許四法,姜伙軍,孫昌一,馮益潘

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.浙江省第一地質(zhì)大隊,浙江 杭州 310007)

降雨誘發(fā)的滑坡災(zāi)害是我國最常見的地質(zhì)災(zāi)害。眾多學(xué)者利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗以及模型實驗等方式對降雨誘發(fā)滑坡的機理開展了大量的研究。李龍起等[1]、李煥強等[2]構(gòu)建了邊坡地質(zhì)力學(xué)模型試驗并利用人工噴灑技術(shù)模擬降雨過程,得到了降雨入滲作用下邊坡關(guān)鍵點的變化特征和邊坡應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展模式。簡文彬等[3]自行設(shè)計了土體入滲裝置,現(xiàn)場實地開展原狀土柱一維降雨入滲試驗,考察了東南沿海地區(qū)代表性土體的滲透特性。李宏儒等[4]、鄧喜等[5]和楊煜等[6]基于非飽和滲流方程,探究降雨強度、土性參數(shù)等對邊坡滲流及穩(wěn)定性的影響規(guī)律。吳順川等[7]、許寶田等[8]通過數(shù)值模擬建立了含軟弱夾層的邊坡模型,再現(xiàn)了大變形條件下坡體應(yīng)力及變形變化的全過程。蘇培東等[9]基于軟弱夾層的應(yīng)變軟化特性,從理論角度認(rèn)識了含軟弱夾層順層巖質(zhì)滑坡的漸進(jìn)破壞過程。張令非等[10]認(rèn)為分區(qū)滑動破壞是含軟弱層巖石邊坡的典型破壞模式,軟弱層傾角是影響穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)區(qū)和失穩(wěn)區(qū)3區(qū)分布的決定性因素。但是,上述研究對象都是單一地層邊坡,事實上,自然邊坡多為巖石風(fēng)化沉積而形成的多層地層邊坡,并且多層地層邊坡的穩(wěn)定性往往由巖體中軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)所決定。

筆者針對某邊坡工程,運用邁達(dá)斯GTS NX數(shù)值模擬方法,探究降雨強度對雙層軟弱夾層邊坡中滲流場、位移場及安全系數(shù)影響規(guī)律,以揭示含雙層軟弱夾層降雨型滑坡的孕災(zāi)機制。

1 工程地質(zhì)概況

建德市某山體邊坡發(fā)生滑坡,經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),險情發(fā)生前當(dāng)?shù)? d累計降雨量達(dá)到175 mm。主滑方向295°,坡面平均坡度14°,滑坡前后緣形成的高差30 m。滑坡平均厚度11 m,體積約9.02×104m3,為小型中層巖質(zhì)滑坡。

坡體內(nèi)主要地層為第4系殘坡積層(Qel+dl),奧陶系上統(tǒng)長塢組(O3c)粉砂質(zhì)泥巖。地層巖性自上而下如圖1所示:1) 含碎石粉質(zhì)黏土;2) 強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖,該層含有兩層軟弱夾層,軟弱夾層從埋深較淺到埋深較深可分為P1,P2兩層,主要成分為粉質(zhì)黏土,厚度為2～3 m,軟弱夾層在邊坡內(nèi)呈帶狀傾斜分布,夾層傾角為16°;3) 中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of slope

2 參數(shù)選取和模型建立

為了分析不同降雨工況下含雙層軟弱夾層邊坡的失穩(wěn)機制,首先,基于飽和-非飽和滲流理論[11],采用GTS NX中的滲流模塊建立不同降雨強度下的分析模型,研究降雨強度對含雙層軟弱夾層邊坡軟弱夾層處水的體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律;其次,利用室內(nèi)試驗探究軟弱夾層水的體積分?jǐn)?shù)與抗剪強度指標(biāo)之間關(guān)系,并將軟弱夾層抗剪強度指標(biāo)應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析;最后,基于摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則[12],利用有限元強度折減法[13]分析含雙層軟弱夾層邊坡位移場和安全系數(shù)變化規(guī)律。

有限元強度折減法[13]認(rèn)為,邊坡巖土體發(fā)生剪切破壞的原因是其所受剪應(yīng)力達(dá)到極限抗剪強度,計算中將坡體的真實抗剪強度除以折減系數(shù)F,以達(dá)到強度折減的目的。當(dāng)達(dá)到極限破壞狀態(tài)時,此時的F即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),其計算式為

(1)

(2)

式中:Ctrial為折減后的黏聚力;φtrial為折減后的內(nèi)摩擦角;Ftrial為折減系數(shù)。

2.1 降雨條件

分析工況為在保證累積降雨量為180 mm不變條件下,擬定4種降雨強度和降雨歷時,分析不同降雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響,具體降雨強度方案如表1所示。

表1 降雨強度方案

2.2 計算參數(shù)

