陶 偉，孫明露，曹 亮，劉叢叢

(1.西藏大學(xué)工學(xué)院，西藏 拉薩 850000；2.西藏自然科學(xué)博物館，西藏 拉薩 850000)

0 前 言

川藏公路波密至林芝段沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地形起伏大、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈以及氣象條件惡劣，滑坡、泥石流等山地災(zāi)害較發(fā)育，其具有規(guī)模大、破壞力強(qiáng)、災(zāi)害發(fā)生頻繁且難于治理等特點(diǎn)[1-2]，該路段降雨豐富且雨季較長(zhǎng)，導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，堪比地質(zhì)災(zāi)害博物館，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。

目前，眾多學(xué)者針對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究較多，田洪寧、孫兆濤等[4-8]采用Geostudio數(shù)值模擬對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。湯志鵬等[9]通過(guò)Midas/GTS數(shù)值模擬和傳遞系數(shù)法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。代雪等[10]采用Geostudio軟件、理正軟件以及ANSYS軟件，結(jié)合M-P法、Bishop法和強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，并對(duì)三種方法計(jì)算的安全系數(shù)相互對(duì)比。束思源等[11]通過(guò)Midas GTS/NX軟件，分析了降雨入滲深度和土體強(qiáng)度衰減比對(duì)濕陷性黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。

綜上所述，針對(duì)邊坡穩(wěn)定性研究方法較多，但對(duì)多種方法驗(yàn)證邊坡穩(wěn)定性后，并對(duì)邊坡降雨入滲深度進(jìn)行研究較少。因此，本文采用Geo-studio數(shù)值模擬和簡(jiǎn)布條分法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，并采用降雨入滲深度計(jì)算該邊坡滑動(dòng)深度，最后結(jié)合野外勘察進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

研究邊坡位于川藏公路波密縣區(qū)域內(nèi)，地理坐標(biāo)為95°31′54″′E，29°53′56″N，海拔高程為2 665 m，區(qū)域是高山峽谷地貌，構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育，地處嘉黎斷裂帶，地震烈度為9°。邊坡區(qū)域?yàn)榈湫偷拇箨懜咴詺夂?，年?nèi)降雨時(shí)間分布不均勻，有明顯的雨季和旱季，雨季集中在5～10月份，這一時(shí)期集中了全年90%以上的降雨，年平均降雨量977 mm，地下水主要為第四系孔隙水與入滲雨水。該邊坡坡高24 m，坡長(zhǎng)13 m，坡寬158 m，坡度70°，坡向232°，坡體中上部有局部滑動(dòng)，右側(cè)存在6～7 m張拉裂縫，頂部有不穩(wěn)定層，坡面及平臺(tái)位置的植物主要為灌木從，如圖1(a)所示，雨季回訪現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)邊坡已滑動(dòng)，如圖1(b)所示。

(a)初次調(diào)查圖

2 降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

2.1 Geo-studio模擬計(jì)算

采用SEEP/W和SLOP/W兩個(gè)模塊耦合對(duì)降雨條件下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其主要包括選擇屬性分析、根據(jù)野外邊坡數(shù)據(jù)繪制邊坡模型、分配材料、輸入相關(guān)參數(shù)、滲流分析、耦合SLOP/W模塊并輸入相關(guān)參數(shù)、確定最小安全系數(shù)即最可能滑動(dòng)的滑動(dòng)面。模型邊界條件為：邊坡坡頂及邊坡前后緣水平面為入滲邊界(降雨流量邊界)，模型兩側(cè)，地下水位線以上設(shè)為零流量邊界，水位線以下設(shè)為固定總水頭邊界，邊坡下部為不透水基巖，設(shè)為零流量邊界。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和大量文獻(xiàn)資料，可知邊坡的各種巖土參數(shù)，見(jiàn)表1。其次，利用Geo-studio軟件SEEP/W模塊中VG模型計(jì)算，可得出邊坡土的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線如圖2所示，室內(nèi)測(cè)試的邊坡土樣顆粒級(jí)配如圖3所示。

表1 邊坡巖土參數(shù)

(a)土水特征曲線

圖3 邊坡土樣顆粒級(jí)配圖

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際降雨資料可知，邊坡失穩(wěn)前總降雨量為202 mm,連續(xù)降雨10 d，其平均日降雨強(qiáng)度為10 mm/d。降雨期間邊坡的安全系數(shù)變化如圖4所示。

圖4 邊坡最小安全系數(shù)模擬圖

用Geo-studio有限元軟件模擬計(jì)算時(shí)獲得邊坡在持續(xù)降雨第10 d時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)，得出安全系數(shù)為0.969，小于規(guī)范值，說(shuō)明邊坡處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 穩(wěn)定性理論計(jì)算

