何 源，吳 福，石覃劍，何芳芳

(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧 530028)

0 引言

膨脹土具有濕時(shí)塑性很強(qiáng)，干燥時(shí)裂隙發(fā)育，裂面光滑，邊坡易塌的特點(diǎn)[1-4]，常出現(xiàn)大雨大滑，小雨小滑，無雨不滑等現(xiàn)象[5-6]。針對(duì)降雨工況下膨脹土變形破壞的機(jī)理，程展林、李青云等[7-10]通過降雨入滲實(shí)驗(yàn)研究，表明膨脹土邊坡不僅存在重力作用下的整體穩(wěn)定性受裂隙面強(qiáng)度控制，而且在吸濕條件下會(huì)產(chǎn)生淺層失穩(wěn)，淺層失穩(wěn)的主要影響因素為土的膨脹變形；謝燦榮等[11]基于控制含水量的思路，通過滴灌作用論證了含水量是影響膨脹土裂隙展開的關(guān)鍵因素，徐彬等[12-13]考慮不同深度下膨脹土性質(zhì)的差異性，研究了雨水入滲條件下的膨脹土邊坡的滲流規(guī)律，進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性分析。

前期的研究多從實(shí)驗(yàn)分析膨脹土抗剪強(qiáng)度或采用極限平衡法計(jì)算膨脹土斜坡安全系數(shù)折減，本文依托寧明縣1∶5萬地質(zhì)詳細(xì)災(zāi)害調(diào)查成果，通過對(duì)寧明縣境內(nèi)典型膨脹土邊坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行工程勘察獲取試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)段實(shí)際雨頻、雨強(qiáng)進(jìn)行數(shù)值模擬，更真實(shí)地剖析寧明縣膨脹土邊坡積雨條件下安全系數(shù)變化特征。

1 降雨對(duì)膨脹性邊坡穩(wěn)定性影響分析

1.1 降雨時(shí)段與膨脹土邊坡失穩(wěn)時(shí)間耦合性

降雨為寧明地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘發(fā)因素，縣境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害基本屬降雨誘發(fā)型。寧明縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨量總體較充沛，時(shí)間多集中在每年5—9月份，月均降雨量均超過130 mm，尤其以8月降雨最多，可超過200 mm。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率上，寧明縣地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生于每年5—10月的雨季，共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害154起，占寧明縣地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的91.7%(僅以有時(shí)間記錄的168處地質(zhì)災(zāi)害為基底)。尤以6—10月份最為多發(fā)，共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害120起，占寧明縣地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的71.4%(圖1)。

1.2 降雨對(duì)膨脹土邊坡失穩(wěn)變形分析

通過圖1對(duì)比分析，寧明縣月降雨量呈拋物線狀，自2—8月呈線性遞增，并在8月份達(dá)到最高值后回落，至次年2月為最低值，地質(zhì)災(zāi)害月發(fā)生頻率自2月(0處)開始遞增，9月份達(dá)到峰值(30處)后開始回落(去除6月份)，兩者高度耦合，由此可分析得出結(jié)論：

1)淺層膨脹土邊坡“清表”：地質(zhì)災(zāi)害最高發(fā)月份為6月(共39處)，而非9月，這是由于隨著自2月份降雨量的快速回升，原本穩(wěn)定性較差的斜坡開始產(chǎn)生崩滑，此時(shí)崩滑多為小型且淺層土質(zhì)膨脹土邊坡，相當(dāng)于強(qiáng)降雨對(duì)斜坡的一次“清表”。

2)降雨入滲滯后性：除去6月份地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量的影響，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率的峰值在9月，而降雨量的峰值在8月，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨量的變化存在滯后性，這種滯后性反映出降雨入滲到斜坡內(nèi)部是需要一個(gè)時(shí)間段的累積過程。

3)膨脹土邊坡失穩(wěn)季節(jié)性：寧明縣膨脹性巖土分布廣泛，在經(jīng)歷冬、春季的干旱及夏、秋季的雨水增多后，膨脹性巖體遇水膨脹產(chǎn)生崩塌滑坡，因此膨脹土邊坡失穩(wěn)具有季節(jié)性。

1.3 極端降雨條件下地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、群發(fā)性

自2008年以來，極端降雨條件下寧明縣地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性和群發(fā)性，均為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)攜帶降雨引發(fā)：2008年“9.24臺(tái)風(fēng)黑格比”突發(fā)地災(zāi)，寧明縣共誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害16起；2014年7月22號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)突發(fā)地災(zāi)，共誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害4處；2014年9月16號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”臺(tái)風(fēng)突發(fā)性地災(zāi)，共誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害3處。