由于巖體十分破碎,巖體采用與軟弱夾層土體相同的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。該邊坡鉆孔信息表明:軟弱夾層為粉質(zhì)黏土,遇水力學(xué)性能差,為潛在滑動面。兩條軟弱夾層物質(zhì)成分相同,軟弱夾層力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)固結(jié)快剪試驗確定,粉砂質(zhì)泥巖力學(xué)參數(shù)在現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上確定。巖層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖層物理力學(xué)參數(shù)

為描述降雨入滲在含雙層軟弱夾層邊坡內(nèi)的滲流特性,利用壓力板儀試驗得到邊坡軟弱夾層的飽和水的體積分?jǐn)?shù)為29.6%,殘余水的體積分?jǐn)?shù)為12%,以及基質(zhì)吸力與水的體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)關(guān)系,采用Cho[14]模型擬合軟弱夾層土水特征曲線;并在測得軟弱夾層飽和滲透系數(shù)為8×10-7cm/s情況下,基于Van Genuchte-Mualem滲透模型反演軟弱夾層滲水滲透函數(shù)曲線。其余各地層水力特性參照類似工程,擬合曲線如圖2,3所示。

圖2 土水特征曲線Fig.2 Soil water characteristic curve

圖3 滲透系數(shù)曲線Fig.3 Permeability coefficient curve

2.3 分析模型

采用GTS NX軟件建立三維邊坡模型。模型位移邊界:左右邊界施加法向約束,底部邊界施加軸向約束;滲流邊界:模型左右兩側(cè)采用與地下水位高度相等的常水頭邊界,邊坡表面采用與降雨強度相等的流量邊界。為避免模型尺寸影響有限元強度折減法計算精度,采用張魯渝等[15]建議的模型邊界尺寸,其中,模型右側(cè)高度為60 m,左側(cè)高度為32 m,總長度為235 m,寬度為80 m;初始地下水位:左側(cè)水頭為19.5 m,右側(cè)水頭為45.5 m,邊坡表面流量邊界根據(jù)降雨強度設(shè)置不同曲面流量值。最后,在分析工況中設(shè)置時間步驟模擬降雨時長。計算模型如圖4所示。

此外,在模型中設(shè)置了如圖5所示的觀測點1～3及流量截面Ⅰ-Ⅰ,其中,監(jiān)測點1～3分別位于坡體坡腳、腰部和坡頂表面位置。

圖5 數(shù)值模擬模型觀測點布置Fig.5 Layout of observation points of numerical simulation model

3 坡體水的體積分?jǐn)?shù)和基質(zhì)吸力變化規(guī)律

3.1 坡體水的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

降雨結(jié)束時截面Ⅰ-Ⅰ的水的體積分?jǐn)?shù)如圖6所示。由圖6可知:在同一降雨條件下,軟弱夾層P1以上坡體水的體積分?jǐn)?shù)隨深度增加而增加,在軟弱夾層處土體水的體積分?jǐn)?shù)較高,峰值水的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到28.8%,兩層軟弱夾層中間坡體水的體積分?jǐn)?shù)略低于軟弱夾層處。分析其原因為降雨結(jié)束后,雨水入滲與降雨歷程相比具有一定“滯后性”,并且坡面土體與強風(fēng)化巖體滲透性相差不大,故雨停后坡面土體一方面失去水分補給;另一方面雨水持續(xù)下滲,因此坡面水的體積分?jǐn)?shù)低。由于軟弱夾層滲透性遠(yuǎn)小于強風(fēng)化巖體,雨水入滲受到“阻滯”,坡體水的體積分?jǐn)?shù)不斷增大,并在軟弱夾層P1上表面形成暫態(tài)飽和區(qū)。由于軟弱夾層滲透性差,具有一定的保水和隔水作用,因此兩層軟弱夾層水的體積分?jǐn)?shù)都較高,而兩層軟弱夾層之間巖體滲透性好,持水性差,因此水的體積分?jǐn)?shù)略有下降。

圖6 截面Ⅰ-Ⅰ水的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.6 Variation law of water content in section Ⅰ-Ⅰ

在不同降雨強度下,降雨強度大、歷時短的降雨坡體水的體積分?jǐn)?shù)上升速度快于降雨強度小歷時長的降雨,這是由于降雨對坡體水的體積分?jǐn)?shù)的影響主要與土體的孔隙結(jié)構(gòu)以及巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度有關(guān),當(dāng)土體孔隙大且?guī)r體破碎時,降雨強度小、歷時長的降雨雨水滲入坡體后又迅速滲出,所以地下水位以上坡體水的體積分?jǐn)?shù)較低。

