王恒亮，渠根啟，黃亦佳，潘 童，萬(wàn)愉快

（1、南京市江寧區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 南京 211134；2、南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司徐州分公司江蘇徐州 221000；3、河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210024；4、江蘇省建筑工程集團(tuán)第一工程有限公司江蘇揚(yáng)州 225008；5、寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 銀川 750021）

0 引言

降雨沿表面土體入滲或形成的坡面流沿地表裂縫進(jìn)入坡體內(nèi)部，會(huì)導(dǎo)致巖土體的抗剪強(qiáng)度降低，極易誘發(fā)邊坡滑坡災(zāi)害，危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在大規(guī)模公路工程建設(shè)中，有效評(píng)估公路高邊坡穩(wěn)定性，對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)及工程安全和優(yōu)化工程建設(shè)的投資及運(yùn)營(yíng)效益具有重要意義，同時(shí)也是發(fā)揮安全監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警的核心工作。

邊坡穩(wěn)定性演化是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的非線性耗散過(guò)程，是由內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力和人為因素共同作用的結(jié)果，這個(gè)過(guò)程十分復(fù)雜，且具有不確定性。為了對(duì)邊坡變形演化行為做出準(zhǔn)確判斷，就需要建立具有一定適用性的滑坡預(yù)警判據(jù)。李秀珍等人［1］分析比較了各種不同的滑坡判據(jù)，提出了以監(jiān)測(cè)資料為依據(jù)，將理論模型預(yù)報(bào)、根據(jù)預(yù)報(bào)判據(jù)預(yù)報(bào)以及斜坡的宏觀變形破壞跡象和前兆信息等幾者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的綜合信息預(yù)報(bào)方法；劉造保等人［2］結(jié)合巖石實(shí)驗(yàn)及邊坡安全監(jiān)測(cè)的具體情況，制定邊坡進(jìn)入加速變形-破壞階段的綜合預(yù)警判據(jù)；張振華等人［3］提出了基于設(shè)計(jì)安全系數(shù)和破壞模式的邊坡開(kāi)挖過(guò)程中動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的研究思路和方法。降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素之一，許多學(xué)者將降雨因素的影響考慮進(jìn)滑坡預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。王俊等人［4］基于無(wú)限邊坡算法開(kāi)展降雨型滑坡的預(yù)警系統(tǒng)研究；黃曉虎等人［5］以日降雨量、日位移速率建立臨災(zāi)預(yù)警線，進(jìn)而設(shè)計(jì)遞進(jìn)式滑坡臨災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。降雨工況、尤其是降雨工況下的邊坡破壞具有短時(shí)程的特點(diǎn)，此時(shí)滑坡臨界速率難以確認(rèn)且普遍存在位移突變現(xiàn)象。楊帆等人［6］針對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)位移-時(shí)間曲線特點(diǎn)，提出基于時(shí)間序列的人工蜂群算法與支持向量回歸機(jī)相結(jié)合的滑坡位移預(yù)測(cè)方法；譚萬(wàn)鵬等人［7］通過(guò)分析關(guān)鍵點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值軟件，分析不同安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑坡位移趨勢(shì)曲線進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào)。本文運(yùn)用數(shù)值方法開(kāi)展降雨工況下的高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，建立降雨條件下高邊坡變形預(yù)警機(jī)制。

1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1.1 邊坡參數(shù)與數(shù)值建模

某公路高邊坡段坡長(zhǎng)425 m，為五級(jí)邊坡，最大高約50.3 m。每級(jí)坡高10 m，設(shè)計(jì)坡比1∶0.5～1∶1.25。坡表分布?xì)埛e含碎石粉質(zhì)粘土，褐黃色硬塑狀約含10%輝綠巖碎石，表層含少量植物根系，屬普通土；全風(fēng)化輝綠巖呈灰褐色，原結(jié)構(gòu)已破壞，呈砂土狀，風(fēng)化中夾球形孤石，屬硬土；強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖，深灰色，結(jié)晶較好，差異風(fēng)化明顯，屬軟巖；中風(fēng)化輝綠巖，花崗斑巖脈穿插，深灰色，結(jié)晶較好，巖質(zhì)堅(jiān)硬，屬次堅(jiān)石?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)，該段處于爆破開(kāi)挖施工中，從現(xiàn)場(chǎng)情況可以看出坡頂有較厚的碎石粉質(zhì)土，巖石破碎度高，不利于邊坡安全。粘聚力c取122.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ取22.4°。

