蔣必鳳，凌 毅，開潘棟

(1.三亞學(xué)院，海南 三亞 572022；2.海南陽光鑫海發(fā)展有限公司，海南 三亞 572000)

0 引言

我國多數(shù)地區(qū)會受到臺風(fēng)不同程度的影響，且在夏秋季最為顯著。臺風(fēng)發(fā)生往往伴隨著強(qiáng)風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮，是造成邊坡失穩(wěn)和破壞的最主要、最常見的環(huán)境因素。臺風(fēng)引起的滑坡往往是毫無前兆的、突發(fā)的，對于人民人身安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著嚴(yán)重的威脅。海南臺風(fēng)暴雨雨量約占臺風(fēng)降水的90%以上,因此對臺風(fēng)暴雨的研究顯得更為重要[1]。臺風(fēng)強(qiáng)降雨造成邊坡土體含水率短期內(nèi)迅速提高、內(nèi)部孔隙水壓力驟增、基質(zhì)吸力降低；同時(shí)地下水位受降雨影響升高，順著邊坡方向，土體的滲透壓力增加，形成高強(qiáng)度的地表徑流；并且持續(xù)性降雨使得表層土體泥化、軟化、抗剪強(qiáng)度大幅度降低，進(jìn)而邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

熊茂東等[2]認(rèn)為短時(shí)間的超強(qiáng)度降雨僅使邊坡表面發(fā)生沖刷，而長時(shí)間的中等強(qiáng)度降雨可導(dǎo)致邊坡發(fā)生大范圍滑坡。張石等[3]認(rèn)為雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)越早或次數(shù)越少，濕潤鋒入滲深度越深；雨強(qiáng)峰值出現(xiàn)越早或次數(shù)越多，邊坡穩(wěn)定性越差；前峰雨是所有雨型中最危險(xiǎn)的雨型。郁舒陽等[4]認(rèn)為,降雨期間邊坡表面體積含水率增大至飽和,孔壓趨向于0,停雨后邊坡上部體積含水率及孔壓逐漸減小。任佳等[5]認(rèn)為降雨模式對土質(zhì)邊坡降雨入滲規(guī)律和穩(wěn)定性有顯著的影響,其中減弱型降雨模式對土質(zhì)邊坡內(nèi)孔隙水壓力的變化影響最大。沈佳等[6]認(rèn)為臺風(fēng)暴雨型滑坡位移演化過程分為壓縮沉降微變形階段、勻速變形階段、加速變形階段,加速變形直至失穩(wěn)階段,破壞迅速,具有突發(fā)性,曲線呈非線性。徐雷[7]針對臺風(fēng)降雨對邊坡穩(wěn)定性的破壞，提出了削坡卸載、錨索固腳、框格錨桿等具體措施。李世貴等[8]提出了減重壓腳法不僅可以節(jié)約造價(jià)、縮短工期，還可以達(dá)到永久治理的效果。臺風(fēng)強(qiáng)降雨會造成不同程度的邊坡失穩(wěn)，因此對邊坡穩(wěn)定性預(yù)測及有效地提前預(yù)防治理非常重要。

1 海南地區(qū)臺風(fēng)強(qiáng)降雨引起的邊坡地質(zhì)災(zāi)害分析

海南屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，夏秋兩季，熱帶氣旋發(fā)生頻次高，根據(jù)1949年—2020年海南省熱帶氣旋登錄頻次統(tǒng)計(jì)，熱帶氣旋共登錄海南島173次，年平均登錄頻數(shù)約為2次～3次。海南年平均雨量超過1 600 mm，東部多雨區(qū)甚至達(dá)到2 200 mm以上，其中也包括受熱帶氣旋影響帶來的持續(xù)性降雨。2021年10月，在熱帶氣旋“獅子山”“圓規(guī)”的侵襲下，海南經(jīng)歷了長達(dá)半個(gè)多月的持續(xù)性降雨，降雨量達(dá)到300 mm以上，部分地區(qū)甚至達(dá)到了500 mm以上。

