陳 茜，蔣水利

(陜西水利水電工程集團有限公司，陜西 西安 710018)

1 概述

邊坡失穩(wěn)是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一[1]，也是巖土工程持續(xù)關(guān)注的熱點問題。在土質(zhì)邊坡失穩(wěn)前，由于坡頂表面附近土體內(nèi)的拉應(yīng)力大于抗拉強度，坡頂張拉開裂，產(chǎn)生一定深度的拉張裂縫，并伴隨整個失穩(wěn)過程，對土坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)模式具有密切的影響[2-3]。

王燦輝[4]利用FLAC軟件分析張拉破壞對土坡穩(wěn)定性的影響，指出土體的抗拉強度對土坡穩(wěn)定性具有重要的影響。于婷婷等[5]討論了考慮降雨拉張裂縫作用對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，指出降雨強度和降雨歷時與裂縫的位置和邊坡的穩(wěn)定性存在密切關(guān)系。劉華磊等對降雨條件下邊坡裂縫的演化機制及邊坡穩(wěn)定性展開研究，認(rèn)為地表裂縫為降水入滲提供了通道，使水分更容易抵達(dá)邊坡土體內(nèi)部的軟弱結(jié)構(gòu)面，而降低邊坡的穩(wěn)定性。李全文等[6]以淺層滑坡為研究對象，利用數(shù)值模擬方法研究降雨條件下含裂縫邊坡的穩(wěn)定性，表明降雨會以裂縫為優(yōu)勢入滲通道快速滲入到滑面位置而提高滑面處的有效應(yīng)力，降低邊坡穩(wěn)定性。杜玉鵬[7]開展了持續(xù)降雨條件下黃土中雨水入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響研究，通過模擬不同裂縫發(fā)育深度下邊坡穩(wěn)定性指出黃土邊坡穩(wěn)定性隨裂縫深度的增大而降低，當(dāng)裂縫發(fā)育方向與最危險滑動線方向一致時，邊坡安全系數(shù)下降最快。馬蓓青等[8]研究了持續(xù)降雨條件對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，指出降雨歷時增加,黃土邊坡土體含水率逐漸增大,土體強度降低,易導(dǎo)致坡腳出現(xiàn)滑坡。而坡頂拉張裂縫的存在加劇了降雨入滲的過程，加速了土體強度和邊坡穩(wěn)定性的降低。

上述研究表明，水分侵入會對坡頂具有拉張裂縫的邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。這些研究的共同特征在于考慮自上而下的入滲過程，即水分由地表向土體內(nèi)部侵入。導(dǎo)致土體內(nèi)含水率變動的另一重要因素是地下水位的波動。如河流、湖泊等地表水體附近的邊坡會因河水位、湖水位的變化而使地下水位產(chǎn)生明顯的波動。地下水位波動會引起土體內(nèi)含水量自下而上的變動過程，本文關(guān)注的重點在于當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生波動后對坡頂具有拉張裂縫的邊坡穩(wěn)定性影響機制，總結(jié)拉張裂縫與地下水位變動耦合作用下邊坡穩(wěn)定性特征，以期為構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性評估方法，探索邊坡失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)報和邊坡治理技術(shù)提供借鑒。

2 基本原理

2.1 考慮土體強度水敏性和土體重度與含水率相關(guān)的簡布法

簡布法主要思想是取單位長度土坡按平面問題計算邊坡的安全系數(shù)，當(dāng)采用總應(yīng)力表示時，安全系數(shù)如式(1)所示：

(1)

其中，F(xiàn)s為安全系數(shù);αi為第i土條底面中點對應(yīng)于滑動面圓心時與豎直方向的夾角;li為第i土條底面水平投影長度;Wi為第i土條自重;ΔHi為第i土體兩側(cè)切向力的合力;ci為第i土條內(nèi)土的黏聚力;φi為第i土條內(nèi)土的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)土體內(nèi)濕度(飽和度/含水率)發(fā)生改變時，既會對土體的重度產(chǎn)生影響，又會影響土體強度，進而影響邊坡的穩(wěn)定性。對于含有非飽和區(qū)的土質(zhì)邊坡，其間含水率空間分布是非均勻的，相應(yīng)的土體重度可表示為：

γ(x,y)=γd[1+θ(x,y)]

(2)

故而土體重度在沿豎向呈現(xiàn)非線性變化的特征。

土體強度隨含水率變化而改變，林鴻州等[9]研究表明：黏聚力隨飽和度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；內(nèi)摩擦角則隨飽和度的增大而減小。根據(jù)林鴻州等研究成果，可以采用如下表達(dá)式刻畫土體內(nèi)含水率變化對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

(3)

(4)

(5)

其中，ac,bc,cc均為黏聚力與飽和度關(guān)系擬合參數(shù)；aφ,bφ,cφ均為內(nèi)摩擦角與飽和度關(guān)系擬合參數(shù)；Sθ為飽和度；θs為飽和含水率。

利用土水特征曲線和孔隙水壓力的空間分布特征，可將飽和度改寫成空間分布的函數(shù)。進一步，簡布法安全系數(shù)公式(式(1))改寫成如下形式：

(6)