對(duì)該邊坡正常工況下穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，運(yùn)用數(shù)值分析-強(qiáng)度折減法進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。數(shù)值分析-強(qiáng)度折減法基于有限差分法，基于抗剪強(qiáng)度折減法理論進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，逐步降低或增加材料的抗剪強(qiáng)度，使邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)［10-13］。安全系數(shù)定義如下：

式中：Fs為折減系數(shù)，通過(guò)不斷增加或減小折減系數(shù)，反復(fù)計(jì)算，直至邊坡達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。單次安全系數(shù)的計(jì)算過(guò)程主要采用“數(shù)值計(jì)算的不收斂性”判據(jù)。首先，通過(guò)給粘結(jié)力設(shè)定一個(gè)大值來(lái)改變內(nèi)部應(yīng)力，以找到體系達(dá)到力平衡的典型時(shí)步Nr；接著，對(duì)于給定的折減系數(shù)Fs，執(zhí)行Nr時(shí)步，如果體系不平衡力與典型內(nèi)力比率R＜10-3，則認(rèn)為體系達(dá)到了力平衡。如果不平衡力比率大于10-3，那么再執(zhí)行Nr時(shí)步，直至R＜10-3后退出當(dāng)前計(jì)算，開(kāi)始新一輪折減計(jì)算過(guò)程。為了控制整個(gè)強(qiáng)度折減法循環(huán)計(jì)算過(guò)程的求解時(shí)間，只要滿足上述3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的任何1個(gè)，便退出計(jì)算。

采用式⑶進(jìn)行邊坡所在區(qū)域的降雨強(qiáng)度預(yù)測(cè)，計(jì)算確定不同降雨重現(xiàn)期下不同持續(xù)時(shí)間的總降雨量，如表1所示。

表1 不同降雨重現(xiàn)期下的降雨量Tab.1 Rainfall under Different Rainfall Return Periods（mm）

其中：i為降雨強(qiáng)度（mm/min）；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時(shí)（min）。對(duì)邊坡斷面進(jìn)行數(shù)值建模（見(jiàn)圖1），降雨工況數(shù)值計(jì)算的模型參數(shù)取值如表2所示。

圖1 邊坡斷面模型Fig.1 Model of the Original Section

表2 邊坡降雨工況數(shù)值建模參數(shù)Tab.2 Numerical Modeling Parameters for Slope Rainfall Conditions

1.2 降雨工況下邊坡安全系數(shù)影響規(guī)律分析

降雨工況下邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線如圖2 所示，邊坡安全系數(shù)隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加而降低，降雨持續(xù)時(shí)間較短（如1 h）對(duì)邊坡安全性影響較小，降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（如24 h）對(duì)邊坡安全性影響顯著。此外，邊坡安全系數(shù)隨著降雨重現(xiàn)期（即降雨強(qiáng)度）的增加而顯著降低。

圖2 邊坡在不同降雨條件下的安全系數(shù)隨時(shí)間變化Fig.2 Safety Factor of Slopes under Different Rainfall Conditions Varies over Time

2 降雨工況下高邊坡滑坡災(zāi)害預(yù)警機(jī)制

2.1 邊坡變形穩(wěn)定狀態(tài)判別方法

運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值方法進(jìn)行數(shù)值建模，高邊坡最大斷面數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分和實(shí)際坡面表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖3 所示。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將邊坡模型擬定為摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。將邊坡模型的邊界設(shè)定為底部與左右兩側(cè)約束，上部自由，即確定邊坡左右邊界沿水平方向的位移為0，下邊界沿豎直方向的位移為0。

圖3 監(jiān)測(cè)邊坡數(shù)值計(jì)算模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Numerical Calculation Model for Monitoring Slope and Location of Monitoring Points

《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T 3334—2018》［8］給出了邊坡穩(wěn)定系數(shù)要求，對(duì)于高速公路確定正常工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30，非正常的降雨工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20。

開(kāi)挖路塹邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)確定步驟（見(jiàn)圖4）：

圖4 路塹邊坡監(jiān)測(cè)變形預(yù)警值確定流程Fig.4 Process for Determining Deformation Warning Values of Road Cutting Slope Monitoring

