沙 鵬 劉冬艷 黃永亮

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2. 浙江有色地質(zhì)環(huán)境研究院，浙江 紹興312000)

0 引言

近年來，浙江省玄武巖臺地型區(qū)滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生[1-3]，據(jù)統(tǒng)計，浙江省玄武巖分布較廣的嵊州、新昌、寧海三縣市，其中玄武巖臺地區(qū)滑坡占災(zāi)害數(shù)的39%.目前滑坡處于蠕滑狀態(tài)，由于軟弱夾層及連續(xù)降雨因素影響，可能引起滑坡局部加速滑動.研究軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性最有效的方法是室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬方法.由于模型試驗方法在成果代表性、推廣性以及成本上具有一定的局限性，越來越多的學(xué)者采用不同數(shù)值方法研究軟弱夾層滑坡變化特征，揭示滑坡產(chǎn)生機理.魏龍生[4]對軟弱夾層傾角、內(nèi)摩擦角、厚度等影響因素與數(shù)值計算結(jié)果之間進行相關(guān)性分析，得出傾角越大，內(nèi)摩擦角越小，厚度越大，邊坡易破壞.夏開宗[5]、殷博[6]等分析了層面強度、厚度、傾角、水力作用等因素對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感程度，前者結(jié)果表明：順層軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感程度是層面傾角>內(nèi)摩擦角>厚度>水力作用>粘聚力；后者表明：含軟弱夾層緩傾順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響因素的影響程度由大到小，軟弱夾層內(nèi)摩擦角>傾角>粘聚力>厚度.數(shù)值模擬軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的方法越來越多，李永亮等[7]運用ABAQUS軟件，采用有限元強度折減法分析了坡高、坡腳、夾層埋深、夾層傾角和夾層厚度對邊坡穩(wěn)定性的影響.張社榮等[8]基于極限平衡法和有限元強度折減法探討層狀巖質(zhì)邊坡在不同巖層傾角、邊坡坡腳、結(jié)構(gòu)面間距條件下的安全系數(shù)與破壞面位置的變化規(guī)律.魏云杰等[9]采用GEO-SLOPE 軟件的Mohgenstem-Prince法計算了降雨條件下含軟弱夾層(凝灰?guī)r)玄武巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù).Xue等[10]針對含兩層軟弱夾層(斷層泥)的玄武巖邊坡，綜合采用現(xiàn)場調(diào)查、GEO-SLOPE軟件研究了邊坡穩(wěn)定和變形.結(jié)果表明，軟弱夾層是滑坡的根本因素，開挖是邊坡失穩(wěn)的重要觸發(fā)因素.Xu[11]、Fu[12]等利用DDA模擬了滑坡的孕育、發(fā)生、發(fā)展至再穩(wěn)定的變形破壞和運動全過程.數(shù)值模擬是研究含多層軟弱夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的重要手段之一.

綜上看出，學(xué)者們通過多種數(shù)值模擬方法研究軟弱夾層賦存特性對軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響，得到一些有益的結(jié)論.但現(xiàn)有文獻中，較少考慮降雨入滲條件下軟弱夾層賦存特性對邊坡穩(wěn)定性的影響.同時考慮降雨入滲及軟弱夾層特征因素，通過數(shù)值模擬獲取內(nèi)部不同的滲流場、位移場，揭示降雨條件下軟弱夾層邊坡破壞特征還需要深入挖掘.本文通過有限差分法(Fast Lagrangian Analysis of Continua，F(xiàn)LAC3D)開展兩因素影響下邊坡變形數(shù)值試驗研究工作，通過改變軟弱夾層的力學(xué)參數(shù)，實現(xiàn)軟弱夾層賦存特征的變化，獲得降雨條件下軟弱夾層厚度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、傾角對軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響；同時探討降雨過程中含軟弱夾層邊坡的內(nèi)部特征聯(lián)系.

1 軟弱夾層邊坡數(shù)值模擬

1.1 模型構(gòu)造及相關(guān)參數(shù)

本文建立幾何模型，如圖1所示.參照俞伯汀研究成果[3]和《浙江省新昌縣回山鎮(zhèn)下山村滑坡勘查報告》[13]勘查結(jié)果，對相似模型進行材料屬性的相似折減，土工試驗結(jié)果得出邊坡硬質(zhì)玄武巖以及軟弱夾層物理參數(shù)見表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 幾何模型構(gòu)建

1.2 降雨入滲概念模型

降雨入滲概念模型如圖2，降雨初期，具有較強吸力的基質(zhì)迅速吸水，表層含水率迅速增大，孔隙水壓力增加，并在重力作用下，水分向深部逐減入滲，當(dāng)降雨量達到某一程度后，入滲速率減緩，若降雨量大于入滲量時形成地表徑流.不同巖土類型、邊坡類型以及降雨因素條件下，邊坡的降雨入滲過程存在差異.