1.4 降雨條件下膨脹土邊坡誘發(fā)機(jī)理

降雨氣候條件下，寧明縣地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)，滑坡、崩塌災(zāi)害在降雨過程中發(fā)生，與降雨過程同步，主要原因有三點(diǎn)：一是降雨形成坡面徑流并快速?zèng)_刷、侵蝕坡體，降低斜坡穩(wěn)定性；二是在極短時(shí)間內(nèi)入滲坡體，迅速增加斜坡體自重；三是快速浸潤(rùn)坡積層及巖體軟弱結(jié)構(gòu)面，降低其抗剪強(qiáng)度，加速斜坡在重力作用下失穩(wěn)。

2 降雨條件下典型膨脹性邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 典型膨脹土邊坡概況

本次分析選取桐棉鎮(zhèn)衛(wèi)生院后山不穩(wěn)定斜坡(圖2)為研究對(duì)象，該不穩(wěn)定斜坡橫向?qū)?5 m，縱向長(zhǎng)約55 m，高40 m，滑坡體揭露平均厚度約4.8 m，總體積約18 000 m3，根據(jù)工程鉆探揭露，該不穩(wěn)定斜坡全風(fēng)化層厚度約2 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度約3 m，地下水位埋深大于11 m，經(jīng)取樣鑒定成果(表1)，該不穩(wěn)定斜坡為中等脹縮性膨脹土邊坡。

表1 桐棉衛(wèi)生院脹縮性判別表

2.2 數(shù)值模型建立

通過 Seep/W 和 Slope/W 模塊，并采用非線性強(qiáng)度參數(shù)分析持續(xù)降雨條件下邊坡安全系數(shù)變化特征。依據(jù)桐棉衛(wèi)生院后山不穩(wěn)定斜坡工程地質(zhì)剖面 (圖3a) 建立 Geo-studio 數(shù)值模型 (圖3b)，斜坡模型高40 m，長(zhǎng)65 m (有效邊坡縱向長(zhǎng)55 m)，邊坡土體按全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化分為三層，全風(fēng)化層厚2 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚3 m，地下水位根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災(zāi)害勘察揭露斜坡地下水位確定，埋深11～20 m。

前人研究并提出膨脹土飽和滲透系數(shù)隨風(fēng)化程度而異，全風(fēng)化層的滲透性比土本身的滲透性大2～4個(gè)數(shù)量級(jí)，本次分析取全、強(qiáng)風(fēng)化層的飽和滲透系數(shù)為中風(fēng)化層的100、10倍。全、強(qiáng)、中風(fēng)化層滲透系數(shù)根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災(zāi)害勘察點(diǎn)土工試驗(yàn)結(jié)果確定，分別取2.6×10-8、2.6×10-7和2.6×10-6，并依據(jù)前人研究成果建立水特征曲線 (圖4a) 及滲透性函數(shù)曲線 (圖4b)，且各風(fēng)化層滲透性函數(shù)的形狀一致。

2.3 邊界條件及強(qiáng)度參數(shù)取值

本次計(jì)算斜坡地下水位根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災(zāi)害勘察揭露斜坡地下水位確定，埋深11～20 m，地下水位以下左右邊界為定水頭邊界，設(shè)最大負(fù)孔隙壓力線性分布于水位線上，水頭為5 m，其余邊界為零流量邊界，斜坡初始孔隙水壓力圖見圖5。整個(gè)斜坡坡面及坡腳平面均采用流量邊界，可自動(dòng)判斷降雨強(qiáng)度與土體滲透系數(shù)之間的關(guān)系：當(dāng)降雨強(qiáng)度大于表層土體滲透系數(shù)時(shí)，按定水頭邊界處理，水頭值等于位置高程；當(dāng)降雨強(qiáng)度小于表層土體滲透系數(shù)時(shí)，按流量邊界處理，其值等于降雨強(qiáng)度。

本次計(jì)算降雨根據(jù)寧明縣氣象局所提供的2008年“9.24臺(tái)風(fēng)黑格比”寧明縣境內(nèi)4日平均降雨量80 mm/d (9.28×10-7m/s)，斜坡土體物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)根據(jù)桐棉衛(wèi)生院典型地質(zhì)災(zāi)害勘察點(diǎn)土工試驗(yàn)結(jié)果確定，取值見表2，殘余水飽和度取定值50%，模擬降雨歷時(shí)4天，每3 h記錄保存1次數(shù)據(jù)，分別采用 Morgenstern-Price、Janbu 和 Bishop 三種極限平衡法計(jì)算斜坡安全系數(shù)變化特征。

