鄒文華，劉輝，鄧小釗，劉耀坤

(1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.長沙拓正交通科技有限公司；3.湖南理工學院)

降雨是巖土體邊坡滑坡失穩(wěn)的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計，暴雨誘發(fā)滑坡約占總量的90%。在中國南方地區(qū)，降雨強度200～300 mm/d時就容易誘發(fā)大型滑坡；已有研究表明:滑坡的發(fā)育程度和雨量有關(guān)，且滑坡一般發(fā)生于久雨、暴雨中或略滯后。降雨過程中滲流場改變了孔隙水壓力進而影響了土體的有效應(yīng)力，導致土體骨架的變形。因此，考慮降雨滲流會對邊坡穩(wěn)定性造成影響，部分學者建立起邊坡降雨滲流與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。

Fredlund等在非飽和土抗剪強度理論中，指出土體孔隙水壓力增加會引起抗剪強度降低；同時，降雨入滲會引起邊坡土體體積含水率上升，造成邊坡土體重度增加，導致下滑力增加，從而引起邊坡穩(wěn)定性下降。Collins等和Johnson等通過分析實例分別得到邊坡土體雨水滲入速率對邊坡失穩(wěn)有著重要影響的觀點，滲入速率較快時邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的深度較淺;滲入速率較低時，邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)深度較深；王一兆等通過分析淺層滑動面在不同降雨時段的滲透系數(shù)和孔隙水壓力,得出邊坡在淺層滑動面穩(wěn)定性的變化規(guī)律；曾鈴等通過飽和非飽和滲流理論與非飽和抗剪強度理論，深入研究了在降雨強度、滲透系數(shù)、邊坡坡度3個入滲因素對炭質(zhì)泥巖邊坡的穩(wěn)定性影響；汪丁建等考慮濕潤鋒以上飽和帶滲流作用，指出Green-Ampt模型的不足，同時研究了濕潤鋒的分布特點，并建立了邊坡穩(wěn)定系數(shù)表達式。

以上模擬研究直接或間接考慮了體積含水量對邊坡穩(wěn)定性的影響，但就研究方式而言，僅取邊坡的一點或一個面作為研究對象，而巖土體結(jié)構(gòu)復雜多樣，邊坡不同位置所處的內(nèi)環(huán)境不盡相同，以至于得出的結(jié)論難以作為實際工程的依據(jù)。該文將從邊坡坡頂，坡面以及坡腳的多個位置的進行模擬分析，從實際工程出發(fā)得到更加可靠的結(jié)論。

1 滲流原理以及抗剪強度分析

達西定律是基于飽和土的滲透分析建立的，達西定律可采用如下公式：

v=ki

(1)

式中:v為滲流速度；k為滲流系數(shù)；i為水力梯度。

Richards在1931年通過試驗證明了達西定律在非飽和土中的適用性，因此將達西定律擴展至均質(zhì)材料的非飽和滲流中，同時給出土體滲透系數(shù)與其基質(zhì)吸力有關(guān)，但由于獲取土水特征曲線的試驗技術(shù)難度較大，基質(zhì)吸力的量測相對困難，可利用Van Genuchten模型進行擬合。模型表達式為：

(2)

式中:Θw為體積含水量；Θs為飽和體積含水量；Θr為殘余體積含水量；ψ為負孔隙水壓力；a、n、m為曲線擬合參數(shù)。

在飽和土中，水力滲透系數(shù)是常量，而在非飽和土中滲透系數(shù)則與基質(zhì)吸力或體積含水量有關(guān)?？紤]滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力之間的關(guān)系：

(3)

式中：kw為滲透系數(shù)；α為坡面與水平面的夾角；n=1/(1-m)；其他參數(shù)意義同前。

在非飽和土中存在基質(zhì)吸力的作用，太沙基有效應(yīng)力原理不能直接使用，Bishop引入一個有效應(yīng)力參數(shù)χ來建立非飽和土的抗剪強度公式，基于Mohr-Coulomb強度準則，表達式為:

τf=c′+(σn-μa)tanφ′+χμstanφ′

(4)