在土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算中，土體顆粒之間的咬合力和摩擦力均較大，將土體條分后，條塊側(cè)面的作用力不可忽略，而N.Janbu(1954)提出著名的簡(jiǎn)布條分法考慮了條塊間的相互作用力，且該方法適合分析任意滑動(dòng)面滑坡的穩(wěn)定性。它是在一定假設(shè)前提條件下，將土體進(jìn)行條分, 隨后對(duì)土條進(jìn)行受力分析，最后經(jīng)過(guò)多次迭代算法計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)K。

取第i條塊受力分析如圖5所示，根據(jù)滑動(dòng)面上極限平衡條件受力分析，得到穩(wěn)定性計(jì)算公式。

圖5 土條受力分析圖

根據(jù)土的豎向方向力學(xué)平衡∑Fy=0，有：

(1)

根據(jù)土的水平方向力學(xué)平衡∑Fx=0，有：

(2)

滑動(dòng)面上切向力Ti等于滑動(dòng)面上土所發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度τif，即：

(3)

將式(1)～(3)聯(lián)立求解，化簡(jiǎn)可得：

(4)

則：

(5)

將式(5)帶入式(2)，得：

(6)

(7)

式中，Wi為第i條塊自重;Δxi為第i條塊上下側(cè)側(cè)向豎直力差值;αi為第i條塊滑面的傾角;Gxi、Gyi為x、y方向的滲透力分量;ΔUxi為第i條塊前后側(cè)水壓力差值;φi為第i條塊滑面的摩擦角;Ci為第i條塊滑面的粘聚力;li為第i條塊滑面長(zhǎng)度。

根據(jù)迭代法，將條塊各參數(shù)編制到Excel表中進(jìn)行迭代計(jì)算，根據(jù)編制的Excel 表進(jìn)行兩次迭代計(jì)算出該邊坡在降雨第10d時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)為0.943 5。其簡(jiǎn)布條分法計(jì)算的降雨期間邊坡的安全系數(shù)變化如表2所示。

表2 簡(jiǎn)布條分發(fā)迭代計(jì)算表

通過(guò)有限元軟件和簡(jiǎn)布條分法計(jì)算該邊坡穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)該邊坡在降雨第10 d時(shí)都處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)二者計(jì)算出的邊坡失穩(wěn)前的邊坡安全系數(shù)變化如圖6所示。

圖6 邊坡安全系數(shù)變化圖

從圖6可以看出，Geo-studio數(shù)值模擬和簡(jiǎn)布條分法計(jì)算隨降雨時(shí)間持續(xù)的邊坡安全系數(shù)基本一致，其相差較小，同時(shí)驗(yàn)證了該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；由二者計(jì)算邊坡安全系數(shù)變化曲線可知，邊坡穩(wěn)定性隨著降雨的持續(xù)逐漸降低，直至邊坡失穩(wěn)。

2.3 入滲深度計(jì)算

降雨入滲的深度與土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性具有密切的關(guān)系，降雨的強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)、初始含水率、飽和含水率以及土體的孔隙度等與降雨入滲深度密切相關(guān)。根據(jù)該地實(shí)際降雨量，其日平均降雨量10 mm/d, 均小于土體的飽和/非飽和滲透系數(shù)，此時(shí)滲透速率由降雨強(qiáng)度控制，土質(zhì)邊坡瞬時(shí)降雨入滲深度為[12]：

(8)

式中，h為降雨入滲深度；α為坡度；n為孔隙率；θw、θs分別為土坡的飽和體積含水率和初始含水率；q為降雨強(qiáng)度；t為降雨持續(xù)時(shí)間。

計(jì)算降雨第10 d的入滲深度為：

即根據(jù)降雨入滲公式計(jì)算得到降雨失穩(wěn)時(shí)的最大降雨入滲深度為0.460 33 mm，屬于表層局部滑動(dòng)。根據(jù)2020年8月回訪核實(shí)，邊坡實(shí)際滑動(dòng)深度大約為0.44 m，小于穩(wěn)定性計(jì)算的滑動(dòng)深度0.460 33 m，最大降雨入滲深度與實(shí)際滑動(dòng)深度基本一致，誤差為0.02 m，基本合理。

3 結(jié) 論

本文利用Geo-studio有限元軟件和簡(jiǎn)布條分法兩種方法對(duì)降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時(shí)，對(duì)降雨入滲深度進(jìn)行計(jì)算，并與該邊坡實(shí)際滑動(dòng)深度進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)論如下。

1)采取數(shù)值模擬與簡(jiǎn)布條分法兩種方法進(jìn)行分析邊坡穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)比邊坡安全系數(shù),使所得計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。使用Geo-studio有限元軟件計(jì)算得出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.969，簡(jiǎn)布條分法計(jì)算得出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.9 435, 邊坡均處于不穩(wěn)定。

2)通過(guò)降雨入滲深度公式計(jì)算該邊坡最大入滲深度為0.460 33 m，與實(shí)際滑動(dòng)深度約0.44 m相差較小，說(shuō)明最大降雨入滲深度與實(shí)際滑動(dòng)深度基本一致。

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