薛凱喜，丁 辰，康國芳，陳國房，周朝慧，王安禮，李向輝

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；2.中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 100001；3.貴州省質安交通工程監(jiān)控檢測中心有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近年來，氣候異常多變，極端降雨誘發(fā)的滑坡等地質災害在我國南方地區(qū)時有發(fā)生。相關研究成果表明，90%的地質災害都是由降雨誘發(fā)[1]。降雨誘發(fā)的地災以滑坡最為常見，發(fā)生頻次高，分布廣。目前，諸多學者針對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性做了大量相關研究，并已取得豐碩成果。萬思豪等[2]分析了裂隙性土質邊坡在不同降雨工況下的滲流特性；何松等[3]針對不同氣候條件，對紅黏土邊坡的穩(wěn)定性進行有限元分析得出，雨水蒸發(fā)和降雨沖刷均是影響邊坡穩(wěn)定性重要因素；龍安發(fā)等[4]進行典型降雨工況下紅黏土邊坡干濕循環(huán)試驗研究，分析了干濕循環(huán)下力學參數(shù)演變和破壞機制；Xue等[5]、鄭開歡等[6]利用數(shù)值模擬軟件研究長時間暴雨作用下邊坡穩(wěn)定性及變形的影響；Chen[7]進行了人工降雨工況下的紅黏土邊坡試驗研究；Chen等[8]對紅黏土的土-水特征曲線進行了研究，提出了一種快速測定紅黏土土-水保持曲線的新方法。然而，諸多學者的研究成果中，以江西地區(qū)紅黏土邊坡為對象，研究和分析持水響應機制和邊坡穩(wěn)定性的依舊較少。

江西省地處我國中部地區(qū)，常年降雨充沛，季節(jié)性降雨特征明顯，地質災害發(fā)生頻率常年高居全國前列，屬于地質災害高發(fā)地區(qū)[9]。其中，滑坡更是各種地質災害中最為常見的類型，給工農業(yè)生產和人民生命財產造成巨大損失[10]。江西省范圍內分布了廣泛的紅黏土，具有較為明顯的地域特征。紅黏土是一種具有多裂縫性、強脹縮的高塑性黏土，在濕度環(huán)境中具有高敏度[11]?；诖耍疚睦肎eostudio數(shù)值模擬軟件，建立考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模型[12]，研究不同降雨工況下江西地區(qū)典型紅黏土邊坡季節(jié)性孔隙水壓力、體積含水量和安全系數(shù)的變化規(guī)律，進而分析典型降雨工況下雨水入滲特征和邊坡的穩(wěn)定性，為紅黏土邊坡支護及地災防治工作提供理論支持。

1 紅黏土邊坡數(shù)值模擬

本文選取數(shù)值模擬軟件Geostudio的Seep/W與Slope/W模塊，分別進行紅黏土邊坡的降雨數(shù)值模擬及邊坡穩(wěn)定性模擬，并對結果進行分析。邊坡周圍的溫度、濕度及土體本身的水分蒸發(fā)量(干濕循環(huán))等因素均會影響邊坡的穩(wěn)定性，由于對最終結果影響不大可以忽略，在本模擬過程中將降雨單量作為降雨工況的唯一控制指標。

1.1 模型建立

本模型將江西省內典型的紅黏土邊坡[10]作為研究對象，對其在不同降雨工況下降雨入滲情況及穩(wěn)定性進行研究。實際工程中，邊坡常呈現(xiàn)為凹凸不平、不規(guī)則等特征，在本研究模擬過程中對邊坡進行了簡化，化曲為直，邊坡模型周界均以直線表示，便于分析計算。邊坡左右兩側坡高分別設置為20.5 m和10.5 m，邊坡的頂面、底面和邊坡坡長均設置成15 m，邊坡坡高為10 m，坡率為1∶1.5。為了便于研究不同降雨工況下紅黏土邊坡的降雨入滲響應特征和變化趨勢，并且分析結果更精確，對邊坡坡面以下0.5 m范圍內設置5層厚度為0.1 m的表面層單元。

