不同降雨強(qiáng)度對(duì)粘性土邊坡穩(wěn)定性影響研究

王金華，王玉林，王 倩，鐘瑜隆

(1.武夷學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

武夷山地處武夷山脈東南側(cè)，轄區(qū)內(nèi)以丹霞地貌為主，山區(qū)土壤主要以紅壤土為主，土層厚度大，約占全市土壤總面積的76%，地貌復(fù)雜多樣，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，是福建省地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)。年平均降雨量1926.9mm，年平均降雨天數(shù)達(dá)164.6天，降雨量最多的為1975年，209天，降雨量最少的為2003年，110天。2010年為極端年最大雨量，降雨量達(dá)2847.2mm，1971年為極端年最少雨量，降雨量為1028.5mm，主汛期為每年3-6月，其中6月降雨量最多。在主汛期，日降雨量大，由于雨水入滲使土壤含水量過于飽和，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低，因而容易產(chǎn)生山體滑坡。近年來，武夷山市政府大力推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如縱八線(G322)武夷山市上梅至杜壩段公路工程以及“四好農(nóng)村公路”項(xiàng)目的建設(shè)，產(chǎn)生大量的高陡邊坡，因此研究不同降雨強(qiáng)度對(duì)粘性土邊坡穩(wěn)定性影響具有重要意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者采用數(shù)值模擬或室內(nèi)模型試驗(yàn)等手段對(duì)不同降雨強(qiáng)度條件下的邊坡穩(wěn)定性展開一系列研究，并取得了一定的成果。關(guān)曉迪等[1]采用室內(nèi)邊坡降雨模型箱研究了降雨強(qiáng)度和坡比對(duì)黃土邊坡的穩(wěn)定性影響；劉林林等[2]采用Geo-Studio軟件研究了不同降雨強(qiáng)度對(duì)黃土邊坡的穩(wěn)定性影響；蔡欣育等[3]基于飽和-非飽和滲流原理，利用Geo-Studio軟件研究了云南省某邊坡在不同降雨類型時(shí)的穩(wěn)定性；包小華等[4]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了不同滲流邊界條件下粉砂邊坡的失穩(wěn)規(guī)律；王述紅等[5]運(yùn)用有限元軟件ABAQUS模擬降雨條件下邊坡滲流場和應(yīng)力場耦合，并運(yùn)用強(qiáng)度折減法，研究了不同降雨條件下的邊坡的穩(wěn)定性；秦世偉等[6]基于廣西某邊坡，對(duì)考慮氣候條件下的邊坡滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬；黃明奎等[7]以重慶市某高速公路高填方路基邊坡為研究對(duì)象，分析了極端降雨對(duì)邊坡土體基質(zhì)吸力、強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性的影響。雖然許多學(xué)者對(duì)強(qiáng)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性展開了研究，也取得了一定的成果，但針對(duì)武夷山特殊的巖土工程地質(zhì)條件及降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性研究少之又少。隨著武夷山地區(qū)工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，許多高陡邊坡隨之出現(xiàn)，因此很有必要針對(duì)該地區(qū)粘性土邊坡在強(qiáng)降雨條件下的穩(wěn)定性展開研究。

1 非飽和土邊坡降雨入滲基本理論

土質(zhì)邊坡降雨入滲過程是一種典型的飽和-非飽和滲流過程，雨水入滲是影響邊坡巖土體含水量大小的主要因素之一，也是造成邊坡不穩(wěn)定的主要因素之一。影響土質(zhì)邊坡雨水入滲能力的因素較多，主要有降雨強(qiáng)度、雨型、歷時(shí)、土壤的滲透能力、初始含水率、地下水位深淺等。雨水是否全部入滲到邊坡土體中取決于降雨強(qiáng)度與土體滲透系數(shù)之間的大小關(guān)系，當(dāng)土體滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度時(shí)則雨水全部入滲，否則只有部分入滲，其余部分隨地表徑流排走。

研究表明，降雨在非飽和土中的入滲過程符合達(dá)西定律，其二維滲流控制方程表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：kx為x方向的滲透系數(shù)；ky為y方向的滲透系數(shù)；mw為儲(chǔ)水曲線的斜率；γw為儲(chǔ)水曲線的斜率；H為總水頭；Q為時(shí)間的邊界流量；t為時(shí)間。