⑴針對(duì)邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和所受荷載特點(diǎn)，建立邊坡的精細(xì)化有限元數(shù)值計(jì)算模型；

⑵以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等手段綜合獲得的邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)步驟⑴建立邊坡的數(shù)值計(jì)算模型，采用位移反分析方法，反演邊坡各層巖土體的變形模量；

⑶根據(jù)邊坡的地質(zhì)特征，對(duì)其在不同工況下可能的變形破壞模式進(jìn)行分析，利用極限平衡法確定邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面；

⑷采用強(qiáng)度折減法分析邊坡在不同工況下巖土體粘聚力逐漸弱化過(guò)程中的位移變化規(guī)律，通過(guò)規(guī)范［8］要求尋找邊坡在不同工況下的位移變化階段；

⑸建立邊坡的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移量與安全系數(shù)的關(guān)系曲線圖，根據(jù)關(guān)系曲線上斜率變化較大的數(shù)值點(diǎn)和規(guī)范［8］確定的數(shù)值點(diǎn)確定各階段的預(yù)警起點(diǎn)；

⑹根據(jù)不同工況設(shè)立不同的預(yù)警指標(biāo)，通過(guò)預(yù)警指標(biāo)對(duì)邊坡的安全狀態(tài)進(jìn)行判別和預(yù)警。

2.2 正常工況下邊坡變形判別

利用數(shù)值方法計(jì)算不同粘聚力下對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值，并通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方法整理出正常工況下各測(cè)點(diǎn)水平向位移變化與安全系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 高邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移與安全系數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between Horizontal Displacement and Safety Factor of Monitoring Points on High Slopes

求得各測(cè)點(diǎn)在正常工況下水平位移與安全系數(shù)變化的關(guān)系曲線上斜率變化較大的關(guān)鍵點(diǎn)，并根據(jù)曲線的趨勢(shì)確定影響各曲線變化趨勢(shì)最大的那個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平位移量（見(jiàn)圖5 中的點(diǎn)B′）為紅色預(yù)警起點(diǎn)，邊坡斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形突變的位移值如表3 所示。確定安全系數(shù)1.20 對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)（見(jiàn)圖5 中的點(diǎn)A）為橙色預(yù)警起點(diǎn)，確定安全系數(shù)1.0 對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)（見(jiàn)圖5中的點(diǎn)C）為失穩(wěn)點(diǎn)。

表3 高邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形突變處B'點(diǎn)位移與安全系數(shù)Tab.3 Displacement and Safety Factor of Point B' at the Deformation Mutation Point of Each Monitoring Point on the High Slope

位移突變對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如表3 所示，可以發(fā)現(xiàn)斷面監(jiān)測(cè)變形突變的安全系數(shù)非常接近1.05，這與文獻(xiàn)［8］和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013》［9］里給出的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定狀態(tài)界限安全系數(shù)基本吻合，因此可以統(tǒng)一采用安全系數(shù)為1.05 時(shí)的變形值，作為不同狀態(tài)的界限值，即圖5中的點(diǎn)B，相應(yīng)等級(jí)預(yù)警指標(biāo)如表4所示。

表4 正常工況下高邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形預(yù)警值Tab.4 Deformation Warning Values of Monitoring Points on High Slopes under Normal Working Conditions

2.3 降雨工況下邊坡變形判別

與正常工況下一致，按照每種巖土體同步長(zhǎng)等比例下降原則，對(duì)開(kāi)挖擾動(dòng)各巖土層的粘聚力按比例折減?？紤]降雨因素計(jì)算不同粘聚力下對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值，并通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方法整理出正常工況下各測(cè)點(diǎn)水平向位移變化與安全系數(shù)的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖6）。降雨工況下，邊坡在安全系數(shù)1.15 對(duì)應(yīng)下發(fā)生上層破壞，中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化較小，故在降雨工況下只考慮上部1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖6 降雨工況下高邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移與安全系數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between horizontal Displacement and Safety Factor of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