式中:τf為膨脹土的抗剪強度;c′為飽和土的有效黏聚力;σn為總正應(yīng)力;μa為孔隙氣壓力;φ′為飽和土的有效內(nèi)摩擦角;μs為基質(zhì)吸力，μs=μa-μw,μw為孔隙水壓力;參數(shù)χ的測量試驗條件要求高，取值較困難。Oberg等提出了含有飽和度的抗剪強度公式，實際上是將參數(shù)χ直接取為飽和度。

Fredlund采用雙應(yīng)力狀態(tài)變量將Bishop的抗剪強度公式進一步延伸：

τf=c′+(σn-μa)tanφ′+μstanφb

(5)

式中：φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角；其他參數(shù)意義同前。

比較式(4)、(5)可以發(fā)現(xiàn)：二者都是采用有效黏聚力、基質(zhì)吸力以及法向應(yīng)力來描述抗剪強度，其中基質(zhì)吸力影響的抗剪強度與參數(shù)χ和φb有關(guān)。

2 降雨入滲特點及模擬方法

2.1 降雨入滲特點

降雨過程中，由于土體內(nèi)部體積含水量不同，邊坡坡面首先達到飽和，形成飽和區(qū)；雨水還未到達的區(qū)域是非飽和區(qū)，飽和區(qū)與非飽和區(qū)存在過渡區(qū)，在該區(qū)域的含水率變化較大。濕潤鋒主要在非飽和區(qū)之下。隨著降雨不斷向邊坡內(nèi)部移動，如圖1所示。飽和區(qū)逐漸向下移動，隨之引起邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力、含水率上升。

當土體處于非飽和狀態(tài)時，存在于土體基質(zhì)吸力使得土體的抗剪強度提高。降雨使得土體飽和度不斷增加，導致基質(zhì)吸力的下降，抗剪強度也隨之發(fā)生變化，最終導致邊坡失穩(wěn)。在強降雨工況下，邊坡淺層基質(zhì)吸力下降要快很多，更容易失穩(wěn)，因此邊坡滲流的特點與邊坡失穩(wěn)的形式緊密相關(guān)，研究邊坡土體的滲流特性是評價邊坡穩(wěn)定性的前提。

圖1 降雨入滲過程示意

2.2 Geo-studio數(shù)值模擬

根據(jù)降雨滑坡成因分析，采用Geo-studio中的SEEP/W模塊可以有效進行非飽和模擬，首先設(shè)置邊界條件，假定模型底部為不透水邊界，根據(jù)SEEP/W模塊中的瞬態(tài)分析邊坡模型兩側(cè)的透水邊界水頭。進入穩(wěn)態(tài)分析，確定邊坡孔隙水壓力初始條件，隨后進入瞬態(tài)分析，選擇適當?shù)哪M降雨時間區(qū)間，根據(jù)土體實際滲透系數(shù)設(shè)置合適的邊界條件，當降雨強度大于土體滲透系數(shù)時，取土體滲透系數(shù)作為邊界條件，當降雨強度小于土體滲透系數(shù)時，取降雨強度作為邊界條件，并根據(jù)設(shè)好的時間間隔記錄降雨過程中的數(shù)據(jù)變化，隨后進入Slope/W模塊進行穩(wěn)定性分析，設(shè)置適當滑動面的位置后計算，分析比較邊坡安全系數(shù)在降雨過程中的變化。

3 工程概況

3.1 邊坡模型

為討論強降雨土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響，該文以衡(陽)-桂(陽)公路某路塹邊坡為依托，根據(jù)邊坡實際情況將模型做一定的簡化處理并進行滲流計算以及穩(wěn)定性分析。根據(jù)工程地質(zhì)資料勘察報告，該區(qū)段邊坡縱向坡長60～70 m，橫向?qū)?0～100 m，坡高28～30 m，在4—5月份受到連續(xù)強降雨的影響，坡頂出現(xiàn)貫通的裂縫，垮塌坡體自上向下推移，坡腳處漿砌片石擋土墻已損壞，滑坡體平均厚度約4.8 m，滑坡體體積約20 000 m3，屬于小型淺層滑坡，根據(jù)鉆探結(jié)果及現(xiàn)場調(diào)查，主要由于持續(xù)強降雨滲入殘坡積粉質(zhì)黏土和全風化泥灰?guī)r，滲入的雨水一方面產(chǎn)生較大的孔隙水壓力；另一方面使貫通面處的巖土體飽和軟化，土體內(nèi)摩擦角和黏聚力也同時下降，因此誘發(fā)了滑坡。該邊坡在平行于公路方向上的變化程度不大，因此可以采用二維平面模型進行簡化分析，如圖2所示。

