降雨入滲對人工填土斜坡穩(wěn)定性影響研究

摘 要：探討降雨入滲作用對人工填土斜坡穩(wěn)定性的影響，能為避免降雨誘發(fā)滑坡提供一定的理論依據(jù)。本文以貴州省定東小學填土-坡積土斜坡為例，在分析人工斜坡體工程地質(zhì)特征的基礎上，利用有限元Geostudio軟件多模塊的耦合，分析了不同降雨條件斜坡的滲透場、應變場特征和穩(wěn)定性，同時分析了前期與后期降雨和填土前后的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：人工填土斜坡體的地下水流速和最大剪應變均集中于填土與坡積土界面附近，且隨降雨強度增加而增加;降雨強度和降雨持續(xù)時間與斜坡穩(wěn)定性呈反比;填土因素一定程度上增強了降雨滲透對斜坡穩(wěn)定性的影響，填土-坡積土界面為人工填土斜坡失穩(wěn)的最大潛在滑動面;降雨前期對斜坡穩(wěn)定性影響大于后期，且該效應隨降雨強度降低而增強;降雨滲透是通過增加孔壓、降低基質(zhì)吸力、地下水流速增加引起剪應變增加等方式降低人工填土斜坡的穩(wěn)定性。

關鍵詞：降雨滲透;人工填土;斜坡;穩(wěn)定性;Geostudio

中圖分類號：P642.22

文獻標識碼： A

對人工填土斜坡的穩(wěn)定性影響的研究，前人在影響因素和機理方面已做出較深入的探討。如應宏偉等[1]研究認為，人工填土堆筑速度過快，軟土來不及固結(jié)以致土體強度低;欒茂田等[2]根據(jù)試驗分析表明，低壓實填土滲透性較好，降雨入滲降低土體有效強度;趙春宏等[3]通過對填土進行試驗表明，土體孔隙水壓力增加且具有突然性，水位上升引起靜態(tài)液化導致斜坡穩(wěn)定性降低;劉新喜等[4]通過數(shù)值模擬分析認為，強風化軟巖高填方路堤壓實度低或強降雨導致斜坡失穩(wěn);馬莎等[5]研究認為，在暴雨作用下土體黏聚力和摩擦強度降低導致高填方斜坡失穩(wěn)?？梢姡烟钏俾蔬^快、壓實低、降雨、靜態(tài)液化等是降低人工填土斜坡的穩(wěn)定性的因素。對建于填土斜坡上的工程，降雨入滲因素是持續(xù)而可控的，而其他因素是難以改變的，因此，研究降雨入滲對人工填土斜坡穩(wěn)定性的影響能為避免此類滑坡提供依據(jù)。

關于降雨對土體斜坡穩(wěn)定性影響研究有了一定的水平和規(guī)模，如高潤德等[6]通過研究單層粉質(zhì)黃土模擬分析認為，土體的滲透性對非飽和土斜坡穩(wěn)定性影響大;吳俊杰等[7]通過對單層土體計算分析認為非飽和土基質(zhì)吸力對土坡穩(wěn)定性影響顯著，而單純地下水位升高影響不明顯;許建聰?shù)萚8]通過試驗分析認為中深層碎石土斜坡失穩(wěn)是由于降雨引起滑動面接觸摩擦應力減小;張國超等[9]通過對間歇性降雨的數(shù)值分析表明，第一次降雨對斜坡穩(wěn)定性影響最顯著;高連通等[10]通過對單層堆積體數(shù)值模擬多場分析表明滲流場和位移場相似;馮凱文、溫永福等[11-12]研究表明降雨通過降低有效應力和不同程度降低抗剪強度的方式降低斜坡穩(wěn)定性。多數(shù)學者更局限于均質(zhì)單層土斜坡，而物理力學差異大的人工填土和天然土組合斜坡體研究較少。

貴州定東小學斜坡為典型的填土-殘坡積土多層組合斜坡，于2013年出現(xiàn)明顯滑坡跡象，目前已有效治理。為探討降雨對人工填土斜坡的影響，本文以治理前的貴州省定東小學斜坡為例，利用有限元Geostudio軟件多個模塊耦合分析斜坡穩(wěn)定性，將是對人工填土斜坡研究的有益補充。

1 斜坡地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 斜坡工程地質(zhì)條件

定東小學斜坡為侵蝕-溶蝕中低山谷地斜坡，位于貴州省貴定縣定東鄉(xiāng)農(nóng)莊村的關壩河南岸，處于云貴高原東南部，屬長江流域沅江水系清水江支流。區(qū)域內(nèi)主要出露地層有第四系（Q）和志留系中統(tǒng)翁項組（S2w），還發(fā)育一條東西走向陡傾正斷層和寬緩的向斜，且地層近水平，其地震烈度為Ⅵ度，整體較穩(wěn)定。研究區(qū)的地下水由西北向東南徑流，排泄于低洼地帶并匯入關壩河。斜坡上建設場坪時，其人工堆填土覆蓋原有自然水溝和鐵路路基排水涵洞。

