庫水和降雨耦合作用下公路滑坡研究

沈秋池，蘇 燕

（1．福建船政交通職業(yè)學院道路工程系，福州350007；2．福州大學土木工程學院，福州350116）

庫水和降雨耦合作用下公路滑坡研究

沈秋池1，蘇 燕2

（1．福建船政交通職業(yè)學院道路工程系，福州350007；2．福州大學土木工程學院，福州350116）

以福建山區(qū)庫岸公路滑坡為對象，采用室內(nèi)模型試驗和有限元數(shù)值模擬方法，研究庫岸公路降雨滑坡形成機理，探討庫水位下降與降雨聯(lián)合作用下導(dǎo)致臨水邊坡發(fā)生失穩(wěn)的模式和原因。研究表明庫水位變動與降雨的聯(lián)合作用將改變沿坡體內(nèi)的滲流場，降低滑坡土體的力學強度，使得滑坡前緣由于浮力減重和浸泡軟化作用導(dǎo)致抗滑力減小，滑坡中后部下滑力增大，產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。

水位降落；降雨；滑坡；模型試驗；有限元

邊坡失穩(wěn)是目前發(fā)生頻率較高的地質(zhì)災(zāi)害之一，水庫庫區(qū)時常有庫水位漲落和降雨發(fā)生往往會導(dǎo)致庫岸公路滑坡失穩(wěn)，從而造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失巨大［1］。如何科學地確定在降雨和庫水漲落作用下的邊坡穩(wěn)定性問題，是工程中亟需解決的問題。

目前，國內(nèi)外學者在庫岸公路降雨邊坡的滲流理論、數(shù)值模擬分析、模型試驗、危險性評價等方面取得了一定的研究成果，但還有許多需要深入研究和改進的地方［2－4］。本文擬通過模型試驗和數(shù)值分析結(jié)合的方法，模擬臨水邊坡在水位降落和降雨聯(lián)合作用下的失穩(wěn)情況，通過數(shù)碼攝像、動態(tài)應(yīng)變采集儀來記錄水位下降和降雨聯(lián)合作用下邊坡產(chǎn)生裂縫的形成發(fā)展過程、滑動面的形態(tài)、滑坡失穩(wěn)過程，揭示臨水邊坡在水位下降和降雨聯(lián)合作用下的失穩(wěn)方式和原因。

1 試驗裝置及模型邊坡

福建山區(qū)滑坡體多為基巖表面的淺層覆蓋土體，本試驗據(jù)此將滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)置為基巖型邊坡，在模型箱底部鋪設(shè)混凝土以模擬基巖。試驗?zāi)Ｐ桶ɑ履Ｐ拖?、人工降雨系統(tǒng)、動態(tài)應(yīng)變采集儀。模型箱尺寸為285×100×130cm3，坡度為30°，模型箱底座和骨架采用鋼板和型鋼，為便于觀察，四周采用有機玻璃（圖1）。模型箱底部設(shè)有排水閥門，通過控制閥門開度，可以滿足庫水位下降速率的要求。人工降雨系統(tǒng)采用農(nóng)用噴頭雨滴發(fā)生器，距離試驗坡面4m，能夠達到模擬天然降雨終極速度的要求［3］。降雨噴頭組采用直徑20mm的PVC管進行串聯(lián)，由蓄水池通過水泵供水，并利用閥門和分流管道來調(diào)節(jié)降雨強度。動態(tài)應(yīng)變采集儀包括孔隙水壓力計、土壤水分計，分別用于監(jiān)測庫水下降和降雨聯(lián)合作用下邊坡內(nèi)部孔隙水壓力、含水量的變化，其布置如圖2所示。

圖1 滑坡模型試驗裝置

圖2 孔隙水壓力計和土壤水分計布置圖

邊坡模型試驗采用福建山區(qū)殘積亞黏土，天然重度為18．8kN／m3，根據(jù)三軸試驗測得其黏聚力為11．2kPa，內(nèi)摩擦角為19．6°，由變水頭滲透試驗測得其滲透系數(shù)k＝6．7×10－6cm／s。邊坡成型采用擊實法，分層鋪土，每層厚度為5cm。每分層鋪好夯實后，用環(huán)刀取樣，測其干密度和含水量，保證每層土密實度一致。當夯實至所需埋設(shè)土壤水分計和孔隙水壓力計的分層時，按照布置圖緩慢插入儀器，并整理固定好儀器線路，避免滑坡過程中儀器損毀。模型邊坡填筑完成后，靜置72h，使邊坡自然沉降成型。