圖2 邊坡簡化模型(單位：m)

3.2 計算條件

邊坡剖面巖層主要有兩層，分別為粉質(zhì)黏土和全風化泥灰?guī)r(土工試驗定名為粉質(zhì)黏土)，根據(jù)現(xiàn)場勘察試驗以及反演值綜合確定，邊坡參數(shù)見表1，土水特征曲線采用Van Genuchten模型對邊坡土層進行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

中國氣象部門采用的雨量劃分等級，見表2。該文主要研究強降雨持續(xù)作用對邊坡穩(wěn)定性的影響，計算條件根據(jù)當?shù)亟涤昵闆r，將降雨強度設(shè)為200 mm/d的強降雨天氣，為了使模擬結(jié)果更加清晰，將時間設(shè)為連續(xù)降雨1個月。

圖3 不同土層的土水特征曲線

表1 土層參數(shù)

表2 降雨量等級

3.3 降雨過程中孔隙水壓力場變化

圖4為模擬降雨1個月時間內(nèi)，邊坡各個時間段孔隙水壓力等勢線分布圖。圖4(b)、(c)分別為連續(xù)降雨5 d和連續(xù)降雨10 d孔隙水壓力變化，由圖4(b)、(c)可以看出邊坡坡腳土體孔隙水壓力有所提升，負孔隙水壓力逐漸降低，土體達到飽和狀態(tài)，這是由于粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)低，滲透速度也低，此時坡面孔隙水壓力上升快，使得坡面產(chǎn)生了排水效果，排出去的水抵達坡腳導致坡腳區(qū)域的水位首先上升。另外，坡頂全風化泥灰?guī)r區(qū)域負孔隙水壓力在逐漸減小。

圖4 孔隙水壓力等勢線(單位：kPa)

由圖4(d)可知：為降雨15 d后，坡面靠近坡腳處開始出現(xiàn)暫飽和區(qū)域，并逐漸向坡體內(nèi)部移動；降雨20 d后，坡頂處也出現(xiàn)了暫飽和區(qū)，負孔隙水壓力進一步減小。由圖4(f)、(g)可知：隨著降雨的繼續(xù)進行，邊坡表層陸續(xù)出現(xiàn)零散的暫飽和區(qū)，孔隙水壓力為-150 kPa的區(qū)域完全消失；降雨30 d后，暫飽和區(qū)域相互貫通，坡內(nèi)潛水面向上抬升不明顯。

在飽和條件下，土顆粒之間的間隙中充滿水，一旦有空氣進入其中，土體就成為了非飽和土，空氣所在的孔隙就成為非傳導的管道，水的滲流也就受到了阻礙，因此滲透系數(shù)也隨之降低。當負孔隙壓力越大，進入的空氣也就越多，體積含水量也就相應(yīng)會減小，滲透系數(shù)也就越小。從這一點可解釋，由于前期降雨，土體表面的負孔隙水壓力較大，體積含水量較低，因此滲透系數(shù)低于邊坡內(nèi)部滲透系數(shù)，此時坡面的入滲速率也是低于坡內(nèi)的入滲速率，當受到強降雨作用時，坡面可以很快達到飽和，此時坡面的雨水入滲速率要高于坡內(nèi)，因此坡內(nèi)滲流相對受阻，在坡內(nèi)到坡面一段距離里形成暫飽和區(qū)域。另外，由于坡體內(nèi)部仍存在負孔隙水壓力區(qū)域，土顆粒中的空氣排除路徑減少，使得暫飽和區(qū)域繼續(xù)向下擴展的速率減緩，因此形成了飽和區(qū)域?qū)Ψ秋柡蛥^(qū)域的包圍之勢。