為了便于研究紅黏土邊坡在不同季節(jié)特征下的降雨入滲響應情況及分析其穩(wěn)定性，本研究針對不同季節(jié)性降雨共設置了4種不同的降雨工況。其中，各工況下設定無降雨時表述為常態(tài)，所有工況的降雨類型均采取平均型降雨。表 1為各工況下的相關參數(shù)。本文將強降雨、陰雨及常規(guī)狀態(tài)下的降雨強度分別設置為70、10、0 mm/d等。3種降雨量均滿足江西地區(qū)降雨強度，與研究區(qū)現(xiàn)實降雨工況有較高對應性[3]。

表1 不同降雨工況 mm/d

在不同深度及不同位置設定監(jiān)測對比點，同時保證4種不同降雨工況下的工況均基于同一初始狀態(tài)。初始狀態(tài)下孔隙水壓力分布見圖1。在圖1中，D1～D8分別表示距地表0、0.5、2.5、4.5、6.5、8.5、10.5、12.5m的8個不同深度處的監(jiān)測點；L1～L5為布設在坡頂、坡肩、坡面、坡腳及坡底的5個不同位置的監(jiān)測點。設定不同深度及不同位置2個分析參量量化不同降雨條件下邊坡的滲流響應變化。在Geostudio軟件的計算分析中2 000～3 000個監(jiān)測點即可達到較為精確的解，本文同時考慮到計算步時和實際工況要求，對模型表層單元格加密。處理完成后，本模型經過網格劃分及加密處理后得到3 708個有限元監(jiān)測點和3 600個有限元單元。

圖1 初始狀態(tài)下孔隙水壓力分布(單位：kPa)

參考江西區(qū)域典型的紅黏土邊坡勘查資料[10]，本模型取自重應力場為初始應力場，試驗地區(qū)地下水位較淺，所以在模型建立時考慮到存在地下水及其水位的分布情況，左側縱坐標0～6 m范圍內及右側縱坐標0～3 m范圍內設置為常水頭，結合現(xiàn)場實際將模型地下水位以上邊界均設定為不透水。

1.2 滲透參數(shù)

本研究通過變水頭試驗測定紅黏土試樣的滲透系數(shù)為0.775 2 m/d，通過直剪試驗獲得紅黏土強度參數(shù)黏聚力c=21.03 kPa、內摩擦角φ=19.5°。先將紅黏土試樣大顆粒手工挑選出來，然后用振動篩分機將自然風干的土體進行篩分，獲得如圖 2所示的顆粒級配曲線。本文參照Geostudio軟件中的樣本函數(shù)粒徑數(shù)據(jù)和樣本函數(shù)估算方法，將干-濕路徑下的土-水特征曲線SWCC作為滲流計算的基礎預測土-水特征曲線，見圖 3。此外，根據(jù)Fredlud&Xing模型[13]與土-水特征曲線的方法求得非飽和紅黏土滲透曲線，見圖4。

圖2 顆粒級配

圖3 土-水特征曲線

圖4 非飽和紅黏土滲透系數(shù)

2 紅黏土邊坡降雨入滲規(guī)律

本文采用Geostudio軟件的Seep/W模塊模擬不同降雨工況，對紅黏土邊坡的降雨入滲規(guī)律進行分析，將孔隙水壓力和體積含水量作為邊坡滲流分析的重要指標[14]。