2 試驗過程及結(jié)果分析

2．1 水位和降雨變化過程

開始試驗前，緩慢勻速地向邊坡水庫內(nèi)注水，使庫水位逐漸上升至34cm。庫水上漲使坡面含水量升高，非飽和土基質(zhì)吸力降低；同時，涉水前緣土體孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致邊坡涉水前緣出現(xiàn)局部崩塌現(xiàn)象。坡體中部土體在庫水的浸泡作用下軟化，導(dǎo)致黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，土體抗剪強度降低而產(chǎn)生局部變形。當模型邊坡達到飽和穩(wěn)定后，開啟排水閘門，使坡外庫水位按0．08cm／min勻速下降，歷時425min。隨著排水孔水頭的降低，水庫流量也不斷減少。在庫水位下降過程中降雨，分為2次，每次降雨歷時7min，分別從第47分鐘至54分鐘、147分鐘至154分鐘，降雨強度均為110mm／h。

2．2 滑坡漸進破壞

當試驗進行到第40分鐘時，邊坡距水面約50cm處出現(xiàn)平行于坡肩的張拉裂縫，裂縫長度約50cm；距水位10cm處出現(xiàn)與水平方向呈45°的剪切裂縫，如圖3所示。隨著庫水位持續(xù)下降和降雨的聯(lián)合作用，裂縫的深度和寬度不斷增大。第一場人工降雨結(jié)束后，滑坡尚未啟動。在庫水下降和水分蒸發(fā)的作用下，試驗進行到第70分鐘時滑坡啟動，剪切裂縫和張拉裂縫下方土體向下運動，運動范圍為1～3cm，滑坡體在坡腳處堆積，支撐住上部土體，阻擋滑坡的進一步發(fā)展，坡體暫時達到穩(wěn)定。當試驗進行到第152分鐘，即第2場雨第2分鐘時，由于孔隙水壓力驟然增大導(dǎo)致土體抗剪強度急劇降低，坡體再次滑動，土體沿張拉裂縫產(chǎn)生向下塊體滑動。此時滑動土體上方的土體失去支撐，產(chǎn)生滑坡臨空面，在自身重力和水體滲透力的作用下，在斜坡上部再次出現(xiàn)張拉裂縫，促使土體再次發(fā)生塊體滑動，如此重復(fù)破壞產(chǎn)生漸進向后滑動破壞。邊坡破壞的最終形態(tài)如圖4所示。

圖3 坡面上的張拉裂縫和剪切裂縫

2．3 含水量和孔隙水壓力變化

圖4是邊坡中部CH2土壤水分計隨時間變化的過程圖，庫水剛開始下降時，含水量基本不變，分析原因是坡內(nèi)水位降落速率滯后于庫水位的下降和蒸發(fā)作用。經(jīng)歷第一場降雨（7min），土體含水量迅速增加，向飽和狀態(tài)靠攏，降雨結(jié)束后，由于水向下滲入和蒸發(fā)作用，含水量緩慢下降。當遭遇第二場降雨（7min）時，在第152分鐘，土體沿張拉裂縫產(chǎn)生向下塊體滑動，體積含水量急劇下降，這時由于邊坡失穩(wěn)后土壤水分計露出土體（如圖5所示），無法繼續(xù)測量。

圖4 坡外水位CH2含水量隨時間變化過程

圖5 滑坡最終形態(tài)

圖6是邊坡中部CH5土壤孔隙水壓力隨時間變化過程圖，在庫水下降初期，孔隙水壓力隨著庫水的下降而減小，在第一場降雨3min后，孔隙水壓力由0．3kPa突增到0．8kPa，而邊坡出現(xiàn)裂縫破壞，隨著降雨和庫水的作用，裂縫越來越大，這驗證了孔隙水壓力的增大會使土體有效應(yīng)力減小，進而坡體產(chǎn)生破壞。在第二場降雨中，孔隙水壓力從－0．3kPa突增到0．7kPa，此時坡體從裂縫處開始發(fā)生漸進向后的滑動破壞。試驗過程中，孔隙水壓力實測結(jié)果和試驗現(xiàn)象都顯示出土體表面逸出點有明顯的坡內(nèi)指向坡外的滲流，這是導(dǎo)致發(fā)生滑坡的重要原因。并且水位降落過程中，坡內(nèi)水位降落速度滯后于坡前水位降落速度，這會引起坡體內(nèi)水向外排除，這種滲流力和庫水降落差造成的壓力卸載對庫水邊坡的穩(wěn)定性非常不利。