其中，ci(x,y)為依賴于空間位置的土體黏聚力；φi(x,y)為依賴于空間位置的內(nèi)摩擦角；Wi(x,y)為依賴于空間位置的土條自重。

2.2 坡頂裂縫的處理

現(xiàn)有的研究表明，拉張裂縫的深度、數(shù)量和發(fā)育方向均會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。其中拉張裂縫的深度影響尤為顯著，且坡頂?shù)睦瓘埩芽p通常表現(xiàn)為豎向裂縫[10-12]。在Geostudio-slope模塊中提供了一種簡化處理方法，將拉張裂縫概化為張裂線。對于給定的張裂線，在張裂裂縫區(qū)域內(nèi)的滑動面是垂直的。本文采用了張裂線的方法對坡頂裂縫進行處理，以達(dá)到簡化計算的目的。

3 模型與方法

為了分析考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文首先對比不考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用和考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用對邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，探明不同作用機制下邊坡穩(wěn)定性計算差異。之后，對不同耦合工況下邊坡穩(wěn)定性開展分析，探討耦合作用差異對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。邊坡土體采用黏土，其物理指標(biāo)如表1所示，土體強度指標(biāo)擬合參數(shù)如表2，表3所示。采用GeoStudio軟件內(nèi)置樣條函數(shù)對文獻[9]中含水率-基質(zhì)吸力數(shù)據(jù)集進行擬合獲取的土水特征曲線。

表2 黏聚力與飽和度擬合結(jié)果

表3 內(nèi)摩擦角與飽和度擬合結(jié)果

為了便于探討，本文所設(shè)置的模型采用了理想化的情形。其中，邊坡的幾何條件坡高12 m，坡度13∶16。邊坡的滲流條件為：初始狀態(tài)下邊坡內(nèi)處于靜水平衡狀態(tài)；邊坡上、左、右三個邊界為零通量邊界，下邊界設(shè)置為補給邊界，以調(diào)整土體內(nèi)的水位。邊坡坡頂設(shè)置有拉張裂縫，采用張拉線表示。不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度，如表4所示。研究中僅考慮邊坡內(nèi)達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)。計算模型如圖1所示。

表4 不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度

4 結(jié)果與討論

4.1 (不)考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果對比

圖2示出了不考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用和考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用對邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果。其中，地下水位距離下邊界高度為2 m，拉張區(qū)高度為0.2 m。在不考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用影響的邊坡穩(wěn)定性計算中采用飽和狀態(tài)下土體物性參數(shù)和飽和抗剪強度，如表1所示。由圖2可知，考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用的邊坡安全系數(shù)明顯高于不考慮耦合作用的邊坡安全系數(shù)，并且臨界滑動面(圖中安全系數(shù)對應(yīng)的滑動面位置)的曲率更大，埋深更深。這表明考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果偏于安全。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用的邊坡內(nèi)地下水水位線以上土體按非飽和土考慮，在滲流穩(wěn)定條件下土體內(nèi)含水率自下而上逐漸降低，即土體單位重度逐漸減小，而土體抗剪強度則呈現(xiàn)總體增強的趨勢，如式(2)～式(4)所示。在它們共同作用下，邊坡穩(wěn)定增強。

4.2 不同拉張裂縫深度和地下水位深度耦合作用下邊坡穩(wěn)定性特征

本節(jié)分布對不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度條件下邊坡穩(wěn)定性進行模擬，計算結(jié)果如表5所示。由表5可知，對于具有相同裂縫深度、不同地下水位深度的情形，隨地下水水位埋深的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，滑動面半徑呈遞增趨勢，曲率呈現(xiàn)遞減趨勢。同時，滑動面的中心位置也隨地下水水位埋深的增加而發(fā)生變化。導(dǎo)致上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于地下水水位埋深增大，意味著在非飽和區(qū)相同空間位置處土體內(nèi)含水率減小，土體單位重量隨之減小而土體強度則表現(xiàn)為增強趨勢，故而地下水水位埋深增大有利于邊坡穩(wěn)定。對于具有不同裂縫深度和相同地下水水位的情形，隨裂縫深度的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢，而滑動面半徑和中心位置不變，如表5中工況5～工況8所示。

表5 不同耦合條件下邊坡穩(wěn)定性結(jié)果

5 結(jié)論

1)基于簡布法構(gòu)建了拉張裂縫與地下水位變動耦合作用的邊坡穩(wěn)定性分析模型。其特征在于在邊坡穩(wěn)定性分析模型中土體強度依賴于土體巖性和濕度。通過利用滲流模型獲取邊坡內(nèi)土體濕度的空間異質(zhì)性分布，再利用土水特征曲線、土體密度和強度指標(biāo)與濕度的經(jīng)驗公式獲取土體密度、土體強度指標(biāo)空間異質(zhì)性分布。邊坡坡頂裂縫采用張裂線的方法進行概化。并將上述模型耦合進簡布法，之后利用所構(gòu)建的模型進行邊坡穩(wěn)定性分析。

2)對比分析了不考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用和考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用對邊坡穩(wěn)定性的影響，表明在滲流穩(wěn)定條件下土體內(nèi)含水率自下而上逐漸降低，土體單位重度逐漸減小，而土體抗剪強度則呈現(xiàn)總體增強的趨勢使得考慮拉張裂縫與地下水位變動耦合作用的邊坡穩(wěn)定性增強，具有較高的安全系數(shù)。

3)對不同工況下地下水位距離下邊界高度和拉張區(qū)高度條件下邊坡穩(wěn)定性進行模擬，結(jié)果表明隨地下水水位埋深的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，滑動面半徑呈遞增趨勢，曲率呈現(xiàn)遞減趨勢。而裂縫深度的增加，會導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)減小，但滑動面半徑和中心位置不變。