降雨模式對廣德破碎站西側(cè)滑坡的穩(wěn)定性影響分析

胡殿坤，繆 信，姚慶健，許 峰，邵 蔚

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心安徽總隊，安徽 合肥 230031)

降雨是滑坡形成的重要因素之一[1]，降雨影響滑坡的機(jī)制主要是雨水入滲導(dǎo)致滑坡地下水位上升、滲透壓力增大，且降雨增加了坡體自重并導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而誘發(fā)滑坡產(chǎn)生[2-4]。以往研究中，關(guān)于降雨強(qiáng)度、降雨時間對滑坡的影響比較成熟，林孝松、榮冠等研究了降雨作用下的邊坡地下水入滲規(guī)律[5-6]；繆海波等基于Richards傳導(dǎo)方程和案例得出降雨歷時和降雨入滲率對淺層滑坡的穩(wěn)定性均有顯著影響[7]。馬紫娟等對降雨強(qiáng)度、降雨歷時和地震等組合工況下的禮縣爛山滑坡穩(wěn)定性變化特征進(jìn)行了深入研究[8]。近年來，關(guān)于在不同降雨模式工況下滑坡的滲流和穩(wěn)定性影響得到了諸多學(xué)者的關(guān)注和研究。劉艷輝等根據(jù)降雨實況與全國各地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害反饋資料，劃分誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨雨型，分析總結(jié)地質(zhì)災(zāi)害的特點和規(guī)律[9]。邱戰(zhàn)洪等基于國內(nèi)南方地區(qū)七子山填埋場，研究降雨條件下山谷型垃圾填埋場的水分運移規(guī)律及其穩(wěn)定性[10]。胡濤等運用泊松分布統(tǒng)計出不同累積降雨量和不同雨型的發(fā)生概率，分析滑坡體的地下滲流場和穩(wěn)定性的變化規(guī)律[11]。馬云彪等根據(jù)三峽庫區(qū)水位年調(diào)度周期，選取對滑坡最不利的3個階段，分析不同降雨開始時間和不同降雨形式對滑坡穩(wěn)定性的影響[12]。

專家學(xué)者對降雨模式提出了多種形式，不盡統(tǒng)一。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)五種降雨模式，并以廣德破碎站西側(cè)滑坡為研究對象，結(jié)合有限元分析軟件Geo-studio，定量分析該滑坡在不同降雨模式下孔隙水壓力和穩(wěn)定性變化規(guī)律。研究成果對降雨型滑坡的穩(wěn)定性評價和防治具有一定的指導(dǎo)意義。

1 滑坡基本概況

1.1 滑坡形態(tài)、規(guī)模

2020年7月，在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下，廣德破碎站西側(cè)滑坡發(fā)生變形失穩(wěn)。滑坡后緣運輸?shù)缆沸纬蓴?shù)十米拉張裂縫，局部區(qū)域下挫1～2 m，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)乩习傩丈敭a(chǎn)安全。根據(jù)勘查，滑坡體主滑方向為319°，后緣高程約為103.5 m，前緣高程平均約90 m，高差約10 m。滑坡縱向長約36 m，寬約60 m，面積約2 160 m2，體積約1.08萬 m3。坡體物質(zhì)組成主要為第四系殘坡積，成分主要為粘土夾碎塊石，滑坡的潛在滑動面為淺層圓弧狀土質(zhì)滑面，滑床為第四系坡殘積粘土夾碎塊石，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)和龍山組灰?guī)r?；鹿こ痰刭|(zhì)平面圖如圖1所示。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖

1.2 滑坡影響因素

根據(jù)滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和發(fā)育特征分析，滑坡形成的原因主要有以下幾個方面：

(1)地形條件：滑坡處位于低山丘陵區(qū)，堆積-侵蝕、剝蝕淺丘平原，總體地形較平緩，但滑坡后緣較陡，局部坡度達(dá)到52°，有利的地形因素是該滑坡形成主要因素之一。

(2)地質(zhì)條件：滑坡堆積體第四系松散層厚度較大，為滑坡體形成提供了較豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。第四系松散層巖性軟弱，強(qiáng)度低，易受降雨和水的影響。