圖2 降雨入滲概念模型[14]

降雨從表面滲入邊坡內(nèi)部，并在邊坡內(nèi)部產(chǎn)生暫態(tài)孔隙水壓力，降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響是通過降雨引起的暫態(tài)孔隙水壓力的改變來體現(xiàn)[15].因此，在FLAC3D中可采用滲流模塊進行降雨過程模擬.通過滲流模塊中的“APPLY discharge+滲流通量”命令，分析降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響.其中，降雨強度通過公式(1)在FLAC3D中進行轉(zhuǎn)換，即:

(1)

式中：Q為邊坡入滲邊界流量，單位為m/s；i為降雨強度，單位為mm/h；α為邊坡坡度.

1.3 數(shù)值模型建立

數(shù)值計算模型的幾何尺寸為：坡高0.6 m，坡寬0.5 m，基層厚度0.2 m，寬1.5 m，坡度30 °，模型的右側(cè)和底部為不透水邊界，左側(cè)為透水邊界，坡面設(shè)為降雨入滲邊界，邊坡內(nèi)設(shè)置7個分析點，其P1～P3為孔隙水壓分析點，距離坡面距離10 cm，P1位于軟弱夾層下部，P2位于軟弱夾層內(nèi)部，P3位于軟弱夾層上部.S4～S7為水平位移分析點，分析點等間距設(shè)置，S4位于夾層下部，S5位于夾層內(nèi)部，S6、S7位于夾層上部，如圖3所示.

圖3 降雨入滲數(shù)值模型

1.4 數(shù)值模擬設(shè)計方案

本實驗主要研究降雨誘發(fā)邊坡破壞及滑坡的發(fā)展進程，以及探討不同降雨條件對邊坡滲流的影響.根據(jù)1990～2013年期間，浙江省不同區(qū)域1 569個淺層滑坡實地調(diào)查和其對應(yīng)的降雨強度的記錄，確定降雨強度閾值在不同區(qū)域?qū)е禄碌念l率，如圖4所示，降雨強度在40 mm/h～60 mm/h出現(xiàn)頻率最高，因此本次試驗采用降雨強度為55 mm/h.

圖4 浙江省降雨強度分布統(tǒng)計圖(根據(jù)文獻[16])

此模擬試驗根據(jù)軟弱夾層物理參數(shù)共設(shè)計十組工況，如表2所示.工況一、二、三對比相同降雨條件下軟弱夾層厚度對邊坡內(nèi)部特征變化影響；工況一、四、五對比相同降雨條件下軟弱夾層粘聚力對邊坡內(nèi)部特征變化影響；工況一、六、七對比相同降雨條件下軟弱夾層內(nèi)摩擦角對邊坡內(nèi)部特征變化影響；工況一、八、九、十對比相同降雨條件下軟弱夾層傾角對邊坡內(nèi)部特征變化影響.

表2 數(shù)值模擬工況

2 不同軟弱夾層對降雨邊坡的影響

2.1 軟弱夾層厚度對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖5(a)-5(c)給出不同厚度軟弱夾層邊坡的孔隙水壓力隨降雨時間變化曲線.從圖中可以看出，不同厚度條件下同一分析點變化趨勢相同，隨降雨歷時的增加，軟弱夾層下部P1的孔壓值持續(xù)增加至最大值，隨后趨于穩(wěn)定.軟弱夾層內(nèi)部P2、上部P3孔壓值增大至極值后有所下降，由于軟弱夾層的高滲透性，雨水較快入滲至邊坡內(nèi)部，孔壓增大，持續(xù)降雨使其抗剪、抗滑能力下降，軟弱夾層與坡面交界處產(chǎn)生變形，雨水沿變形處滲出，形成孔壓消散現(xiàn)象，導(dǎo)致孔壓有所下降.夾層下部巖體由于滲透系數(shù)小的原因，孔壓持續(xù)增大后趨于穩(wěn)定.當(dāng)軟弱夾層厚度從0.05 m增大至0.15 m，P1孔壓值為25.42 kPa、29.02 kPa、25.33 kPa，P3孔壓分別為11.36 kPa、10.36 kPa、13.19 kPa，軟弱夾層上部比軟弱夾層下部降幅至少為47.93%，因此，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內(nèi)部>軟弱夾層上部，分析其原因：隨降雨歷時增加，雨水從軟弱夾層處較快入滲至夾層內(nèi)部，形成飽水區(qū)，降雨不斷進行，坡頂入滲的雨水并未流至軟弱夾層上方P3，所以在軟弱夾層上面玄武巖層仍然處于非飽水區(qū)，導(dǎo)致軟弱夾層內(nèi)部的雨水沿夾層上表面向坡頂方向滲流，軟弱夾層上部孔壓相對較??；由于重力作用，夾層內(nèi)部雨水向下部蔓延至軟弱夾層下方分析點，及雨水在坡腳處聚集，軟弱夾層下部孔隙水壓力較大.

