降雨入滲條件下非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性分析

楊迪惠，李建華

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降雨入滲條件下非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性分析

楊迪惠，李建華

（四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八一大隊(duì)，四川西昌 615000）

大量研究表明，主要且直接誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因數(shù)是降雨，雨水入滲對非飽和土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響最大。分析非飽和黏土邊坡基質(zhì)吸力和滲流場影響，采用有限元軟件FLAC2D建立非飽和黏土邊坡的數(shù)值模型，研究計(jì)算在降雨強(qiáng)度不同條件下，降雨時間相同和降雨總量相同這兩種情況對邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：非飽和黏土邊坡內(nèi)部的剪應(yīng)變增量隨降雨強(qiáng)度的變大而增大，邊坡的位移也和降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，降雨強(qiáng)度越大越容易造成黏土邊坡表層失穩(wěn)。

黏土邊坡；降雨；數(shù)值模型；穩(wěn)定性分析

我國西南地區(qū)山區(qū)地貌多樣，第四系堆積層較厚，雨季降雨強(qiáng)度較大且降雨持續(xù)時間較長，容易發(fā)生滑坡這類地質(zhì)災(zāi)害，給國家健康穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)建設(shè)及人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的隱患。通過文獻(xiàn)資料，因?yàn)榻涤陱?qiáng)度過大而誘發(fā)形成災(zāi)害的滑坡占到滑坡總數(shù)的絕大部分，經(jīng)過大量研究表明，最主要且直接誘發(fā)邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)的主要環(huán)境因數(shù)是降雨入滲，換句話說，降雨入滲對非飽和土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度最大。在常規(guī)降雨條件下，我們對邊坡設(shè)計(jì)是將土體視為飽和狀態(tài)，但在絕大部分邊坡中除開土質(zhì)基質(zhì)，還存在圍繞著土基質(zhì)之間的水和氣體兩相流，也就是非飽和土，所以有必要對非飽和土坡進(jìn)行研究。非飽和土的物理力學(xué)性質(zhì)在持續(xù)降雨過程中會產(chǎn)生很大變化，雨水入滲使邊坡內(nèi)部形成暫態(tài)水壓力，土體飽和度增加，原本的基質(zhì)吸力平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致非飽和土體的基質(zhì)吸力下降，同時雨水還沿著坡體中原有的裂隙、破裂帶逐漸入滲，降低滑帶的摩擦力，產(chǎn)生動、靜水壓力從而使坡體的抗剪強(qiáng)度大幅減弱，最終導(dǎo)致坡體破壞[1-4]。

分析通過某個具體非飽和黏土邊坡工程實(shí)例，采用有限元軟件FLAC2D建立非飽和黏土邊坡的數(shù)值模型，結(jié)合非飽和土滲流理論，研究計(jì)算在降雨強(qiáng)度不同的條件下，降雨時間相同和降雨總量相同這兩種情況對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 非飽和土基本理論

目前，大多數(shù)關(guān)于非飽和土強(qiáng)度理論的計(jì)算公式是Bishop和Frelund等學(xué)者提出來的，為研究非飽和土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

雨水入滲使土質(zhì)邊坡內(nèi)部形成暫態(tài)水壓力，增加土體飽和度，導(dǎo)致土體顆粒之間的有效應(yīng)力降低，即減弱了非飽和土體的基質(zhì)吸力，土體的抗剪強(qiáng)度隨之減弱。根據(jù)Bishop有效應(yīng)力原理可以得到非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式為[5-6]

在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)relund提出的非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式為

采用Van Genuchten的經(jīng)驗(yàn)公式可以得到流體的相對滲透率為：

2 邊坡數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型的建立

對降雨入滲條件下進(jìn)行研究的非飽和黏土邊坡水平向長86m，豎向高36m，邊坡頂部有40m長的平臺，坡高24m，坡表分為3級，每級高8m，開挖平臺寬2m，坡比1∶0.7，坡表和內(nèi)部設(shè)有平行分布的檢測點(diǎn)位。邊坡上部為紅色黏土，結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好，遇水飽和后易軟化；下部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育。邊坡初始狀態(tài)地下水位為2m，見圖1。

圖1 邊坡初始幾何模型

2.2模型邊界條件及計(jì)算參數(shù)選取

表1 數(shù)值模擬巖土體物理力學(xué)參數(shù)

研究邊坡既然為非飽和黏土邊坡，所以數(shù)值模型中不僅有孔隙水的流動，還允許氣相的流動。對于模型的邊界流量設(shè)置，地下水位以下和兩側(cè)采用定水頭邊界，坡表面取流量邊界，模型底部不透水。對模型施加位移邊界設(shè)置，在模型底部施加豎直向和水平向位移約束，在模型左右兩側(cè)施加水平向位移約束。為了進(jìn)一步研究土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性是否與降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時間有關(guān)，根據(jù)降雨強(qiáng)度與降雨持續(xù)時間成反比的原則，即降雨強(qiáng)度小持續(xù)時間長，降雨強(qiáng)度大持續(xù)時間短來設(shè)置降雨工況。本次數(shù)值模擬采用3次不同的降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時間來計(jì)算：①=200mm/d，=3d；②=20mm/d，=30d；③=2mm/d，=300d。數(shù)值模擬計(jì)算該邊坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)通過現(xiàn)場勘查和室內(nèi)試驗(yàn)確定，見表1。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 邊坡剪切應(yīng)變增量分析

