降雨型滑坡增載弱化復(fù)合動力效應(yīng)及穩(wěn)定性評價方法研究

劉洪華，張?zhí)m閣，賀可強，郭璐，徐紅兵，王忠勝

(1.青島地質(zhì)工程勘察院(青島地質(zhì)勘查開發(fā)局)， 山東 青島 266071；2.河南省第二建設(shè)集團有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453002；3.青島理工大學(xué) 地質(zhì)環(huán)境與效應(yīng)研究中心， 山東 青島 266033；4.青島地礦巖土工程有限公司， 山東 青島 266100)

0 引言

滑坡是一種危害性巨大的自然地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1-2]，極端降雨引發(fā)的滑坡占總滑坡的比重高達(dá)50 %。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者加強了極端降雨對邊坡整體穩(wěn)定性影響的研究。蔣中明等[3-6]通過數(shù)值模擬從不同降雨強度、降雨歷時和前期降雨等方面探討了邊坡滲流特征；CHEN等[7]通過深入研究發(fā)現(xiàn)，巖土體在外界雨水作用下強度降低，力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致巖土體的容重和下滑動力增加。蔡亞飛等[8]運用有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS對降雨入滲作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，并得出邊坡安全系數(shù)與抗剪強度參數(shù)呈正比關(guān)系，與水頭高度、降雨持時和降雨強度呈反比關(guān)系。王東等[9]運用Geo-Studio模擬軟件對不同抗剪強度參數(shù)下土壩的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)果表明內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c對壩坡的穩(wěn)定性影響非常明顯。倪恒等[10-13]采用正交試驗的方法，對影響邊坡整體穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，得出抗剪強度參數(shù)對邊坡的整體穩(wěn)定性影響比較顯著。喻和平等[14]利用參數(shù)區(qū)間組合法研究抗剪強度參數(shù)、變形參數(shù)、容重對邊坡整體穩(wěn)定性的影響大小，得出粘聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響最大，泊松比對邊坡穩(wěn)定性的影響最小。然而以上的研究成果往往缺少極端降雨過程中巖土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量等參數(shù)的弱化對邊坡整體穩(wěn)定性的影響。

因此本文主要對以上不足進(jìn)行相關(guān)探討，研究降雨入滲條件下坡體含水率增加引起的增載弱化復(fù)合動力的變化規(guī)律，并根據(jù)以上的研究結(jié)果對邊坡整體穩(wěn)定性及位移的演變規(guī)律進(jìn)行分析與評價。

1 降雨入滲條件下坡體物理參數(shù)的弱化規(guī)律分析

李維樹等[15]對三峽庫水區(qū)粉質(zhì)粘性土隨含水率的增加粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ值的弱化規(guī)律進(jìn)行了研究，并建立了粉質(zhì)黏土c、φ值關(guān)于含水率w的經(jīng)驗公式，粉質(zhì)黏土c、φ與含水率之間的變化曲線如圖1所示：

圖1 粉質(zhì)黏土c、 φ與含水率之間的變化曲線Fig.1 Correlation curve between c, φ and water content of silty clay

劉江平等[16]通過室內(nèi)試驗對不同含水率條件下巖土體的彈性模量E的變化情況進(jìn)行測定，得到的粉質(zhì)黏土彈性模量E與含水率的變化曲線如圖2所示：

圖2 粉質(zhì)黏土彈性模量E與含水率的變化曲線Fig.2 Variation curve between elastic modulus E and water content of silty clay

結(jié)合圖1、圖2可以看出，粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量與含水率成反比例關(guān)系，且隨含水率變化的弱化率見表1。

表1 c、φ、E的弱化率Tab.1 Weakening rate of c, φ, E

通過對上述圖表的對比分析可知，各物理力學(xué)參數(shù)隨含水率的增加，其變化幅度由快變緩，并根據(jù)c、φ、E的弱化率將物理力學(xué)參數(shù)劃分3個階段進(jìn)行統(tǒng)計分析。且上述研究的巖土體與三峽樹坪邊坡上層滑帶土的成分相似，因此可以將此數(shù)據(jù)應(yīng)用于本文第3節(jié)“增載弱化動力效應(yīng)對邊坡位移與穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究”。