圖6 坡外水位CH5孔隙水壓力隨時間變化過程

3 數(shù)值模擬

3．1 有限元模型的建立

基于物理模型試驗的尺寸，建立了Seep／w滲流分析的有限元模型，數(shù)值模型尺寸和有限元劃分的網(wǎng)格如圖7所示。有限元單元采用結(jié)構(gòu)化四邊形單元，單元尺寸為0．02m×0．02m，共1 675個節(jié)點，1 576個單元組成。

圖7 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分示意圖

在數(shù)值模擬中，參數(shù)選取的正確性直接決定了分析結(jié)果的合理與否，而這些參數(shù)主要是通過巖土體的物理力學實驗、滲透實驗、工程地質(zhì)類比以及經(jīng)驗值等綜合確定的。本數(shù)值模擬的滲流和穩(wěn)定性計算過程中涉及到的滑坡巖土體的參數(shù)主要根據(jù)模型試驗確定：天然重度取18．8kN／m3，黏聚力C＝11．2kPa，內(nèi)摩擦角φ＝19．6°，滲透系數(shù)K＝6．7× 10－6cm／s，飽和含水量為68%。

在滲流分析中，非飽和材料參數(shù)主要有土水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)。采用上述模型參數(shù)，由Fredlund＆Xing模型擬合得到非飽和土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系，如圖8所示。根據(jù)土體的滲透系數(shù)與體積含水量有關(guān)特性，并假定土體的殘余體積含水量為飽和含水量的10%，通過Van Genuchten模型對整個土體體積含水量方程進行積分［5］，得到土的體積含水量與基質(zhì)吸力的關(guān)系，如圖9所示。根據(jù)圖8～9可知，土體的體積含水量越小，基質(zhì)吸力越大，致使?jié)B透系數(shù)越低，這是土體內(nèi)部的空氣氣泡阻礙水體在土體內(nèi)部流動的結(jié)果。

圖8 滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力的關(guān)系

圖9 含水量和基質(zhì)吸力的關(guān)系

在Seep／w模塊中，在一個節(jié)點上，只能給定水頭或流量邊界條件。Seep／w對流量邊界的假定是：若邊界流量小于土體滲透系數(shù)，采用流量邊界條件；若邊界流量大于土體滲透系數(shù)，坡面有徑流產(chǎn)生，則采用水頭邊界條件。本次數(shù)值分析中，根據(jù)降雨入滲強度為110mm／h和表層單元網(wǎng)格長度，換算成邊界流量為6．11×10－5cm／s，大于土體滲透系數(shù)，因此采用水頭邊界條件。在庫水下降和降雨過程中，滲流表面和降雨表面的水頭邊界條件是動態(tài)變化的，采用水位變化函數(shù)來表示，函數(shù)設(shè)置與模型試驗一致，另外底部基巖設(shè)為不透水邊界。

3．2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖10給出了在庫水下降速率為0．08cm／min，降雨強度110mm／h時的浸潤線變化圖。由圖10可知，滑坡體浸潤線的彎向由滑坡體內(nèi)向滑坡體外彎曲，說明隨著庫水位的下降，岸坡地下水位也在逐漸下降，滑坡體內(nèi)地下水位的下降存在滯后現(xiàn)象。且隨著降雨時間的延續(xù)，滑坡土體內(nèi)非飽和區(qū)域變小，飽和區(qū)域變大，土壤含水率變大，因而浸潤線不斷上升。隨著降雨的進行，坡體淺層的基質(zhì)吸力逐漸減小，并隨著降雨的停止逐漸趨于穩(wěn)定值?；|(zhì)吸力的喪失會導(dǎo)致滑坡的非飽和抗剪強度的降低，進而影響邊坡的穩(wěn)定性，發(fā)生局部滑坡。在降雨進行的過程中和結(jié)束后的一段時間內(nèi)，雨水都在緩慢地入滲到滑坡體內(nèi)，淺層坡體基質(zhì)吸力逐漸喪失，并局部飽和，以至于出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