2.1 孔隙水壓力變化規(guī)律

工況①。常態(tài)21 d后強降雨7 d(常態(tài)時不采取降雨措施，而后連續(xù)7 d進行70 mm/d的強降雨)，不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力隨深度及時間變化見圖5。從圖5可知，該工況下，在前21 d邊坡的孔隙水壓力不發(fā)生改變，呈現(xiàn)直線式；21 d后，紅黏土邊坡受到降雨作用，各監(jiān)測點處的孔隙水壓力開始呈現(xiàn)增長趨勢，監(jiān)測點越靠近地表，該監(jiān)測點處的孔隙水壓力增幅越大，地表及地表以下0.5 m處最為明顯，呈現(xiàn)跳躍式增長；反之，距離地表越遠，監(jiān)測點的孔隙水壓力值增幅越??；地表處的孔隙水壓力值變化幅度最大，區(qū)間為-151.77～-40.65 kPa，距離地表12.5 m處孔隙水壓力變化幅度最小，區(qū)間為-29.49～-13.10 kPa。

圖5 工況①不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力變化

工況②。強降雨7 d后常態(tài)21 d(強降雨設定為70 mm/d，常態(tài)下無降雨作用)，不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力隨深度及時間變化見圖6。從圖6可知，突然的強降雨使得地表及靠近地表處的孔隙水壓力急劇上升，而距離地表越遠處其孔隙水壓力上升態(tài)勢相對較緩；距離地表更近處監(jiān)測點的孔隙水壓力到達峰值的時間比距離地表更遠處監(jiān)測點孔隙水壓力達到峰值的時間稍早，這是由于降雨強度大，雨水入滲速度比土體的飽和滲流速度更大所致，導致所降雨水不能及時滲入地下，具有一定的滯后性；從常態(tài)開始時，所有監(jiān)測點的孔隙水壓力均減小，且距離地表越近的監(jiān)測點孔隙水壓力減小程度越大。

圖6 工況②不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力變化

工況③。常態(tài)21 d后陰雨21 d(設定降雨量為10 mm/d，常態(tài)下無降雨作用)，不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力隨深度及時間變化見圖7。從圖7可知，在前21 d常態(tài)時，紅黏土邊坡的孔隙水壓力與常態(tài)21 d后強降雨7 d工況下一致，均維持初始狀態(tài)。陰雨天氣開始后，地表及地表以下0.5 m處的監(jiān)測點首先出現(xiàn)響應，孔隙水壓力增大，而后地表以下更深

圖7 工況③不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力變化

處監(jiān)測點的孔隙水壓力才逐漸出現(xiàn)響應，這是由于地表處土體首先接觸到降雨，導致孔隙水壓力最先發(fā)生變化，且此工況下降雨量較小，土體中水分距離地表越遠處滲流速度越慢。地表至地表以下2.5 m處孔隙水壓力的增長速度較快且增幅也較大，但隨著降雨時間進行其值大小相當；反之，地表以下4.5～12.5 m位置監(jiān)測點的孔隙水壓力則增幅較小。

工況④。陰雨21 d后常態(tài)21 d(設定降雨量為10 mm/d，常態(tài)下無降雨作用)，不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力隨深度及時間變化見圖8。從圖8可知，該工況下的孔隙水壓力總體趨勢表現(xiàn)為隨著降雨進行逐漸升高，降雨結束后土中孔隙水壓力值也逐漸減小。與上述工況類似，孔隙水壓力值的變化幅度與距離地表的深度呈負相關。

圖8 工況④不同深度監(jiān)測點孔隙水壓力變化

2.2 體積含水量變化規(guī)律

為研究紅黏土邊坡在不同位置處體積含水量的響應特征，本研究在坡頂、坡肩、坡面、坡腳、坡底分別設置監(jiān)測點L1、L2、L3、L4、L5，且各監(jiān)測點與地表的高差相同。不同工況下不同監(jiān)測點處體積含水量變化見圖9。從圖 9可知，不同工況下各監(jiān)測點的體積含水量呈現(xiàn)不同的變化趨勢，但無論哪種工況，同一工況下不同監(jiān)測點的體積含水量變化規(guī)律卻是基本一致的。通過模擬，體積含水量的變化幅度總體呈現(xiàn)為：坡肩>坡頂>坡面>坡腳>坡底。

