孫世國，方曉楠，何 健，鄧王倩

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144)

堆積體邊坡由于具有結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低、滲透性高等特點(diǎn)，在外界不利因素影響下極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極為惡劣的影響。大量的邊坡失穩(wěn)案例表明，滑坡產(chǎn)生的主要誘因之一是降雨[1]。目前國內(nèi)外有許多學(xué)者研究了降雨對堆積體邊坡的影響。如馬陸江[2]等從可靠度的角度研究了不同降雨強(qiáng)度下的排土場邊坡穩(wěn)定性。張書華[3]研究了降雨條件下不同體積含水率對壓力水頭的影響。王維早[4]通過離心模型試驗(yàn)剖析了堆積體邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)機(jī)制。雷小芹[5]認(rèn)為細(xì)顆粒遷移所引發(fā)的土體滲透性、強(qiáng)度的變化會(huì)降低堆積體邊坡穩(wěn)定性。鄧喜[6]研究了短時(shí)間強(qiáng)降雨、長時(shí)間弱降雨兩種工況作用下的邊坡入滲規(guī)律。

目前大多數(shù)研究主要集中在露天渣土堆積體上，對于高陡高速公路堆積體邊坡的研究卻少見。因此，本文以赤峰市某高速公路堆積體邊坡為研究目標(biāo)，確定了與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相符合的降雨強(qiáng)度與時(shí)長，并利用數(shù)值模擬對堆積體邊坡在不同降雨條件下的入滲特征、穩(wěn)定系數(shù)變化、危險(xiǎn)滑面的演化規(guī)律進(jìn)行分析，經(jīng)研究得出的結(jié)論對同類工程邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

1 非飽和滲流基本理論

當(dāng)土體為各向異性時(shí)，根據(jù)三維達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律可知，非飽和滲流的基本微分方程如式(1)所示。

(1)

式中：H表示總水頭；ki(θ)表示i方向的滲透系數(shù)；θ表示體積含水率；T表示時(shí)間。

在非飽和土中，體積含水量的變化僅由應(yīng)力變化所控制。且對于它以及飽和土而言，其應(yīng)力狀態(tài)都可以用(σ-ua)和(ua-uw)這兩個(gè)應(yīng)力變量來表征，其中，σ表示總應(yīng)力，ua表示孔隙氣壓力，uw表示孔隙水壓力。在假設(shè)不考慮土體加載或卸載的情況下，即土體總應(yīng)力不變，也不考慮孔隙氣壓力的變化時(shí)，體積含水量的變化單單只受到孔隙水壓力的影響。此時(shí)兩者之間的關(guān)系如式(2)所示。

(2)

式中：mw表示土水特征曲線斜率。

總水頭如式(3)所示。

(3)

式中：γw表示水的容重；Z表示位置水頭。

將式(3)代入式(2)，可得：

(4)

其中：z為常數(shù)。

將式(4)代入式(1)，可得瞬態(tài)非飽和滲流微分方程如式(5)所示。

(5)

2 非飽和土的降雨入滲特點(diǎn)

邊坡土體大都是以非飽和的形式存在。非飽和土的降雨入滲實(shí)際上就是巖土體在雨水滲入過程中由非飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)逐步演化的過程[7]。依據(jù)巖土體飽和度的不同，自上而下可分為四個(gè)區(qū)域，最上部為飽和區(qū)，該區(qū)域最先與雨水接觸，很快區(qū)域內(nèi)的孔隙會(huì)完全被水占據(jù)，達(dá)到飽和狀態(tài)；其次是過渡區(qū)，該區(qū)域越接近表層巖土體，含水率是逐漸增長的，但還未達(dá)到飽和；再次為傳導(dǎo)區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的含水率增長較少，飽和度相對穩(wěn)定；最下部的為濕潤區(qū)，該區(qū)域由于接觸到地下水，當(dāng)深度在逐漸減小時(shí)，飽和度反而迅速提升。