2 模型建立與計(jì)算方案

2.1 模型建立及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在建模中，邊坡坡率按照GB50330-2013《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定選取，選取堅(jiān)硬的粘性土作為研究對(duì)象，坡率為1:1，坡高為10m，其余參數(shù)如圖1所示。網(wǎng)格形狀為四邊形或三角形單元，按0.5m劃分一個(gè)網(wǎng)格，劃分后共計(jì)1867個(gè)節(jié)點(diǎn)，1779個(gè)單元。在坡體內(nèi)設(shè)置土體體積含水量觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)布置如下：觀測(cè)點(diǎn)1(點(diǎn)號(hào)9)坐標(biāo)為(6，19)，觀測(cè)點(diǎn)2(點(diǎn)號(hào)10)坐標(biāo)為(6，16)，觀測(cè)點(diǎn)3(點(diǎn)號(hào)11)坐標(biāo)為(15，14)，觀測(cè)點(diǎn)4(點(diǎn)號(hào)12)坐標(biāo)為(15，12)，觀測(cè)點(diǎn)5(點(diǎn)號(hào)13)坐標(biāo)為(20，9)，觀測(cè)點(diǎn)6(點(diǎn)號(hào)14)坐標(biāo)為(20，7)，觀測(cè)點(diǎn)7(點(diǎn)號(hào)15)坐標(biāo)為(26，9)，觀測(cè)點(diǎn)8(點(diǎn)號(hào)16)坐標(biāo)為(26，7)。

2.2 邊界條件設(shè)置

左側(cè)地下水位高為8m，右側(cè)地下水位高為6m，左右兩側(cè)地下水位以上部分及模型底邊界均設(shè)為零流量邊界，坡面部分設(shè)置為降雨邊界，邊界條件如圖1所示。

圖1 邊坡穩(wěn)定性分析模型圖

2.3 參數(shù)選取

非飽和土體的滲透系數(shù)很難通過試驗(yàn)獲得，SEEP/W軟件中提供了三種滲透系數(shù)函數(shù)估算方法，本文采用Van Genuchten參數(shù)估算方法，并選用該模型相應(yīng)的模型參數(shù)，取粘性土飽和滲透系數(shù)Ks=1.04cm/h，飽和體積含水量θs=0.43，殘余體積含水量θr=0.078。其余土體參數(shù)采用現(xiàn)場取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)的方法獲得，數(shù)值模擬參數(shù)取值情況如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

2.4 降雨方案

氣象部門根據(jù)12h和24h的降雨量大小將降雨強(qiáng)度劃分為6個(gè)等級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 降雨強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 單位：mm

在研究過程中選取降雨量分別為8mm/d、20mm/d、40mm/d、80mm/d、120mm/d、160mm/d、200mm/d、240mm/d八種工況進(jìn)行研究，粘性土邊坡在降雨持續(xù)1d、2d、3d后土體的體積含水量、飽和度和邊坡安全系數(shù)的變化情況。

2.5 計(jì)算方案

先采用Geo-Studio軟件中的SLOPE/W模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，獲得邊坡土體的初始含水量和安全系數(shù)，然后再利用SEEP/W模塊進(jìn)行瞬態(tài)分析，在分析中通過改變降雨邊界條件來模擬不同降雨強(qiáng)度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析邊坡在不同降雨強(qiáng)度下的土體體積含水量變化情況，最后采用SLOPE/W模塊計(jì)算不同降雨強(qiáng)度下的粘土邊坡安全系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同降雨強(qiáng)度下邊坡土體體積含水量變化規(guī)律分析

在數(shù)值模擬過程中，對(duì)邊坡坡體中8個(gè)土體體積含水量觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)頻率為0.25天/次，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可得，8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土體體積含水量變化情況如圖2所示。