1.2 斜坡體特征

定東小學斜坡是殘坡積土堆填人工填土而成。據(jù)前期大量的鉆探、淺井和物探等勘察資料，得出定東小學斜坡某工程地質(zhì)剖面圖（圖1）。斜坡呈南高北低，高差為60 m;呈多級階地，坡度較緩，約為10°，基巖巖層近水平，地下水位深淺變化，見季節(jié)性泉點，流量0.014～0.08 L/s。

斜坡體物質(zhì)具有明顯分帶性（圖2，a）。從淺到深分別為：人工填土層（Qml）由褐黃色粉質(zhì)黏土及碎石構(gòu)成，角礫和碎石含量30%左右，結(jié)構(gòu)松散，高壓縮性，透水性較高;殘坡積土層（Qel+dl）為黃色粉砂質(zhì)黏土，硬塑-軟塑狀，含大量角礫和碎石，角礫粒徑為0.5～30 mm之間，約占20%，土體潮濕，淺井可見滲水（圖2，b），厚3～10 m;基巖層（S2w）為淺灰色中厚層粉砂質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖，呈塊狀，上部為厚約5 m的強風化層，頁巖遇水易軟化，呈土狀。

斜坡上操場和宿舍樓出現(xiàn)大量裂縫等斜坡變形現(xiàn)象，裂隙寬7～30 cm，部分呈上下錯動，錯距5～20 cm，其走向與坡面平行（圖3）。

基巖比較穩(wěn)定，深部無明顯滑動，填土與殘坡積土界線和巖土界線較清晰，為斜坡發(fā)生滑坡時的潛在滑移面。

2 數(shù)值計算模型建立

2.1 模型建立與參數(shù)選取

據(jù)斜坡的工程地質(zhì)剖面和物質(zhì)特征，利用有限元軟件Geostudio建立共9 671個單元和29 516個節(jié)點的4層材料數(shù)值計算模型，并布設8個孔隙水壓監(jiān)測點（圖4）。

據(jù)勘察報告及文獻[13-14]得出斜坡巖土體的物理力學參數(shù)（表1）。在土體滲透場中，飽和-非飽和理論通常認為非飽和狀態(tài)下達西定律仍然適用，但其體積含水量和滲透系數(shù)是函數(shù)。在有限元SEEP模塊中，土體的土水特征曲線可據(jù)飽和含水量和同類樣本函數(shù)[15]計算而得，再基于土水特征曲線和飽和滲透系數(shù)，采用FREDLUND和XING法[15]估算得到兩類土體的滲透系數(shù)函數(shù)（圖5）。

2.2 定解條件及計算工況

定解條件：SEEP模塊滲透場分析中，初始條件為斜坡實際地下水位線，土體的毛細水上升高度為3 m，即最大負孔壓水頭為3 m;填土坡面為不同等級的定流量入滲邊界，流量等級為降雨量等級;泉點發(fā)育處以下坡面為潛在滲出邊界。SLOPE模塊穩(wěn)定性分析中，潛在滑移面為巖土界面和填土與坡積土界面;SIGMA模塊應變場分析中，斜坡左右邊界固定豎直X位移，底部邊界Y位移均固定。

本文重點探討降雨入滲作用對斜坡作用機制和影響程度等的分析，因此，數(shù)值計算工況為不同降雨強度在極端持續(xù)降雨條件下穩(wěn)定性變化情況。即填土后斜坡在不同降雨強度和原始斜坡在特大暴雨強度下持續(xù)2 d工況（表2）。

3 多場耦合對斜坡穩(wěn)定性的分析

3.1 降雨條件下斜坡滲透場特征

基巖透水性差，且對斜坡影響較小，因此不考慮基巖滲透作用。利用SEEP模塊計算得出斜坡體在工況1—工況4的地下水流速云圖（圖6），同時得出在工況4的水平距離為120 m處不同深度的孔隙水壓力與降雨時間關系圖（圖7）。由圖7可知，隨著降雨強度增加，斜坡體內(nèi)地下水位上升，土體含水量增加，滲透壓力增加，導致地下水流速增大;在滲透性突變的填土與殘坡積土界面近，地下水向下運動受阻聚集而向臨空面方向運動，導致最大地下水流速集中于該界面附近，其最大流速達2.38×10-5 m/s;降雨歷時增加，斜坡土體孔隙水壓力整體上大幅度增加，最大增量約50 kPa，而淺層負孔隙水壓力（即基質(zhì)吸力）先降為零，再轉(zhuǎn)為正壓繼續(xù)增加，即斜坡非飽和土轉(zhuǎn)為飽和土。