2 實例分析

2.1 樹坪邊坡概況

樹坪邊坡屬于古崩滑坡堆積體，處于長江干流長江右岸岸坡，總體南北向展布，距離三峽大壩約47 km，后緣高約370 m,長約800 m，寬約700 m，邊坡底部高68 m，邊坡角度25°，面積約55×104m2，總體積約2 750×104m3。其工程地質(zhì)剖面圖見圖3。

圖3 樹坪邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological profile of shuping landslide

2.2 邊坡模型的建立

樹坪邊坡的總長度約1 000 m，后緣總高度約415 m。上層為淺層堆積物,滑帶主要由粉質(zhì)黏土及碎塊石土組成，其平均厚度為58 m，下層是弱透水基巖層，庫水位為135 m。采用SEEP/W有限元滲流分析軟件建立邊坡概化模型(見圖4)，滲流計算模型剖分為3803，節(jié)點為3681。本文采用SEEP/W有限元滲流分析軟件中的穩(wěn)態(tài)分析得到天然邊坡體積含水率的分布規(guī)律如圖5所示。

圖4 邊坡概化模型Fig.4 Slope generalization model

圖5 天然邊坡體積含水率Fig.5 Volumetric water content of natural slope

為研究降雨入滲導(dǎo)致的增重—弱化效應(yīng)對滑坡坡體不同位置位移變形特征及穩(wěn)定性的變化規(guī)律，本文選取三峽庫區(qū)最大日降水量0.137 m/d作為模擬工況條件，持續(xù)降雨7 d，飽和滲透系數(shù)k=1.25 m/d，巖土體起始物理力學(xué)相關(guān)參數(shù)[17]的取值見表2，γ為土的天然重度，γsat為土的飽和重度，μ為泊松比。

表2 巖土體起始物理力學(xué)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Initial physical and mechanical parameters of rock and soil

2.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)以上的研究結(jié)果，采用SEEP/W滲流分析模塊建模分析，得出每個降雨時步下邊坡體內(nèi)含水率的漸變過程。

從圖6～圖9可以看出：在強降雨1 d過后邊坡表層含水率開始提升，降雨達(dá)到3 d后邊坡表層含水率局部達(dá)到暫態(tài)飽和，且邊坡表層水分逐漸入滲至邊坡內(nèi)部，坡腳處的含水率局部達(dá)到飽和。降雨持續(xù)5 d坡頂局部達(dá)到飽和，邊坡坡腳處浸潤線持續(xù)上升，并形成表面徑流。降雨自5 d持續(xù)至第7 d以后，邊坡坡腳處浸潤線大幅度上升，邊坡坡頂局部飽和面積擴大并形成浸潤線。從圖8和圖9可以看出，降雨持續(xù)到第5～7 d時，邊坡內(nèi)部含水率為21 %～30 %和31 %至飽和的兩大變化區(qū)域基本達(dá)到穩(wěn)定。分析結(jié)果顯示，降雨過程中邊坡表層含水率最先達(dá)到飽和；滑坡后緣坡頂部位、滑坡前緣坡腳部位受降雨條件的影響較大。隨著降雨的進(jìn)行，坡體內(nèi)部飽和區(qū)的面積逐步增大，且降雨到一定時間時邊坡內(nèi)部含水率不會持續(xù)增加。

圖6 第1 d的坡體含水率Fig.6 Slope water content of the first day

圖7 第3 d的坡體含水率Fig.7 Slope water content of the third day

圖8 第5 d的坡體含水率Fig.8 Slope water content of the fifth day

圖9 第7 d的坡體含水率Fig.9 Slope water content of the seventh day

3 增載弱化動力效應(yīng)對邊坡位移與穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究

邊坡的位移量及其穩(wěn)定性的變化是由降雨入滲條件下坡體含水率增加引起的增載弱化復(fù)合動力加載過程決定的，因此，本文研究降雨入滲條件下坡體內(nèi)部含水率增加引起的增載弱化復(fù)合動力效應(yīng)及其對邊坡位移與穩(wěn)定性的影響和作用規(guī)律。