圖10 浸潤線變化圖

通過對庫水下降孔隙水壓力等值線云圖（圖11）分析發(fā)現(xiàn)：在庫水下降過程中疊加降雨的作用，邊坡前緣出現(xiàn)較大的孔隙水壓力，導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低，引起坡體前緣變形增大。同時在淺層形成暫態(tài)飽和區(qū)和局部積水，增加坡體自重，加之邊坡上存在的張拉裂隙，降雨入滲至裂隙，使滑帶土含水量增加甚至局部飽和，導(dǎo)致抗剪強度降低，發(fā)生滑坡破壞。

將上述模擬結(jié)果導(dǎo)入slope／w模塊進行邊坡穩(wěn)定性計算，得到：隨著水位降落與降雨的持續(xù)作用，邊坡的安全系數(shù)不斷降低，且在降雨初期變化速率較快，分析原因可能由于在庫水下降前期，坡前水壓力的卸載，致使坡內(nèi)和坡外形成的孔壓差對邊坡的不利影響大于坡內(nèi)摩擦力增加的有利影響，所以安全系數(shù)呈現(xiàn)驟降現(xiàn)象。

圖11 孔隙水壓力分布圖

4 結(jié)語

本文通過物理模型試驗和有限元模擬了水位降落與降雨聯(lián)合作用下對臨水邊坡穩(wěn)定性的影響，得到的結(jié)論如下：

1）坡體在庫水和降雨的聯(lián)合作用下，由于坡內(nèi)的水位降落值滯后于庫水位下降值，坡體出現(xiàn)45°的剪切裂縫和平行于坡肩的張拉裂縫。隨著庫水位的下降和降雨作用，裂縫的深度和寬度越來越大，同時坡體前緣產(chǎn)生局部破壞，使其上方土體產(chǎn)生滑坡臨空面，進而發(fā)生進一步失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

2）由于降雨滲透使土體含水量增大，導(dǎo)致土體的容重增加和孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力降低，抗剪強度降低?；虑熬壷饕憩F(xiàn)為由于浮力減重和浸泡軟化作用使抗滑力減小，滑坡中后部下滑力增大使邊坡安全系數(shù)降低，邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

［1］卿篤干．五強溪庫岸滑坡穩(wěn)定性特征與信息系統(tǒng)研究［D］．長沙：中南大學，2011．

［2］Borga M，Dalla Fontana G，Da Ros D，et al．Shallow landslide hazard assessment using aphysically based model and digital elevation data［J］．Environmental Geology，1998，2：81－88．

［3］羅先啟，劉德富，吳劍，等．雨水及庫水作用下滑坡穩(wěn)定模型試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2005，24（14）：2476－2483．

［4］賈官偉，詹良通，陳云敏．水位驟降對邊坡穩(wěn)定性影響的模型試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2009，28（9）：1798－1803．

［5］Genuchten MTh Van．A closed－form equation for predicting for the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］．Soil Science Society of America Journal，1980，44：892－898．

The Research on Highway Landslide Influenced by Reservoir Water and Rainfall

SHEN Qiu－chi，etc．
（Department of Road Enieerning，F(xiàn)ujian Chuanzheng Communication College，F(xiàn)uzhou350007，China）

Taking mountainous rainfall－induced landslide in Fujian province as the study subject，combining indoor artificial rainfall landslide experiment with finite element numerical simulation method，the mechanism of rainfall－induced landslide of highway bank slope has been studied in this article．The water slope failure mode and causes of stability have been discussed with the effect of reservoir water level fluctuation and the changes of rainfall intensity on highway bank slope．The research shows that the seepage field along the slope body has been changed，and the mechanical strength of soil has been reduced．The anti－slide force in front of slope will decrease with the sliding force increasing caused by buoyancy weight loss and soaking softening，and the sliding force in the rear of the slope will increase．This will lead to landslide．

reservoir water level；rainfall；landslide；model test；finite element method

TU46

A

1009－8984（2016）02－0010－04

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．003

2016－04－08

福建省自然科學基金項目（2014J01186）

沈秋池（1973－），男（漢），福建詔安，副教授主要研究滑坡災(zāi)害。