非飽和土體的雨水入滲反映了降雨強(qiáng)度與巖土體滲透性的關(guān)系[8]。當(dāng)巖土體滲透性較高時(shí)，雨水入滲巖土體的強(qiáng)度由降雨強(qiáng)度決定；而當(dāng)降雨強(qiáng)度較高時(shí)，部分雨水會(huì)轉(zhuǎn)化為地表徑流流走，在巖土體表層區(qū)域形成飽和區(qū)，導(dǎo)致滲透性降低[9]。當(dāng)降雨時(shí)長在不斷增加時(shí)，更多的巖土體進(jìn)入到飽和的狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)邊坡的入滲率會(huì)明顯下降。

3 不同降雨條件下堆積體邊坡滲流模擬分析

3.1 工程概況及模型建立

該高速公路起于赤峰市，終于通遼，路線全長450km，其中K45段穿過赤峰市雞冠山礦區(qū)堆積體。該礦區(qū)地處中溫帶，屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量在400～500mm，降雨主要集中在7月份，最大降雨量達(dá)140mm/d。堆積體由花崗巖、輝綠巖和流紋巖組成。堆積體下部為粉質(zhì)黏土、粉土和巖石碎屑，下部基巖主要是安山巖。本文中的滲流模型選取堆積體坡角最大的剖面為標(biāo)準(zhǔn)剖面，經(jīng)適當(dāng)簡化后的模型長為328m，高度為145m，坡角39度。模型主要土層由上到下依次為堆積體、粉質(zhì)黏土和安山巖。進(jìn)行滲流分析時(shí)，將邊坡體的左右兩邊和底部設(shè)置為不透水邊界，邊坡頂面、坡面及坡底表面設(shè)置為流量邊界，流量大小即為降雨強(qiáng)度[10]。地下水位線在坡高60m處，利用Geo-studio軟件中的Seep模塊建立的二維模型如圖1所示。

圖1 SEEP/W降雨模型圖

3.2 參數(shù)的選取及降雨方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)施工現(xiàn)場勘查報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)，選取邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)赤峰市雞冠山當(dāng)?shù)亟?0年的降雨資料，并結(jié)合我國氣象部門劃分的降雨強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)小雨、大雨、暴雨三種不同的降雨工況，降雨時(shí)長為12h，其中這三種工況的降雨強(qiáng)度分別取9.9mm/d，49.9mm/d和99.9mm/d。

3.3 不同降雨條件下的孔隙水壓力變化分析

利用Seep/W模塊對建立的堆積體邊坡模型進(jìn)行滲流分析，探討該邊坡降雨12h后的孔隙水壓力在小雨、大雨以及暴雨強(qiáng)度下的變化。圖2是降雨入滲前的初始孔隙水壓力分布。

圖2 堆積體邊坡初始孔隙水壓力

在持續(xù)降小雨12h后，根據(jù)圖3可以看出，坡頂處無積水條件，且降雨強(qiáng)度小，雨水能夠全部滲入到巖土體中，從而導(dǎo)致該位置淺表層處的孔隙水壓力發(fā)生了較為明顯的變化，由初始-800kPa增長到-250kPa，降雨入滲深度有3～4m左右。該堆積體邊坡坡度陡，大部分雨水會(huì)以地表徑流的形式流走，孔隙水壓力在坡面處增長較少，雨水入滲深度平均約為2～3m。由于坡腳處地勢平緩，坡頂和坡面處的徑流量會(huì)在坡腳處積聚，導(dǎo)致該位置處的入滲量較大。此時(shí)坡腳處的孔隙水壓力值由-100kPa增長至-50kPa；在持續(xù)降大雨12h后，由圖4可以看出，坡頂表層的孔隙水壓力增長到-100kPa，雨水入滲深度為5m，坡面處的降雨入滲深度為4m，坡腳處開始進(jìn)入飽和狀態(tài)，且距離坡腳一定范圍內(nèi)的巖土體其孔隙水壓力值也增長到了-50kPa；在持續(xù)降暴雨12h后，由圖5可以看出，坡頂與坡面0.5m范圍內(nèi)的巖土體已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài)，且形成貫通趨勢，降雨入滲深度達(dá)到了5～6m。