邊坡突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害主要集中于夏秋季節(jié)熱帶氣旋、強(qiáng)對流極端天氣等帶來的強(qiáng)降雨期中后期，具有集中群發(fā)性、累積性及相對滯后性等特點(diǎn)。如2014年，海南省昌江縣霸王嶺林區(qū)受強(qiáng)熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”的影響和期間持續(xù)性強(qiáng)降雨的影響，在林區(qū)內(nèi)共發(fā)生大小滑坡約75處，主要集中于盤山公路兩側(cè)，對上山通道造成了嚴(yán)重堵塞并對救援造成了阻礙。截至2022年3月，經(jīng)專家認(rèn)定、按程序納入省級地質(zhì)災(zāi)害隱患數(shù)據(jù)庫的隱患點(diǎn)共有172處，共威脅人口3 364人，威脅資產(chǎn)24 455萬元。其中，崩塌137處，滑坡24處，泥石流10處，地面塌陷1處。地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)主要分布在海南中部、南部、東南部山地丘陵地區(qū)，主要集中在瓊中、五指山、保亭、昌江、白沙、三亞、瓊海、萬寧、陵水等9個(gè)市縣[9]。

2 基于Geo-Studio的臺風(fēng)強(qiáng)降雨對邊坡穩(wěn)定性模擬及治理分析

2.1 模型的建立和參數(shù)設(shè)定

本計(jì)算模型以海南地區(qū)自然地理狀況和地形地貌為背景，結(jié)合海南地區(qū)臺風(fēng)強(qiáng)降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的特征，選取合適的數(shù)值，利用Geo-Studio構(gòu)建計(jì)算模型。

1)計(jì)算模型。

計(jì)算模型為二元結(jié)構(gòu)，分為上下兩層，上層為磚紅壤，下層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。為分析植被對邊坡的影響，設(shè)置對比實(shí)驗(yàn)，一種為無植被邊坡，一種為植被邊坡。計(jì)算模型如圖1,圖2所示。

2)模型參數(shù)與材料參數(shù)。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料和文獻(xiàn)[10-11]進(jìn)行材料和模型參數(shù)的選擇，選取的材料模型為Mohr-Coulomb模型。模型參數(shù)與材料參數(shù)如表1,表2所示。

表1 模型參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2.2 初始條件

1)海南地區(qū)臺風(fēng)暴雨歷時(shí)一般為3 d～15 d，降雨量一般大于300 mm，并且受到地形地貌、氣候環(huán)境、人為因素等的影響，具有歷時(shí)長、范圍廣、雨量大、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)以往幾次臺風(fēng)期間降雨情況，設(shè)計(jì)總降雨量為300 mm，降雨歷時(shí)為2 d。

2)模型左側(cè)邊界為3 m，右側(cè)邊界為1 m。

3)滑移面設(shè)為從左到右。

4)模型底面設(shè)為不透水邊界。

2.3 工況選取

為研究臺風(fēng)強(qiáng)降雨過程對自然邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)置降雨前、中、后三種工況，通過定義初始水位和邊界條件模擬降雨，分植被邊坡和無植被邊坡進(jìn)行討論降雨、植物根系對邊坡的作用。為了增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，設(shè)置抗滑樁、壓腳、消方減載工況，模擬相關(guān)工程措施，求解計(jì)算模型的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

本文設(shè)置六種工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，如表3所示。

表3 工況選擇表

2.4 軟件的選擇

本文選用連續(xù)分析法軟件Geo-Studio，通過SLOPE/W,SEEP/W兩個(gè)模塊進(jìn)行分析。SEEP/W模塊主要通過滲流有限元計(jì)算來分析邊坡滲流場的浸潤線位置及地下水位的邊坡。SLOPE/W模塊可以調(diào)用SEEP/W模塊的滲流分析結(jié)果通過多種極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

1)降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響分析。

通過數(shù)值模擬軟件Geo-Studio模擬降雨前、降雨中、降雨后的無植被邊坡和植被邊坡的穩(wěn)定性，臨界滑移面和安全系數(shù)如圖3～圖8所示。

降雨前、降雨中、降雨后工況的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表4所示。

表4 降雨前、中、后工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)表

從圖3，圖4并結(jié)合表4可以看出，在只考慮自然狀況地下水穩(wěn)態(tài)滲流的條件下，植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.604，明顯高于無植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)1.376。由此可見，植物根系對邊坡的穩(wěn)定性起著較為明顯的作用。

從圖5，圖6并結(jié)合表4可以看出，在考慮地下水穩(wěn)態(tài)滲流并考慮降雨持續(xù)一段時(shí)間的條件下，植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.509，同樣明顯高于無植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)1.334，并且降雨過程中植被邊坡穩(wěn)定性系數(shù)仍然高于降雨前的無植被邊坡。但是，相比于降雨前，降雨過程中植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低了0.095，無植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降了0.042，隨著降雨的持續(xù)，植被邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低較多，表明降雨過程中根系對邊坡的穩(wěn)定性有一定的負(fù)作用。