求得各測(cè)點(diǎn)在正常工況下水平位移與安全系數(shù)變化的關(guān)系曲線上斜率變化較大的關(guān)鍵點(diǎn)，并根據(jù)曲線的趨勢(shì)確定影響各曲線變化趨勢(shì)最大的那個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平位移量（見(jiàn)圖6 中點(diǎn)B′）為紅色預(yù)警起點(diǎn)，邊坡斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形突變的位移值如表5所示。確定安全系數(shù)1.10對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)（見(jiàn)圖6中點(diǎn)A）為橙色預(yù)警起點(diǎn)，確定安全系數(shù)接近1.0對(duì)應(yīng)的數(shù)值點(diǎn)（見(jiàn)圖6中點(diǎn)C）為失穩(wěn)點(diǎn)。

表5 降雨工況下高邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形突變處B′點(diǎn)位移與安全系數(shù)Tab.5 Displacement and Safety Factor of Point B′ at Deformation Abrupt Changes of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

位移突變對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)如表5 所示，可以發(fā)現(xiàn)斷面監(jiān)測(cè)變形突變的安全系數(shù)非常接近1.05，這與文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］里給出的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中給出的基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定狀態(tài)界限安全系數(shù)基本吻合，因此可以統(tǒng)一采用安全系數(shù)為1.05 時(shí)變形值作為不同狀態(tài)的界限值，即圖6 中的點(diǎn)B，相應(yīng)的不同等級(jí)預(yù)警指標(biāo)如表6所示。

表6 降雨工況下高邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形預(yù)警值Tab.6 Deformation Warning Values of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

2.4 邊坡變形破壞預(yù)警等級(jí)及指標(biāo)

由表4 確定正常工況下邊坡安全系數(shù)1.20～1.30為黃色預(yù)警階段、確定正常工況下邊坡安全系數(shù)1.05～1.20為橙色預(yù)警階段、確定正常工況下邊坡安全系數(shù)1.00～1.05 為紅色預(yù)警階段。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移閾值如表7所示。

表7 高邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期變形預(yù)警的位移閾值Tab.7 Displacement Threshold for Long-term Deformation Warning at Various Monitoring Points on High Slopes（mm/d）

由表6 確定降雨工況下邊坡安全系數(shù)，1.10～1.15為黃色預(yù)警階段、邊坡安全系數(shù)1.05～1.15 為橙色預(yù)警階段、邊坡安全系數(shù)1.00～1.05 為紅色預(yù)警階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移閾值如表8所示。由于降雨作用下邊坡破壞主要是上部局部破壞，斷面邊坡頂部1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生位移較大，邊坡下部2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不在局部破壞范圍以內(nèi)，產(chǎn)生位移較小。因此降雨條件下邊坡短期預(yù)警主要針對(duì)易發(fā)生局部破壞的坡頂部進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

表8 降雨工況下高邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)短期變形預(yù)警的位移閾值Tab.8 Displacement Threshold for Short-term Deformation Warning of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions （mm/h）

3 結(jié)論

⑴邊坡穩(wěn)定性隨著降雨重現(xiàn)期（即降雨強(qiáng)度）的增加而顯著降低，同時(shí)隨著降雨持續(xù)時(shí)間逐漸降低。當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（如24 h）時(shí)，所選坡在降雨初期中前6 h 安全系數(shù)變化較小，隨后顯著降低。建議在邊坡安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警時(shí)，有必要重視6 h 以上的長(zhǎng)時(shí)間降雨情況；

⑵采用邊坡變形數(shù)值分析建立強(qiáng)度折減系數(shù)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生位移的關(guān)系，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分方法可以確定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同安全等級(jí)下的長(zhǎng)期變形預(yù)警指標(biāo)，結(jié)合依托工程邊坡分析結(jié)果建議取值為：黃色預(yù)警位移閾值1 mm/d、橙色預(yù)警位移閾值2～3 mm/d、紅色預(yù)警位移閾值4～5 mm/d；

⑶針對(duì)降雨工況，采用降雨作用下邊坡變形穩(wěn)定性數(shù)值分析方法可以建立強(qiáng)度折減系數(shù)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生位移的關(guān)系，由于降雨作用極易引起局部破壞變形，需要及時(shí)重視局部位置的變形發(fā)生，可只對(duì)發(fā)生局部變形破壞的坡頂處進(jìn)行預(yù)警?？紤]降雨滑坡短時(shí)發(fā)生特點(diǎn)，提出了降雨邊坡短期變形預(yù)警指標(biāo)，建議取值為：黃色預(yù)警位移閾值1～2 mm/h、橙色預(yù)警位移閾值3～4 mm/h、紅色預(yù)警位移閾值5～10 mm/h。