圖3 12h小雨后堆積體邊坡孔隙水壓力

圖4 12h大雨后堆積體邊坡孔隙水壓力

圖5 12h暴雨后堆積體邊坡孔隙水壓力

4 不同降雨條件下堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性和安全系數(shù)會(huì)隨著降雨的不斷滲透呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的變化[11]。為了分析邊坡在不同雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)條件下的穩(wěn)定性系數(shù)變化情況，采用四種極限平衡法分別對該邊坡進(jìn)行計(jì)算，取最小值為邊坡穩(wěn)定系數(shù)。計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與不同降雨條件下的關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 不同降雨強(qiáng)度和時(shí)長下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)折線圖

從上圖中可以看出，當(dāng)降雨時(shí)長在不斷增加時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)總體上呈現(xiàn)下降的趨勢。持續(xù)降雨3h后，小雨、大雨和暴雨邊坡穩(wěn)定系數(shù)的下降幅度近似相同，約為2%左右。持續(xù)降雨6h后，暴雨邊坡穩(wěn)定系數(shù)的下降幅度開始發(fā)生變化，由原來的2%增長至10%左右。持續(xù)降雨9h后，大雨和暴雨的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均出現(xiàn)顯著的下降，下降幅度最大達(dá)到了12%?？梢钥闯?，邊坡的失穩(wěn)往往發(fā)生在強(qiáng)降雨的后期。長時(shí)間的強(qiáng)降雨導(dǎo)致邊坡入滲量增加，土體重度增大，基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)急劇下降，使邊坡發(fā)生滑坡破壞。

圖7 持續(xù)降雨12h后在三種強(qiáng)度下的邊坡危險(xiǎn)滑移面

持續(xù)降小雨12h后，計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.937，小于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的安全系數(shù)1.1，此時(shí)滑坡現(xiàn)象隨時(shí)有可能出現(xiàn)，邊坡處于較危險(xiǎn)的狀態(tài)，邊坡產(chǎn)生整體滑動(dòng)，滑動(dòng)面表現(xiàn)為圓弧狀，滑面深度為8～10m左右；當(dāng)持續(xù)降大雨12h后，計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.817，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，滑面貫穿整個(gè)坡頂至坡腳，且滑面深度達(dá)到了10m左右；當(dāng)持續(xù)降暴雨12h后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降為0.712，此時(shí)的滑面的深度最大達(dá)到了13m，并且滑面呈現(xiàn)出廣而深的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

降雨極易導(dǎo)致堆積體邊坡發(fā)生失穩(wěn)，為高速公路的安全運(yùn)行帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合該地區(qū)近50年的降雨資料，利用Geo-studio軟件進(jìn)行降雨條件下堆積體邊坡的入滲特征、 穩(wěn)定系數(shù)變化、危險(xiǎn)滑面的演化規(guī)律分析，為高速公路后期的正常運(yùn)營提供有效的保障。主要得出以下結(jié)論：

(1)在持續(xù)降小雨12h后，雨水滲入表層土體但尚未達(dá)到飽和，入滲深度為3～4m；在持續(xù)大雨12h后，雨水即將接近飽和狀態(tài)，入滲深度約為5m，在持續(xù)降暴雨12h后，堆積體邊坡表層0.5m范圍內(nèi)完全達(dá)到飽和，入滲深度達(dá)到了5～6m。

(2)隨著降雨時(shí)長的不斷增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸下降。在降小雨、大雨和暴雨12h后，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別下降至0.937、0.817和0.712。

(3)在持續(xù)降雨9h后，不同降雨強(qiáng)度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)急劇降低，此時(shí)邊坡極易發(fā)生滑坡破壞。

(4)隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡危險(xiǎn)滑移面會(huì)逐漸向巖土體內(nèi)部延伸，并呈現(xiàn)出廣而深的特征。