(3)降水：降雨是影響坡體穩(wěn)定的自然因素中最經(jīng)常發(fā)生的和最活躍的因素，是該滑坡的主要誘發(fā)因素。廣德區(qū)域7 月份持續(xù)性降雨，導(dǎo)致水流匯集后迅速滲入坡體或沿坡而下，增大了土體的容重和孔隙水壓力，減小了坡體抗滑移能力。另外由于雨水滲入，對斜坡土體起到了軟化作用，造成滑面的抗剪強(qiáng)度降低，從而使土層產(chǎn)生蠕動變形，形成裂縫，最終導(dǎo)致滑坡形成。

(4)人類活動：滑坡后緣為運輸?shù)缆罚囕v行駛過程中荷載、振動對滑坡穩(wěn)定性也會產(chǎn)生不利影響。

2 計算理論

2.1 飽和-非飽和土體滲流理論

根據(jù)廣義達(dá)西定理和質(zhì)量守恒原理，二維滲流的一般控制微分方程(毛昶熙，1998)[13]為：

(1)

式中：kx、ky為水平和垂直方向的飽和滲透系數(shù)；mw為儲水曲線的斜率；γw為水的容重；H為滲流的總水頭；Q為邊界流量。

2.2 非飽和土體的穩(wěn)定性理論

穩(wěn)定性計算是根據(jù)非飽和土抗剪強(qiáng)度場采用延伸的摩爾-庫侖公式(F redlund et al，1993)

τf=c′+(σ-μa)tanθ′+(μa-μw)tanθb

(2)

式中：τf為土的抗剪強(qiáng)度；c′為飽和土的有效粘聚力，θ′為飽和土的有效內(nèi)摩擦角；σ-μa為凈法向應(yīng)力；μa-μw為土體基質(zhì)吸力；θb為相對于基質(zhì)吸力的剪切摩擦角。

3 計算模型及降雨工況

3.1 滑坡計算模型

選取滑坡代表性剖面，建立二維數(shù)值模型。二維模型包含三種材料，分別為滑坡堆積物、第四系坡殘積碎塊石土和下部和龍山組灰?guī)r。模型左右為水平約束邊界，即地下水位線固定水頭，底部邊界為豎向不透水邊界，坡表為降雨條件。計算模型如圖2所示。

圖2 滑坡計算模型

根據(jù)滑坡勘查報告及相關(guān)現(xiàn)場、室內(nèi)物理力學(xué)試驗數(shù)據(jù)綜合確定滑坡體和滑床的相關(guān)計算參數(shù)，如表1所示?；w土水特征曲線和對應(yīng)的滲透系數(shù)曲線可根據(jù)Geo-studio軟件中自帶的Fredlund預(yù)測模型得出，如圖3所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

圖3 滑體土水特征和滲透系數(shù)曲線

3.2 降雨工況

降雨工況的設(shè)置是在天然工況的基礎(chǔ)上，疊加降雨條件進(jìn)行的，計算時水位線以上的土體采用天然重度進(jìn)行計算，水位線以下的土體采用飽和重度進(jìn)行計算。由于邊坡破壞多發(fā)生在大雨、暴雨過后，參照我國氣象部門的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，本次數(shù)值模擬采用的降雨強(qiáng)度為24 h的單位邊界流量3.125 mm/h。

根據(jù)前人的研究，歸納總結(jié)五種降雨模式，分別為均勻型、遞增型、遞減型、峰值型、峰谷型，降雨強(qiáng)度在0～3.125 mm/h連續(xù)變化。具體降雨工況如表2和圖4所示。

表2 計算工況表

圖4 五種降雨模式

4 結(jié)果分析

4.1 孔隙水壓力變化規(guī)律

在上述工況設(shè)置好的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行滲流分析。在滑坡體內(nèi)選取某一節(jié)點為代表反映不同降雨模式下孔隙水壓變化情況，如圖5所示。

圖5 不同降雨模式下節(jié)點的孔隙水壓力

通過上圖，可以得出：

(1)不同降雨模式工況下，滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化顯著。均勻型、遞增型、遞減型、峰值型及峰谷型降雨模式的最終孔隙水壓力分別為17.67、15.71、9.54、10.69和14.46 kPa，初始孔隙水壓力為7.35 kPa，最大差值10.32 kPa。由此可見，不同的降雨模式對滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力有顯著影響。