圖5 不同厚度下孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

由圖6可知，隨軟弱夾層厚度的增加，水平位移有增大的趨勢，說明軟弱夾層厚度對分析點水平位移的影響具有一致性.在降雨入滲條件下，在軟弱夾層上方，越靠近軟弱夾層，其水平位移越大，因此隨著分析點向上，水平位移逐漸減小：當(dāng)軟弱夾層厚度從0.05 m增加至0.15 m，軟弱夾層內(nèi)部S5的水平位移從8.7 cm增加至15.33 cm，增幅超過75%，軟弱夾層上部S7的水平位移比S5至少減小了70.65%；而位于軟弱夾層下方S4的位移最小，其值為0.17 cm～3.57 cm，說明坡腳受軟弱夾層的影響較小.

圖6 水平位移隨夾層厚度變化曲線

2.2 軟弱夾層粘聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響

從圖中7(a)-7(c)可以看出，同一分析點在不同粘聚力條件下變化趨勢相同.當(dāng)軟弱夾層粘聚力從8.7 kPa增大至14.7 kPa，軟弱夾層上部P3的最大孔隙水壓力從10.36 kPa增加至16.25 kPa，平均增幅為56.85%，軟弱夾層下部P1從29.02 kPa增加至31.59 kPa，平均增幅為8.86%，說明改變軟弱夾層粘聚力對軟弱夾層上部孔隙水壓力影響顯著.由于軟弱夾層的滲透性大，雨水入滲率大，持續(xù)降雨使其抗剪、抗滑能力下降，弱層與坡面交界處產(chǎn)生變形，形成孔壓消散現(xiàn)象，導(dǎo)致夾層內(nèi)部及下部孔壓有所下降.在降雨條件下，不同分析點處孔隙水壓力變化不同，隨降雨時間的增大，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內(nèi)部>軟弱夾層上部.

由圖8可知，隨軟弱夾層粘聚力的增加，位于軟弱夾層上方分析點水平位移有減小的趨勢，降幅均為78.42%，而位于下側(cè)分析點有增大的趨勢.當(dāng)軟弱夾層粘聚力為8.7 kPa時，軟弱夾層內(nèi)部S5的最大水平位移為15.09 cm，軟弱夾層上部S7的最大水平位移為3.62 cm，比S5相差約11.47 cm，說明越靠近軟弱夾層，水平位移越大.

圖7 不同粘聚力的孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

圖8 水平位移隨粘聚力變化曲線

2.3 軟弱夾層內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響

孔隙水壓力在不同軟弱夾層內(nèi)摩擦角條件下變化曲線如圖9(a)-9(c).從圖中可以看出，同一分析點孔壓在不同內(nèi)摩擦角條件下變化一致，說明降雨過程內(nèi)摩擦角的改變對孔隙水壓力無影響.軟弱夾層上部、下部、內(nèi)部孔隙水壓力變化趨勢與改變?nèi)鯇雍穸?、粘聚力的變化基本一?

圖9 不同內(nèi)摩擦角的孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

由圖10可知，隨軟弱夾層內(nèi)摩擦角的增加，位于軟弱夾層上方分析點水平位移有增加的趨勢，而位于下側(cè)的S4的位移有減小的趨勢，四組曲線幾乎平行，曲線斜率接近5×10-5， 說明軟弱

圖10 水平位移隨內(nèi)摩擦角變化曲線

夾層內(nèi)摩擦角不顯著影響邊坡變形.在降雨入滲條件下，在軟弱夾層上方分析點中，隨著分析點向上，水平位移逐漸減小.當(dāng)軟弱夾層內(nèi)摩擦角為20 °，軟弱夾層內(nèi)部S5的水平位移最大，為15.09 cm，而上部S7的水平位移3.62 cm，比S5減小了76.01%.位于軟弱夾層下方S4的位移最小，受軟弱夾層的影響較小.