圖2為非飽和黏土邊坡在降雨強(qiáng)度分別為2mm/d，20mm/d，200mm/d，降雨持續(xù)時間相同情況下的剪切應(yīng)變增量云圖。通過圖2（a）、（b）、（c）可以明顯看出，在降雨持續(xù)時間相同條件下，降雨強(qiáng)度增加，非飽和黏土邊坡內(nèi)部的剪切應(yīng)變增量也隨之增大。當(dāng)降雨強(qiáng)度=2mm/d時，最大剪切應(yīng)變增量為1.75×10-4；當(dāng)降雨強(qiáng)度=20mm/d時，最大剪切應(yīng)變增量提升一個數(shù)量級到達(dá)2.00×10-3；當(dāng)降雨強(qiáng)度=200mm/d時，最大剪切應(yīng)變增量達(dá)到了1.25×10-1，邊坡頂部出現(xiàn)剪切應(yīng)變增量區(qū)域，即非飽和黏土邊坡內(nèi)部產(chǎn)生潛在滑移面。

圖2 非飽和黏土邊坡不同降雨強(qiáng)度下的剪切應(yīng)變增量云圖

3.2 邊坡飽和度分析

圖3為非飽和黏土邊坡在降雨強(qiáng)度分別為2mm/d，20mm/d，200mm/d，降雨總量相同情況下的飽和度云圖。通過圖3（a）可以看出，在降雨強(qiáng)度較小的情況下（=2mm/d），雨水在重力作用及基質(zhì)吸力作用條件下通過邊坡上部及坡表的黏土往下入滲，由于泥巖的滲透系數(shù)比黏土的滲透系數(shù)較小，雨水會在黏土與泥巖交界的部位產(chǎn)生富集，所以飽和度達(dá)到最大值8.5×10-1。從由圖3（b）和（c）可以看出，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定值后，非飽和黏土邊坡內(nèi)部的高飽和度區(qū)域由黏土與泥巖交界的部位向坡表轉(zhuǎn)移，尤其在降雨強(qiáng)度到達(dá)=200mm/d時，整個黏土邊坡坡表及頂部成為飽和度最大值所在區(qū)域，即降雨強(qiáng)度超過限定值后，黏土邊坡的飽和度峰值會增加，同時飽和區(qū)域集中度會越高并向坡表轉(zhuǎn)移，在坡表形成具有一定厚度的飽和區(qū)域帶[7]。換句話說，黏土邊坡在暴雨?duì)顟B(tài)下坡表穩(wěn)定性快速降低，易發(fā)生坡表部位的破壞和垮塌。

圖3 非飽和黏土邊坡不同降雨強(qiáng)度下的飽和度云圖

3.3 邊坡監(jiān)測點(diǎn)的位移分析

圖4為非飽和黏土邊坡在降雨強(qiáng)度為200mm/d，降雨持續(xù)時間為3t工況條件下布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的位移隨高程的變化關(guān)系曲線。從圖4（a）可以看出，監(jiān)測點(diǎn)的水平向位移整體隨著高程的升高而減小，即坡頂水平向位移較小，坡腳水平向位移最大。邊坡最下部坡面監(jiān)測點(diǎn)的水平位移比坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的位移突然增大，說明該部位處于潛在圓弧滑移面上。圖4（b）反映出監(jiān)測點(diǎn)豎直向位移整體隨著高程的升高而增大，處于潛在滑移面頂部監(jiān)測點(diǎn)的豎直向位移最大，高程為8m和16m的部位為邊坡的平臺，可以發(fā)現(xiàn)在平臺部位坡表的豎向位移值比坡內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值小，說明坡表平臺的開挖具有限制豎向位移繼續(xù)增大的功能。

圖4監(jiān)測點(diǎn)位移隨高程變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過對非飽和黏土邊坡在降雨入滲條件下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：

1）降雨持續(xù)時間相同條件下，降雨強(qiáng)度增加，非飽和黏土邊坡內(nèi)部的剪切應(yīng)變增量也隨之增大。在黏土和泥巖交界靠近坡表處剪切應(yīng)變增量達(dá)到峰值，最容易產(chǎn)生破壞繼而形成貫通坡頂?shù)臐撛趫A弧滑移面，向上剪切應(yīng)變增量逐漸減小。

2）降雨總量相同情況下，降雨強(qiáng)度越大，黏土邊坡的飽和度峰值會增加，同時飽和區(qū)域集中度會越高并向坡表轉(zhuǎn)移，在坡表形成具有一定厚度的飽和區(qū)域帶。即黏土邊坡在暴雨?duì)顟B(tài)下坡表穩(wěn)定性快速降低，易發(fā)生坡表部位的破壞和垮塌。

3）降雨持續(xù)時間較長條件下，邊坡監(jiān)測點(diǎn)的水平向位移整體隨著高程的升高而減小，即坡頂水平向位移較小，坡腳水平向位移增大；監(jiān)測點(diǎn)豎直向位移整體隨著高程的升高而增大，處于潛在滑移面頂部監(jiān)測點(diǎn)的豎直向位移最大。

[1] 黃潤秋，戚國慶．非飽和滲流基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響[J]．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2002，10（4）：343－348．

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Stability of Unsaturated Clay Slope under the Condition of Rainwater Infiltration

YANG Di-hui LI Jian-hua

(No.281 Party, CNNC, Xichang, Sichuan 615000)

This paper deals with stability of unsaturated clay slope under the condition of rainwater infiltration. The study indicates giant influence of rainfall infiltration on stability of clay slope. A numerical model of unsaturated clay slope is established by the use of finite element software FLAC2D which is used for calculating the influence of rainfall on slope stability. The results indicate that shear strain increment and displacement of unsaturated clay slope increase with rainfall intensity.

clay slope; stability; rainfall; infiltration

P642.2

A

1006-0995（2017）03-0475-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.028

2017-02-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41072229）

楊迪惠（1967-），男，四川西昌人，高級工程師，主要從事地質(zhì)工程及地質(zhì)災(zāi)害防治的治理工作和研究