiáng)度越大。降雨量越大同一埋深處基質(zhì)吸力下降越明顯。在降雨初期（t=1 d）和中期（t=5 d），3 種降雨量下孔壓消散深度基本相同，但孔壓升高程度隨降雨量的增加而增加。在降雨第5天時，600 mm 降雨量作用下地表埋深4 m 以內(nèi)孔壓已減小至-50 kPa左右，約為200 mm降雨量的1/3 左右；在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行降雨對于地表附近孔壓影響不大，說明此時降雨濕潤鋒主要影響地表深部，在降雨第10 天時600、400、200 mm降雨量所對應(yīng)的孔壓變化最遠(yuǎn)位置分別為地表埋深大于13、13、9 m 處，說明隨降雨量的增加相同時間內(nèi)降雨入滲范圍越大。含水量變化規(guī)律與孔壓變化規(guī)律類似，在降雨初期降雨量的差別對含水率影響不是很大，在降雨中后期隨降雨強(qiáng)度的增加裂縫區(qū)含水量增加速度越快，受影響的范圍也越大，不同降雨量對邊坡的影響也越來越明顯。

圖17 不同降雨量下邊坡物理量隨深度變化曲線

降雨第10 天時3 種降雨量下邊坡安全系數(shù)均降至最低值，對此時坡體塑性區(qū)分布進(jìn)行比對如圖10（a）及圖18 所示。在中、強(qiáng)降雨量作用下，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)域含水量增加，地下水位高度增加導(dǎo)致底部進(jìn)入飽和狀態(tài)，對下方軟化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)域施加更多的法向應(yīng)力，故塑性區(qū)面積增加；600 mm 降雨量作用下坡體內(nèi)部塑性區(qū)具有明顯向上延伸趨勢，塑性區(qū)即將貫通，對邊坡穩(wěn)定性影響更為嚴(yán)重。圖19 為3 種降雨量作用下滑移面條分后底部中心點處剪應(yīng)力分布情況。進(jìn)行統(tǒng)計可以得到沿滑移面從出口到入口方向剪應(yīng)力差異性主要發(fā)生在中后部區(qū)域，這主要與高降雨量下裂縫區(qū)優(yōu)先入滲作用更為顯著有關(guān)。對潛在滑移面進(jìn)出口點水平向位移差值進(jìn)行比較，如圖20 所示，進(jìn)出口均產(chǎn)生指向坡體外側(cè)的位移變形，且坡頂處由于裂縫作用導(dǎo)致其變形遠(yuǎn)大于坡腳處。降雨前期（t=3 d）內(nèi)位移差值逐漸增大，說明此時滑移面出入口相對變形尚未達(dá)到最大值，安全系數(shù)降低速度較為緩慢，而在后期位移差值到達(dá)最大值后基本保持不變，說明此時滑移面基本已經(jīng)形成，在降雨的作用下逐漸產(chǎn)生滑移趨勢。

圖18 不同降雨量降雨結(jié)束時刻的塑性區(qū)分布

圖19 不同降雨量下滑移面底部剪應(yīng)力分布

圖20 降雨過程中滑移面進(jìn)出口水平向位移差

4 結(jié)論

1）在降雨量和降雨時長相同且降雨完全入滲的條件下，3 種降雨模式的安全系數(shù)大小關(guān)系為均一型＞單值型＞波動型，安全系數(shù)的波動規(guī)律與降雨強(qiáng)度的變動規(guī)律具有一致性。隨降雨強(qiáng)度的增加，降雨入滲速度和影響面積隨之增大，后緣拉裂縫區(qū)域優(yōu)先入滲更為明顯，對邊坡穩(wěn)定性影響越大。

2）在降雨時長相同的條件下，降雨量增大相當(dāng)于降雨強(qiáng)度的增加，邊坡安全系數(shù)降低幅度及速率隨之增加。降雨量的增加也會導(dǎo)致坡體內(nèi)部出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，這種飽和區(qū)導(dǎo)致材料容重增加，抗剪強(qiáng)度降低，對邊坡安全性具有重要的擾動作用。在600 mm降雨量作用下，坡腳處地下水位明顯上升，導(dǎo)致軟化粉質(zhì)泥沙巖區(qū)域塑性區(qū)增加，坡體內(nèi)部塑性區(qū)沿坡腳處也具有明顯的向上延伸趨勢。