表2 計(jì)算模型強(qiáng)度參數(shù)

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，降雨時(shí)程為3 h時(shí)，斜坡體內(nèi)浸潤(rùn)峰包裹全—強(qiáng)風(fēng)化界面；降雨時(shí)程為6 h時(shí)，浸潤(rùn)峰下移至全—強(qiáng)風(fēng)化界面以下，并在切坡全—強(qiáng)風(fēng)化界面處溢出切坡面；降雨時(shí)稱為24 h時(shí)，浸潤(rùn)峰下移至強(qiáng)—中風(fēng)化界面，強(qiáng)、全風(fēng)化層孔隙水壓力為負(fù)值；降雨時(shí)程為48 h時(shí)，浸潤(rùn)峰下移至強(qiáng)—中風(fēng)化界面以下，全風(fēng)化層及全—強(qiáng)風(fēng)化界面以下部分中風(fēng)化層孔隙水壓力變?yōu)檎?圖6)。

不同計(jì)算模型下，不定斜坡安全系數(shù)成果見表3和圖7。持續(xù)降雨工況下，采用Morgenstern-Pric 法計(jì)算模型中，降雨時(shí)程 3 h、6 h、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h 安全系數(shù)折減為初始安全系數(shù)的 0.994、0.906、0.964、0.905、0.846、0.839、0.834；采用 Bishop 法，折減為初始安全系數(shù)的 0.995、0.99、0.963、0.904、0.835、0.826、0.821；而采用 Janbu 法和 Ordinary 法96 h后，安全系數(shù)折減為0.91。

表3 不同模型穩(wěn)流狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

對(duì)比孔隙水壓力云圖中浸潤(rùn)峰的入浸時(shí)程及斜坡安全系數(shù)時(shí)程變化特征分析，當(dāng)浸潤(rùn)峰入滲至—強(qiáng)風(fēng)界面以下后(6 h)，斜坡的安全系數(shù)開始明顯下降；至48 h后，浸潤(rùn)峰下移至強(qiáng)—中風(fēng)化界面以下，并保持穩(wěn)定，斜坡安全系數(shù)折減也隨之減小。因此，斜坡安全系數(shù)折減速率與浸潤(rùn)峰的入浸存在耦合性，且連續(xù)降雨條件下，坡面匯水入浸6～48 h時(shí)程內(nèi)，斜坡安全系數(shù)折減最快。根據(jù)《膨脹巖土滑坡防治工程技術(shù)規(guī)范》，膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)取1.3，因此連續(xù)降雨48 h后斜坡即處于不穩(wěn)定狀態(tài)，由圖8可知，潛在滑移面分布于切坡前部，且為淺層不穩(wěn)定斜坡。

3 結(jié)語

文章依托于寧明縣1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果，研究連續(xù)降雨工況下寧明縣膨脹土邊坡穩(wěn)定性，運(yùn)用 Seep/W 和 Slope/W 模塊，并采用非線性強(qiáng)度參數(shù)分析持續(xù)降雨條件下邊坡安全系數(shù)變化特征。計(jì)算分析成果如下：

1)積雨條件下，膨脹土斜坡內(nèi)浸潤(rùn)峰隨時(shí)程推進(jìn)而下移，依次先附著于全—強(qiáng)風(fēng)界面、強(qiáng)—中風(fēng)化界面，并最終于強(qiáng)—中風(fēng)化界面以下保持穩(wěn)定。

2)初始狀態(tài)斜坡體內(nèi)地下水位以上孔隙水壓力均為負(fù)值，浸潤(rùn)峰保持穩(wěn)定后，斜坡體內(nèi)浸潤(rùn)峰以上孔隙水壓力由負(fù)值變?yōu)檎怠?/p>

3)連續(xù)降雨48 h后，膨脹土斜坡體安全系數(shù)低于規(guī)范值1.3，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，潛在最大不穩(wěn)定滑移面位于浸潤(rùn)線以上，潛在滑體位于斜坡前部，為小型淺層不穩(wěn)定斜坡，與寧明縣膨脹土地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育實(shí)際情況相吻合。