3.2 滲透場耦合下的應變場特征

將SEEP模塊計算出的瞬時孔隙水壓力導入SIGMA模塊進行耦合計算，得到斜坡的最大剪應變云圖（圖8）。由圖8可知，降雨強度的增加，斜坡最大剪應變增加，最大值達0.122;最大剪應變集中于填土與殘坡積土界面附近前端坡度較大處，與地下水流速較相似性;同時最大剪應變集中部位與實際的斜坡體上宿舍樓和操場出現(xiàn)大量裂縫等（圖3）變形跡象一致。

3.3 降雨條件下斜坡穩(wěn)定性

上述可知，降雨入滲作用引起人工填土斜坡土體內(nèi)地下水流速增加且集中于填土與殘坡積土界面附近等滲透場變化;同時，也引起剪應力集中導致最大剪應變不斷集中于填土與殘坡積土界面前端的應變場變化。總之，降雨滲透作用對人工填土斜坡的填土與殘坡積土界面影響最強烈，結(jié)合淺井、鉆芯和物探揭示的斜坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征可得，該界面為人工填土斜坡發(fā)生整體性滑坡的最大潛在滑移面。

將SEEP模塊計算出斜坡土體內(nèi)瞬時孔壓耦合進入SLOPE模塊，擬定填土與殘坡積土界面為滑動面，采用Morgenstern-Price法計算

出斜坡工況1—工況4不同降雨持續(xù)時間的穩(wěn)定性（圖9）。由圖9可知，降雨歷時一定，斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨強度增加而降低;降雨強度一定，斜坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨持續(xù)時間增加而降低;降雨強度低于大雨時，穩(wěn)定系數(shù)緩慢降低，而當降雨強度高于暴雨時，穩(wěn)定系數(shù)急劇下降;當暴雨持續(xù)降雨2 d或特大暴雨持續(xù)1.25 d時，斜坡穩(wěn)定系數(shù)從1.133降至1.0以下，斜坡變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，此時斜坡可能會沿填土與坡積土界面發(fā)生整體性滑動。

同時發(fā)現(xiàn)，降雨前、后期對斜坡穩(wěn)定性的影響具有較明顯的差異。降雨時間為0 d、1 d和2 d的穩(wěn)定系數(shù)FS0、FS1、FS2，則降雨前期對斜坡穩(wěn)定性影響占比定義為{（FS1-FS0）/[（FS1-FS0）-（FS2-FS1）]}×100%。根據(jù)圖9數(shù)據(jù)，計算得出特大暴雨、暴雨、大雨和小雨的前期降雨影響占比56.6%、59.7%、79.5%和81.1%，均大于50%，且隨降雨強度降低而增加。以上表明，前期降雨對斜坡穩(wěn)定性影響比后期降雨的影響大，且降雨強度越小，降雨前期影響大的效應越強。

3.4 填土前后斜坡穩(wěn)定性分析

定東小學原始斜坡潛在滑動面為巖土界面，填土后潛在滑動面為填土和殘坡積土界面，通過模擬計算工況4和工況5穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果（表3）。由表可知，在特大暴雨強度持續(xù)降雨2 d時，填土后的斜坡穩(wěn)定系數(shù)為0.935，斜坡可能沿著巖土界面發(fā)生整體性滑動;而原始斜坡，即便在特大降雨持續(xù)2 d后，其穩(wěn)定系數(shù)仍為1.399，斜坡整體較穩(wěn)定。可見，填土導致是導致斜坡失穩(wěn)的重要因素。

4 降雨對填土斜坡穩(wěn)定性影響機理

填土因素是降低人工填土斜坡穩(wěn)定重要因素。一方面，壓實低填土本身力學強度弱，增加原始斜坡體自重，從而降低斜坡穩(wěn)定性;另一方面，填土壓實性低，結(jié)構(gòu)疏松，導致土體滲透性較好，即填土具有增強降雨因素對斜坡穩(wěn)定性影響的作用。