3.1 計算參數(shù)的賦值準(zhǔn)則

根據(jù)本文2.3小節(jié)“計算結(jié)果分析”得到的降雨入滲條件下邊坡內(nèi)部含水率隨時間和空間的分布與變化規(guī)律和“1 降雨入滲條件下坡體物理參數(shù)的弱化規(guī)律分析”總結(jié)的不同含水率條件下參數(shù)弱化特征，分時步對滑帶進(jìn)行不同含水率條件下動態(tài)區(qū)域的劃分,即邊坡內(nèi)部含水率為11 %～20 %劃分一個區(qū)域，21 %～30 %劃分一個區(qū)域，31 %至飽和劃分一個區(qū)域。分時步將SEEP/W模擬的含水率結(jié)果分別導(dǎo)入新建的SLOPE/W和SIGMA/W模型中并對位移、穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，且SLOPE/W和SIGMA/W模塊中物理參數(shù)分區(qū)域賦值結(jié)果見表3。

表3 分區(qū)域弱化后巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值Tab.3 Values of physical and mechanical parameters of rock and soil after weakening by region

3.2 滑坡穩(wěn)定性和位移分析

邊坡內(nèi)部含水率隨著降雨持續(xù)不斷增加，使得邊坡容重增大，下滑動力也隨之增大；同時巖土體物理力學(xué)參數(shù)弱化導(dǎo)致抗滑力減小。其綜合因素影響邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和位移，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和位移隨降雨時間的變化關(guān)系見圖10、圖11。

圖10 邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)與降雨時間的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between the overall stability coefficient of slope and rainfall time

圖11 邊坡位移與降雨時間的變化關(guān)系Fig.11 Relationship between slope displacement and rainfall time

從圖10、圖11可知：降雨增載效應(yīng)貫穿整個降雨的過程，前4 d弱化效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性和位移的影響不大，4 d以后弱化后邊坡的穩(wěn)定性和位移急劇變化。未弱化條件下邊坡最大穩(wěn)定性系數(shù)為1.75，最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.70，因此降雨增載效應(yīng)導(dǎo)致該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)弱化的百分比為3 %。弱化條件下邊坡的最大穩(wěn)定性系數(shù)為1.74，最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.53，增載弱化復(fù)合動力效應(yīng)導(dǎo)致該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)弱化的百分比為13 %。未弱化條件下邊坡最小位移為0.022 m，最大位移為0.027 m，因此降雨增載效應(yīng)導(dǎo)致該邊坡位移增加的百分比為23 %；弱化條件下邊坡最小位移為0.028 m，最大位移為0.065 m，增載弱化復(fù)合動力效應(yīng)導(dǎo)致該邊坡位移增加的百分比為132 %。從以上分析可知弱化效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性和位移的影響主要發(fā)生在降雨的中后期；降雨后期由于邊坡內(nèi)部含水率為21 %～30 %和31 %至飽和的兩大變化區(qū)域基本達(dá)到穩(wěn)定，因此增載弱化復(fù)合動力效應(yīng)引起的邊坡位移、穩(wěn)定性變化量逐漸小，但邊坡位移的增加率和穩(wěn)定性弱化率在降雨的后期達(dá)到最大。

4 結(jié)論

① 抗剪強度參數(shù)和彈性模量的弱化率與含水率成正比例關(guān)系,含水率在11 %～20 %，c、φ、E的平均弱化率分別為25 %、44 %、61 %；含水率在21 %～30 %，c、φ、E的平均弱化率分別為44 %、45 %、72 %；含水率在31 %至飽和，c、φ、E的平均弱化率分別為61 %、55 %、86 %。

② 在降雨過程中，坡體表層含水率受降雨的影響最為敏感，前期降雨對邊坡內(nèi)部含水率影響不大，降雨中期邊坡內(nèi)部含水率局部達(dá)到飽和，隨著極端降雨的持續(xù)，飽和區(qū)域的面積逐漸擴大，地下水位開始上升，并形成表面徑流；降雨后期，坡體內(nèi)部的含水率不隨著極端降雨的持續(xù)而線性增加。

③ 降雨前期，極端降雨增載效應(yīng)對邊坡位移和穩(wěn)定性影響較大，降雨中期，隨著極端降雨的持續(xù),坡體內(nèi)部含水率快速增加，增載弱化效應(yīng)對邊坡整體穩(wěn)定性和位移的影響愈來愈大，降雨后期,隨著降雨的進(jìn)行,坡體內(nèi)部的含水率基本達(dá)到穩(wěn)定，坡體穩(wěn)定性系數(shù)的弱化量和位移的增加量逐漸減小,而位移的增加率和穩(wěn)定性系數(shù)的弱化率達(dá)到最大。