2.4 軟弱夾層傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

從圖中11(a)-11(c)可以看出，同一分析點在不同傾角條件下變化趨勢相同.當(dāng)軟弱夾層傾角從5 °增大至15 °，軟弱夾層下部P1的最大孔隙水壓力分別為29.49 kPa、29.02 kPa、27.76 kPa、24.9 kPa，軟弱夾層上部P3的最大孔隙水壓力為10.02 kPa、10.36 kPa、10.10 kPa、12.17 kPa，比軟弱夾層下部至少減小51.12%，主要因為坡頂入滲的雨水并未流至軟弱夾層上方P3處，軟弱夾層內(nèi)部的雨水沿夾層上表面向坡頂方向滲流，軟弱夾層上部孔壓相對較小.由于重力作用，夾層內(nèi)部雨水向下部蔓延至軟弱夾層下方及雨水在坡腳處聚集原因，軟弱夾層下部孔隙水壓力較大.同時降雨持續(xù)進行，邊坡失穩(wěn)破壞，雨水滲出，夾層內(nèi)部及上部孔壓有下降趨勢.縱向分析，在降雨前期，傾角越大，孔隙水壓力響應(yīng)時間較短；隨降雨的進行，傾角越小，孔隙水壓力值越大，說明軟弱夾層傾角越小，雨水越容易入滲.橫向分析，降雨條件下，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內(nèi)部>軟弱夾層上部.

圖11 不同傾角下孔隙水壓隨降雨時間變化曲線

由圖12可知，隨軟弱夾層傾角的增加，位于軟弱夾層上方水平位移有增大的趨勢，位于下側(cè)的水平剪切位移與軟弱夾層傾角并不是簡單的呈正相關(guān)，而是存在某個臨界值θ，使邊坡剪切位移在軟弱夾層傾角θ小于或大于臨界值10 °是單增或單減，傾角在5 °～10 °時，邊坡水平位移隨傾角增大而減小，傾角在10 °～15 °時隨軟弱夾層傾角的增大而不斷增大.在降雨入滲條件下，在軟弱夾層上方分析點中，越靠近軟弱夾層，其水平位移越大，當(dāng)軟弱夾層傾角增加至15 °時，軟弱夾層處的水平位移最大，為18.81 cm，而軟弱夾層上方S7的水平位移為9.35 cm，比S5減小了50.29%.

圖12 水平位移隨軟弱夾層傾角變化曲線

3 降雨對軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性影響

3.1 降雨入滲引起的孔隙水壓力分布規(guī)律

圖13(a)為工況一邊坡在降雨過程中孔隙水壓力分布變化圖.連續(xù)降雨1.5 h后，邊坡坡面孔隙水壓力發(fā)生變化，坡體表面位置出現(xiàn)飽水區(qū)，坡頂處孔隙水壓力最大，其值為53.7 kPa.隨降雨進行3 h時，由于軟弱夾層的滲透性相對較高，加快雨水下滲，夾層內(nèi)孔隙水壓力最大值為64.8 kPa.隨著深度以及降雨量的增加，雨水入滲速度逐漸減緩，降雨歷時6 h時，在軟弱夾層上方的硬質(zhì)巖體中，含水率較高，孔隙水壓力越大，為65.0 kPa.隨降雨歷時增加，邊坡最大孔隙水壓力不斷增大，分別增大20.67%、0.31%，增大速率減慢.

3.2 降雨入滲引起的塑性區(qū)分布規(guī)律

含軟弱夾層邊坡的變形可以認(rèn)為是塑性區(qū)的擴張形成貫通區(qū)，導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)層的抗剪、抗拉能力的下降，從而進入塑流狀態(tài)[17].圖13(b)給出持續(xù)降雨1.5 h、3 h、6 h時的塑性區(qū)的分布.在降雨初期階段，塑性區(qū)首先發(fā)生在軟弱夾層上方的坡體表面處，隨著降雨的進行，邊坡塑性區(qū)面積增大，降雨6 h后塑性變形區(qū)貫穿整個邊坡，且范圍較大，說明此區(qū)域可能會發(fā)生滑坡.