(a)觀測(cè)點(diǎn)1體積含水量變化曲線

(b)觀測(cè)點(diǎn)2體積含水量變化曲線

(c)觀測(cè)點(diǎn)3體積含水量變化曲線

(d)觀測(cè)點(diǎn)4體積含水量變化曲線

(e)觀測(cè)點(diǎn)5體積含水量變化曲線

(f)觀測(cè)點(diǎn)6體積含水量變化曲線

(g)觀測(cè)點(diǎn)7體積含水量變化曲線

(h)觀測(cè)點(diǎn)8體積含水量變化曲線

對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)1、觀測(cè)點(diǎn)3、觀測(cè)點(diǎn)4來說，土體體積含水量隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加而增大，增大速率與降雨強(qiáng)度的大小有關(guān)，當(dāng)降雨強(qiáng)度較低時(shí)土體體積含水量增加較為緩慢，達(dá)到飽和體積含水量的時(shí)間較長，當(dāng)降雨強(qiáng)度增加時(shí)，土體體積含水量增加速率隨之增加，降雨強(qiáng)度越大土體達(dá)到飽和體積含水量的時(shí)間越短。

對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)2來說，在降雨初期到降雨持續(xù)1.5天時(shí)，土體體積含水量基本不變，這是因?yàn)樵撚^測(cè)點(diǎn)距地表較遠(yuǎn)，雨水入滲到此處所需時(shí)間較長導(dǎo)致的。當(dāng)降雨持續(xù)1.5天以上時(shí)，隨著降雨強(qiáng)度的增加土體體積含水量隨之增加，降雨強(qiáng)度越大增加速率越快。

對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)5、觀測(cè)點(diǎn)6、觀測(cè)點(diǎn)7、觀測(cè)點(diǎn)8來說，土體體積含水量的變化曲線趨勢(shì)基本一致，這幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均位于坡腳處，一方面由于這幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)離地下水位線較近，另一方面是坡腳處的雨水入滲不僅來自于降雨同時(shí)也來自于坡面徑流，雨水容易在此處匯集。從圖2(e)-圖2(h)可以看出，當(dāng)降雨強(qiáng)度越大時(shí)，坡腳處的土體達(dá)到飽和體積含水量的時(shí)間越短。

綜上分析可得，在降雨條件下，邊坡坡腳處的土體體積含水量最容易達(dá)到飽和，坡體處的土體次之，坡頂處的土體最后達(dá)到體積含水量飽和。

3.2 不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律分析

根據(jù)2.4節(jié)中的降雨方案對(duì)同一邊坡在不同降雨強(qiáng)度作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，獲得邊坡在8種不同降雨強(qiáng)度作用下的邊坡安全系數(shù)，邊坡安全系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 邊坡安全系數(shù)變化曲線圖

對(duì)圖3進(jìn)行分析可得：當(dāng)降雨強(qiáng)度小于40mm/d時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時(shí)間影響很小，受降雨強(qiáng)度的影響也很小。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于80mm/d時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著降雨持續(xù)時(shí)間增加而逐漸降低，降雨持續(xù)時(shí)間越長，安全系數(shù)降低越多。在降雨持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，降雨強(qiáng)度越大，邊坡的安全系數(shù)降低越多。

4 結(jié)論

本文采用Geo-Studio軟件研究了粘性土邊坡在8種不同降雨強(qiáng)度下的邊坡土體體積含水量及邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，經(jīng)研究可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)降雨持續(xù)時(shí)間增加時(shí)，邊坡內(nèi)土體體積含水量隨之增加，增加速率與降雨強(qiáng)度成正相關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，土體體積含水量增加速率越快，達(dá)到飽和體積含水量時(shí)間越短。

(2)在降雨條件下，邊坡土體體積含水量達(dá)到飽和順序如下：坡腳處土體最快，坡面處土體次之，坡頂處的土體最后。同時(shí)，離地表越近越容易達(dá)到飽和。

(3)當(dāng)降雨強(qiáng)度小于40mm/d時(shí)，降雨強(qiáng)度大小和降雨持續(xù)時(shí)間長短對(duì)邊坡安全系數(shù)影響很小。

(4)當(dāng)降雨強(qiáng)度為暴雨、大暴雨或特大暴雨時(shí)，降雨持續(xù)時(shí)間越長，邊坡安全系數(shù)降低越多，降雨強(qiáng)度越大時(shí)，安全系數(shù)降低越多。