3.4 降雨條件下的穩(wěn)定性分析

在降雨持續(xù)入滲過程中，由于滲流的作用使得孔隙水壓力場改變；入滲初始階段土壤的入滲率較高，基質(zhì)吸力隨入滲率增大而減小，導致土體抗剪強度也在減小，坡體安全系數(shù)也就變小，總體呈現(xiàn)負相關(guān)，如圖5所示。

圖5 安全系數(shù)隨時間的變化情況

邊坡穩(wěn)定性體現(xiàn)在坡體的抗剪強度上，F(xiàn)redlund提出的式(5)所表達的抗剪強度屬于雙應(yīng)力狀態(tài)變量公式，其中對基質(zhì)吸力的影響考慮較多。實際上在非飽和土中，由于負孔隙水壓力的存在，就會產(chǎn)生基質(zhì)吸力，且負孔隙水壓力越大，基質(zhì)吸力越大。當土體負孔隙水壓力減小時，基質(zhì)吸力也會不斷減小，此時定性地描述負孔隙水壓力依舊可以用體積含水量。如圖4所示，根據(jù)邊坡孔隙水壓力變化特點，排除坡頂與坡腳的其他因素，選取了坡面中間一系列有代表性的點作為觀測點，如圖6所示。

圖6 測點位置

圖7為觀測點A、B、C點的體積含水量與降雨時間的關(guān)系曲線，由圖7可以看出：測點A邊坡坡面體積含水量在降雨初期就達到飽和狀態(tài)值，這是由于初期坡面負孔隙水壓力較大，滲透系數(shù)較小從而使得滲透速率較小。測點B為土層交界處在歷時20 d左右的強降雨，體積含水量開始增大，并在最后達到飽和，而測點C所在區(qū)域的體積含水量增幅很小，可推測B點基質(zhì)吸力相對于C點要減少得更快。

圖7 測點A、B、C的體積含水量變化趨勢

實際上，靠近邊坡土層交界處區(qū)域的體積含水量均有類似于測點B的起伏。選取粉質(zhì)黏土土層靠近交界處一系列點作為觀測對象，如圖8所示，B1～B5這些點的體積含水量基本在降雨20 d時產(chǎn)生變化或者已達到最大體積含水量，并且有較大斜率，說明邊坡穩(wěn)定性由此開始變差。相比于取自全風化泥灰?guī)r的觀測點C1～C5，體積含水量如圖9所示，幾乎無變化，由此可見，從坡面入滲的水集中在土層交界面處，導致交界處的抗剪強度降低，因此交界面處是一條可能的滑動帶。該條滑動帶發(fā)生滑坡的時間大致在降雨20 d，這與實際情況的邊坡滑動帶位置和發(fā)生滑坡的時間相符。

圖8 測點B1～B5體積含水量變化趨勢

圖9 測點C1～C5體積含水量變化趨勢

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)降雨入滲與土體滲透系數(shù)的關(guān)系，模擬了連續(xù)強降雨入滲的全過程，從理論上解釋了滲流過程中暫飽和態(tài)形成的過程和狀態(tài)，主要是由于非飽和土的滲透系數(shù)會隨體積含水率的改變而改變，導致坡面和頂層形成了暫飽和態(tài)，隨時間推移，暫飽和態(tài)向下發(fā)展速度越來越緩。

(2) 邊坡安全系數(shù)隨著降雨入滲深度的增加而不斷降低，這是由于降雨過程中，體積含水量增大，使得基質(zhì)吸力降低，最終坡體抗剪強度降低，安全系數(shù)減小。

(3) 依托衡桂高速公路某路塹邊坡工程實例，從理論上提出連續(xù)強降雨工況下的滲流原理，并以此為依據(jù)進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果推測了邊坡失穩(wěn)的時間以及滑動面的位置，從結(jié)果上來看，與實際情況相符，為該邊坡的防護工程設(shè)計提供了依據(jù)。