從圖7，圖8并結(jié)合表4可以看出，降雨停止后，植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.552，同樣明顯高于無植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)1.348。相對于降雨過程中邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，降雨后的植被邊坡和無植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)都有所提高，但低于降雨前的穩(wěn)定性系數(shù)。降雨停止后，植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)比降雨前降低了0.052，無植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低了0.028。同樣表明，降雨中植物根系對邊坡的穩(wěn)定性有一定的負(fù)作用。

2)不同治理措施對邊坡穩(wěn)定性的影響。

通過數(shù)值模擬軟件Geo-studio模擬設(shè)置抗滑樁、壓腳、削方減載治理方式下無植被邊坡和植被邊坡的穩(wěn)定性，并計(jì)算其安全系數(shù)，如圖9～圖14所示。

不同邊坡治理方式下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如表5所示。

表5 不同治理方式下邊坡穩(wěn)定系數(shù)表

從圖9，圖10并結(jié)合表5可以看出，只考慮自然狀況地下水穩(wěn)態(tài)滲流、不考慮降雨的條件下，采取模擬工程措施打入抗滑樁，設(shè)置點(diǎn)荷載，植被邊坡穩(wěn)定性高于無植被邊坡。相對于沒有采取治理措施的降雨前的自然狀態(tài)邊坡，無植被邊坡和植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均有所上升，植被邊坡提升了0.006，無植被邊坡提升了0.005，提升較小，效果不強(qiáng)，可以進(jìn)一步研究抗滑樁性能和埋入深度的影響從而提高安全系數(shù)提升空間。

從圖11，圖12并結(jié)合表5可以看出，在只考慮自然狀況地下水穩(wěn)態(tài)滲流、不考慮降雨的條件下，采取模擬工程措施壓腳工程，設(shè)置點(diǎn)荷載，植被邊坡穩(wěn)定性高于無植被邊坡。相對于沒有采取治理措施的降雨前的自然狀態(tài)邊坡，無植被邊坡和植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均有所上升，植被邊坡提升了0.216，無植被邊坡提升了0.069，比抗滑樁治理方式提升較多，并且壓腳工程施工方便，操作簡單，可以適用于大多數(shù)隱患點(diǎn)。

從圖13，圖14并結(jié)合表5可以看出，在只考慮自然狀況地下水穩(wěn)態(tài)滲流、不考慮降雨的條件下，采取模擬工程措施削方減載，能夠降低滑動力，減緩滑坡移動。植被邊坡穩(wěn)定性高于無植被邊坡。相對于沒有采取治理措施的降雨前的自然狀態(tài)邊坡，無植被邊坡和植被邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均有所上升，植被邊坡提升了0.424，無植被邊坡提升了0.397。相對于其他兩種工程治理措施而言，提升效果最明顯，對于重大隱患點(diǎn)并且坡度較陡時(shí)，可以采用該種方法來有效提升邊坡的安全系數(shù)。

3 結(jié)論

從時(shí)間上來看，臺風(fēng)期間的邊坡安全系數(shù)排序?yàn)椋河昵?雨后>雨中，在持續(xù)性降雨過程中，隨著時(shí)間的推移，降雨雨水會逐漸滲入邊坡，邊坡的安全系數(shù)會隨之逐漸下降，降雨結(jié)束后，一部分入滲的水和徑流的水會隨著時(shí)間的推移逐漸散失，邊坡的抗滑力也得以恢復(fù)，最終趨于穩(wěn)定。這也是為什么臺風(fēng)強(qiáng)降雨過程中往往會發(fā)生滑坡等各種地質(zhì)災(zāi)害的原因。

從邊坡類型上來看，在僅考慮根-土復(fù)合體材料相關(guān)參數(shù)的情況下，對比兩組數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，分析其邊坡滲流和穩(wěn)定性安全系數(shù)，可以得知植被邊坡較天然狀態(tài)下邊坡來說護(hù)坡效果更好、更加穩(wěn)定。

從邊坡防治措施上來看，壓腳工程，加固荷載(抗滑樁)，削方減載工程等都會在不同程度上提高邊坡的穩(wěn)定性，其中削方減載對邊坡穩(wěn)定性的提升最明顯，但工程實(shí)施難度也較大，可以進(jìn)行更深一步的研究，將理論和實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，探索治理邊坡失穩(wěn)的最佳處理方式。