(2)從降雨時間來看，滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化趨勢明顯。隨著降雨時間的增加，降雨不斷入滲，均勻型、遞增型降雨孔隙水壓力呈不斷增大趨勢；峰值型降雨孔隙水壓力呈先增大后減小趨勢，遞減型、峰谷型降雨孔隙水壓力呈先減小后增大趨勢，都存在一定的滯后現(xiàn)象。如峰值型降雨在12 h時，降雨強(qiáng)度開始降低，孔隙水壓力在14 h才出現(xiàn)減小的趨勢。

(3)從降雨強(qiáng)度變化來看，孔隙水壓力變化趨勢基本與降雨強(qiáng)度變化情況相吻合。降雨強(qiáng)度不變階段：均勻型降雨(0～24 h)，初期孔隙水壓力不斷增大，后期增幅減小趨勢。分析原因是，隨著降雨時間的增加，地下水位水頭差逐漸減小，雨水入滲能力下降，孔隙水壓力增幅減小。

降雨強(qiáng)度增長階段：遞增型降雨(0-24h)、峰值型降雨(0-12h)、峰谷型降雨(12-24h)，降雨強(qiáng)度不斷增大，孔隙水壓力不斷增大。

降雨強(qiáng)度減小階段：遞減型降雨(0-24h)、峰值型降雨(12-24h)、峰谷型降雨(0-12h)，降雨初期，降雨入滲，孔隙水壓力大幅增大，隨著降雨強(qiáng)度的降低，孔隙水壓力增幅減小，遞減型降雨孔隙水壓力甚至有下降的趨勢。

4.2 穩(wěn)定性變化及分析

在滲流分析的基礎(chǔ)上，對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性模擬，采用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計算，結(jié)果圖6所示。

圖6 不同降雨模式下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)

通過圖6，可以得出：

(1)滑坡的穩(wěn)定性受降雨作用影響明顯，穩(wěn)定性系數(shù)均有所下降。均勻型、遞增型、遞減型、峰值型、峰谷型降雨工況下，穩(wěn)定性系數(shù)分別下降了3.49%、2.78%、0.72%、1.11%、2.32%，可以看出均勻型降雨對滑坡穩(wěn)定性影響最大，遞增型次之，且有持續(xù)下降的趨勢，遞減型降雨影響最小。

(2)通過對比，滑坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律基本上與孔隙水壓力變化趨勢成反比。即孔隙水壓力不斷增大，穩(wěn)定性不斷減小，孔隙水壓力增幅減小或略有下降時，滑坡穩(wěn)定性下降幅度減小，穩(wěn)定性也有所回升。

(3)初期降雨強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度越大。這是因為降雨初期，滑坡表面土體非飽和度高，土體入滲能力和保水性強(qiáng)，降雨強(qiáng)度小于滑坡土體入滲能力，雨水基本全部入滲，隨著降雨的繼續(xù)，土體的含水量逐漸升高，土體的入滲能力和保水能力率逐漸降低，使得滑體的含水量增加幅度變小，孔隙水壓力邊增幅也較小，因此土體的穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度小。同一降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在降雨起始階段對滑坡穩(wěn)定性的影響與出現(xiàn)在其他階段相比偏大，因此在強(qiáng)降雨初期要特別做好滑坡的防護(hù)措施。

5 結(jié)語

(1)不同的降雨模式對滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力有明顯影響，孔隙水壓力隨著降雨強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出相對應(yīng)的趨勢。降雨強(qiáng)度不斷增大，孔隙水壓力不斷增大；降雨強(qiáng)度降低，孔隙水壓力增幅減小，甚至有下降的趨勢。

(2)滑坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律基本上與孔隙水壓力變化趨勢成反比。即孔隙水壓力不斷增大，穩(wěn)定性不斷減小，孔隙水壓力增幅減小或略有下降時，滑坡穩(wěn)定性下降幅度減小，穩(wěn)定性也有所回升。

(3)滑坡的穩(wěn)定性受降雨作用影響明顯，均勻型、遞增型降雨對滑坡穩(wěn)定性影響大，遞減型降雨影響最小。

(4)降雨初期，坡體穩(wěn)定性系數(shù)都有較大幅度降低，隨著降雨時間增長，遞增型降雨模式下滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)不斷下降，且有持續(xù)下降的趨勢。因此降雨初期和遞增型降雨模式下，應(yīng)加強(qiáng)度對滑坡的變形監(jiān)測和必要的防范措施。