降雨條件下，雨水下滲，地下水位線上升，土體孔隙水增加，大部分非飽和土轉(zhuǎn)為飽和土，斜坡自重增加，導致斜坡下滑力不斷增大;由于地下水集中于填土與坡積土界面附近的填土層部位，地下水流速不斷增大，引起滲透壓力增大，導致斜坡下滑力增大;重力場和滲透場作用下，填土與坡積土界面的臨空面附近剪應力集中，當超過極限抗剪強度時，斜坡沿著某潛在剪切滑移面發(fā)生剪切位移，導致此處剪應變不斷增大。同時，斜坡體非飽和土，隨著孔隙水的增加，負孔隙水壓力逐漸降低至零，導致土體基質(zhì)吸力降低，削弱了斜坡的抗剪強度;斜坡體飽和土孔隙水壓力并不斷增加，導致斜坡有效強度減弱，從而降低斜坡體的總抗滑力。隨著下滑力不斷增加，抗滑力不斷減少，穩(wěn)定系數(shù)（抗滑力下滑力之比）逐漸降低，即斜坡穩(wěn)定性不斷降低。當潛在滑面的總下滑力大于總抗滑力，斜坡將沿著該滑面向臨空面發(fā)生整體性滑動而導致斜坡失穩(wěn)。

5 結(jié)論

本文考慮降雨滲透作用對具有殘坡積土層和人工填土層的斜坡穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）填土與坡積土界面滲透性差異引起降雨條件下填土斜坡地下水流速和最大剪應變集中于該界面附近。

（2）降雨條件下，斜坡體滲透場和應變場變化較相似，地下水流速和最大剪應變與降雨強度均呈反比。

（3）填土對降雨影響斜坡穩(wěn)定性起一定增強作用，且填土與殘坡積土界面為斜坡失穩(wěn)的最大潛在滑移面。

（4）降雨持續(xù)時間和降雨強度增加，斜坡穩(wěn)定性降低;前期降雨對斜坡穩(wěn)定性影響比后期大，且降雨強度越小，此效應越強。

（5）降雨入滲降低斜坡穩(wěn)定性的主要作用機理：地下水流速增加導致滲透壓力增加，使剪應力集中而增加剪應變;孔隙水壓力增加和基質(zhì)吸力降低，導致降低斜坡體有效強度和抗滑力;土體容重增加，下滑力增加。

參考文獻：

[1]應宏偉， 潘秋元. 某大型填土工程滑坡機理分析與治理[J]. 巖土工程學報， 2002， 24（2）： 198-201.

[2]欒茂田， 年延凱. 1976年香港秀茂坪人工填土邊坡滑坡災害評析[J]. 防災減災工程學報， 2003， 23（1）： 114-117.

[3]趙春宏， 戴福初. 深圳某填土滑坡破壞機理研究[J]. 中國地質(zhì)災害與防治學報， 2007， 18（2）： 1-7.

[4]劉新喜， 夏元友， 蔡俊杰， 等. 降雨入滲下強風化軟巖高填方路堤邊坡穩(wěn)定性研究[J]. 巖土力學， 2007， 28（8）： 1705-1709.

[5]馬 莎， 胡金虎， 萬騰飛. 暴雨誘發(fā)高填深挖路基邊坡失穩(wěn)分析[J]. 水土保持研究， 2010， 17（5）： 235-237.

[6]高潤德， 彭良泉， 王釗. 雨水入滲作用下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性分析[J]. 人民長江， 2001（11）： 25-27.

[7]吳俊杰， 王成華， 李廣信. 非飽和土基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定的影響[J]. 巖土力學， 2004， 25（5）： 732-744.

[8]許建聰， 尚岳全. 降雨作用下碎石土滑坡解體變形破壞機制研究[J]. 巖土力學， 2008， 29（1）： 106-118.

[9]張國超， 范付松， 趙 鑫. 間歇性降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響[J]. 安全與環(huán)境工程， 2011， 18（4）： 1-6.

[10]高連通， 宴鄂川， 劉 珂. 考慮降雨條件的堆積體滑坡多場特征研究[J]. 工程地質(zhì)學報， 2014， 22（2）： 263-271.

[11]馮文凱， 周 強， 白慧林， 等. 降雨作用對歡喜坡冰水堆積體斜坡穩(wěn)定性的影響研究[J]. 工程地質(zhì)學報， 2018， 26（3）： 655-662.

[12]溫永福， 高鵬， 穆興民， 等. 極端降雨作用下陜北梯田邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 水土保持研究， 2018， 25（4）： 365-369.

[13]史文兵， 黃潤秋， 左雙英， 等. 貴州省貴定縣定東小學滑坡形成機制[J]. 水土保持通報， 2015， 35（1）： 287-290.

[14]常士驃， 張?zhí)K敏. 工程地質(zhì)手冊[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2007.

[15]FREDLUND D G， XING A Q. Equations for the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1994， 31： 521-532.

（責任編輯：于慧梅）