圖9 不同工況下不同監(jiān)測點處體積含水量變化

3 紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析

安全系數(shù)是評價邊坡的穩(wěn)定性極其重要的參數(shù)，安全系數(shù)越大坡體越穩(wěn)固。坡體的安全系數(shù)受邊坡的飽和和非飽和巖土體的力學、水力和水文特性影響[14]。本文將前述的Seep/W模塊的分析數(shù)據(jù)導入Slope/W模塊，并且增加強降雨干濕循環(huán)和陰雨干濕循環(huán)2種工況，得到各階段的安全系數(shù)，用于分析坡體穩(wěn)定性變化情況。不同降雨單量工況下邊坡安全系數(shù)隨時間變化見圖10。從常態(tài)后強降雨、常態(tài)后陰雨及2種干濕循環(huán)工況對比分析可知，常態(tài)時，各降雨工況下坡體的安全系數(shù)基本不發(fā)生變化，此時邊坡中土體并未受到雨水侵蝕和沖刷，坡體維持穩(wěn)定狀態(tài)。從強降雨和陰雨2種工況對比可知，降雨強度越大，安全系數(shù)減幅也越大，此時降雨強度是唯一變量。當有降雨作用時，紅黏土邊坡的安全系數(shù)隨著降雨時長持續(xù)進行而不斷減小，降雨結束后會緩慢增長，但安全系數(shù)無法完全恢復。此外，從2種干濕循環(huán)降雨的模擬結果看，土體干濕循環(huán)會顯著降低坡體安全系數(shù)，對于邊坡穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為負作用，且作用效果不可逆。

圖10 不同降雨單量工況下邊坡安全系數(shù)隨時間變化

4 結 語

本文采用Geostudio軟件建立紅黏土邊坡模型，設定不同降雨工況進行對比分析，得到邊坡不同深度監(jiān)測點處的孔隙水壓力、不同位置監(jiān)測點處的體積含水量等參數(shù)，利用Seep/W模塊分析邊坡入滲規(guī)律和特征，并利用Slope/W模塊研究了安全系數(shù)響應規(guī)律，主要結論如下：

(1)前期為常態(tài)工況下，邊坡未受到任何影響，紅黏土邊坡的各指標參數(shù)均呈現(xiàn)初始狀態(tài)。當降雨開始后，邊坡孔隙水壓力、體積含水量均開始增大，與之對應的安全系數(shù)會逐漸降低，降雨越強，邊坡土體的孔隙水壓力、體積含水量及安全系數(shù)的變化幅度越大；降雨結束后，安全系數(shù)會緩慢增長，但無法完全恢復。土體干濕循環(huán)對于邊坡穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為負作用，且作用效果不可逆。

(2)邊坡降雨入滲響應在地表處最為強烈，且地表處的孔隙水壓力值變化幅度最大，區(qū)間為-151.77～-40.65 kPa，其作用效應隨監(jiān)測點深度增加逐漸減弱，直至消失；反之，距離地表越遠處監(jiān)測點的孔隙水壓力值增幅越小，距離地表12.5 m處孔隙水壓力變化幅度最小，區(qū)間孔隙水壓力為-29.49～-13.10 kPa。降雨入滲引起邊坡不同位置處的響應強烈程度變現(xiàn)為：坡肩>坡頂>坡面>坡腳>坡底，模擬結果也與工程實際情況基本吻合。

(3)降雨入滲和互滲的過程十分復雜，且具有一定的滯后性，強降雨使地表及靠近地表處的孔隙水壓力急劇上升，且孔隙水壓力較早達到峰值；而距離地表越遠處其孔隙水壓力上升態(tài)勢相對較慢。降雨結束后，土中孔隙水壓力值逐漸減小。

(4)強降雨下的安全系數(shù)下降幅度比陰雨工況下更大；降雨時長對紅黏土的邊坡穩(wěn)定性有重要影響，降雨持續(xù)時間越長，邊坡安全系數(shù)越小，邊坡整體穩(wěn)定性越差。