3.3 降雨入滲引起邊坡位移變化

圖13(c)為降雨情況下邊坡變形隨降雨歷時增加的變化云圖.降雨初期，邊坡坡頂處出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，最大位移為0.804 cm.降雨至3 h時，位于邊坡坡面與軟弱夾層交界線處出現(xiàn)變形，最大位移為4.31 cm，繼而降雨，軟弱夾層弱化，邊坡變形增大，位移值為10.5 cm.隨降雨歷時增加，邊坡最大水平位移不斷增大，增大速率減慢，與孔隙水壓力變化一致，這是因為軟弱夾層相對玄武巖層而言，滲透系數(shù)較高，降雨初期，雨水沿坡面較快地滲入坡體內(nèi)部，導(dǎo)致抗剪抗拉能力下降，但隨降雨量增加，沿軟弱夾層雨水入滲至坡體內(nèi)速率減慢，因此邊坡最大變形在坡面與軟弱夾層交界線處，整體呈現(xiàn)緩慢破壞.

圖13 降雨入滲邊坡數(shù)值模擬結(jié)果

3.4 降雨對含軟弱夾層邊坡失穩(wěn)過程分析

在降雨條件下，雨水入滲至軟弱夾層，夾層內(nèi)部逐漸飽水，強度下降，處于夾層弱化階段.在降雨初期階段，邊坡坡頂處的滲流梯度較大，雨水沿坡頂向下入滲.此時孔隙水壓力在軟弱夾層與坡面交界處至坡頂位置逐減增大，坡體抗剪強度降低.因此，邊坡塑性區(qū)首先在夾層至坡頂位置產(chǎn)生，說明孔隙水壓力和塑性區(qū)形成存在正相關(guān)關(guān)系.隨著降雨歷時的增加，雨水不斷向坡體內(nèi)部延伸，同時入滲速率降低.由于軟弱夾層滲透系數(shù)相對較高，雨水向夾層內(nèi)部延伸及夾層下方擴展，導(dǎo)致孔隙水壓力不斷增大.由于夾層存在一定角度，在自重作用下雨水向夾層后緣入滲量較少，孔壓增大幅度減小，雨水集中面在夾層與下部巖層交界位置，從而在夾層前端邊坡塑性區(qū)集中，此外向夾層后緣區(qū)至坡體內(nèi)部擴展緩慢.根據(jù)3.3節(jié)可以看出，降雨條件下，坡面與軟弱夾層交界處變形較大，主要因為軟弱夾層上方結(jié)構(gòu)層重力增加，導(dǎo)致夾層被擠壓變形.隨著降雨進行，軟弱夾層遇水軟化，軟弱夾層的抗滑能力進一步下降，導(dǎo)致邊坡沿夾層發(fā)生滑移破壞.

4 結(jié)論

本文基于二次開發(fā)的FLAC3D滲流模塊對降雨條件下含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡的漸進破壞過程分析，討論了軟弱夾層的厚度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、傾角對巖質(zhì)邊坡的影響規(guī)律，具體結(jié)論如下:

(1)在相同降雨條件下，改變軟弱夾層的賦存屬性，邊坡最大孔隙水壓力變化規(guī)律一致，孔隙水壓增大的順序為：軟弱夾層下部>軟弱夾層內(nèi)部>軟弱夾層上部，但改變軟弱夾層的內(nèi)摩擦角，孔隙水壓力無變化.

(2)在不同軟弱夾層厚度中，最大水平位移始終在軟弱夾層與坡面相交處，邊坡水平位移與厚度正相關(guān).位于軟弱夾層上方的分析點水平位移與夾層的粘聚力負(fù)相關(guān)，其越靠近軟弱夾層，水平位移越大，相差約11.47 cm，而位于夾層下方的水平位移與夾層的粘聚力正相關(guān).改變軟弱夾層內(nèi)摩擦角，各分析點位移幾乎無明顯變化， 說明軟弱夾層內(nèi)摩擦角不顯著影響邊坡變形.

(3)隨軟弱夾層傾角的增加，位于軟弱夾層上方的水平位移有增大的趨勢，此時距離夾層最遠(yuǎn)的水平位移比夾層處的水平位移至少降低了50.29%；位于夾層下側(cè)的水平剪切位移與軟弱夾層傾角并不是簡單的呈正相關(guān)，傾角在5 °～10 °時，邊坡水平位移隨傾角增大而減小，傾角在10 °～15 °時水平位移隨傾角增大不斷增大.

(4)邊坡最大水平位移隨厚度、粘聚力、傾角以及內(nèi)摩擦角變化產(chǎn)生的最大增量分別為73.42%、3.35%、17.93%、0.27%，因此軟弱夾層的賦存特征對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感程度為：軟弱夾層的厚度>傾角>粘聚力>內(nèi)摩擦角.