3.2 基質(zhì)吸力變化規(guī)律

隨著雨水入滲,觀測點1～3基質(zhì)吸力變化如圖7所示。由圖7可知:在不同降雨條件下,觀測點1基質(zhì)吸力隨降雨歷時增加而逐漸消散,降雨強度大、歷時短的降雨基質(zhì)吸力消散幅度和消散速度均大于降雨強度小、歷時長的降雨,在雨停時刻,工況1基質(zhì)吸力減小到-12.9 kPa,工況2基質(zhì)吸力減小到-5.3 kPa,工況3孔隙水壓力達(dá)到2.6 kPa,工況4孔隙水壓力達(dá)到21.0 kPa。減小幅度的順序為:工況4>工況3>工況2>工況1;觀測點2,3表現(xiàn)為在降雨初期基質(zhì)吸力迅速減小,在達(dá)到峰值后基質(zhì)吸力逐漸增大并最終穩(wěn)定在-7.8 kPa,觀測點2工況4于歷時14 h時,孔隙水壓力達(dá)到4.0 kPa,其余工況于歷時36 h時基質(zhì)吸力達(dá)到最小值,并且吸力均小于0 kPa,觀測點3各工況下峰值基質(zhì)吸力均在0 kPa左右。由于觀測點1位于坡腳,當(dāng)降雨強度大于土體入滲能力時,坡面形成徑流并于坡腳產(chǎn)生積水,坡腳吸力持續(xù)下降,并且降雨強度越大,基質(zhì)吸力減小幅度越大,觀測點2,3與觀測點1基質(zhì)吸力變化規(guī)律不同正是徑流“補給”作用所造成的。在入滲初期觀測點2,3的基質(zhì)勢起主導(dǎo)作用,入滲的水分被土顆粒吸附為薄膜水,形成了濕潤鋒,隨后隨著降雨和入滲過程持續(xù),雨水在坡體內(nèi)做不穩(wěn)定滲流,此時濕潤鋒迅速下移,基質(zhì)吸力隨之迅速下降,當(dāng)基質(zhì)勢和重力勢達(dá)到平衡,雨水也在坡體中形成穩(wěn)定滲流,基質(zhì)吸力穩(wěn)定在定值。

圖7 基質(zhì)吸力隨降雨歷時變化規(guī)律Fig.7 Variation law of matrix suction with rainfall duration

4 降雨入滲對邊坡變形和穩(wěn)定系數(shù)影響

4.1 邊坡變形變化規(guī)律

為探明軟弱夾層水的體積分?jǐn)?shù)與力學(xué)參數(shù)之間關(guān)系,以最優(yōu)水的體積分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn),配制不同水的體積分?jǐn)?shù)重塑土樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗,以殘余強度作為軟弱夾層的抗剪強度指標(biāo),試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知:隨著水的體積分?jǐn)?shù)增加,軟弱夾層土體內(nèi)摩擦角顯著降低,黏聚力規(guī)律性并不明顯。

圖8為含雙層軟弱夾層(P1+P2)、僅軟弱夾層P1和僅軟弱夾層P2時邊坡在各降雨工況下坡體各測點的位移變化特征圖。由圖8可知:從降雨類型角度分析,對于觀測點1,對于含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況,降雨強度分別為30,40,50 mm/d,坡體位移基本無殊,約為9.3 cm,降雨強度為60 mm/d,坡體位移最大,達(dá)到了13.2 cm;對于僅軟弱夾層P1的工況,4種降雨強度下坡體位移約為9 cm;對于僅軟弱夾層P2的工況,4種降雨強度下坡體位移約為8 cm。對于觀測點2,含雙層軟弱夾層(P1+P2)、僅軟弱夾層P1以及僅軟弱夾層P2等3種工況坡體位移均隨降雨強度增加而增加。含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況坡體最大位移達(dá)到了13.1 cm,僅軟弱夾層P1的工況坡體最大位移達(dá)到了12.3 cm,僅軟弱夾層P2的工況坡體最大位移達(dá)到了12.6 cm。對于觀測點3呈現(xiàn)的規(guī)律與觀測點2類似,含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況坡體最大位移達(dá)到了13.0 cm,僅軟弱夾層P1的工況坡體最大位移達(dá)到了11.2 cm,僅軟弱夾層P2的工況坡體最大位移達(dá)到了11.4 cm。結(jié)合上文中基質(zhì)吸力和水的體積分?jǐn)?shù)變化特征可知:降雨強度越強,坡體水的體積分?jǐn)?shù)增加速率越快,基質(zhì)吸力消散速率也越快,雨水越易入滲至坡體內(nèi)增加坡體自重、產(chǎn)生滲透力,這些都不利于邊坡穩(wěn)定;雨水入滲最終使地下水位顯著抬升,降雨強度越大,坡腳處地下水位抬升效果越明顯,位于水位以下軟弱夾層越容易泥化導(dǎo)致抗剪強度降低,最終坡腳處潛在滑動帶下滑力大于抗滑力而發(fā)生“牽引型”滑坡,因此降雨強度越強,坡體位移越大,并且降雨誘發(fā)的含軟弱夾層滑坡多為“牽引型”滑坡。

圖8 邊坡位移隨降雨強度變化規(guī)律Fig.8 Variation law of slope displacement with rainfall intensity

從邊坡軟弱夾層數(shù)量角度分析,在同一降雨條件下,含雙層軟弱夾層(P1+P2)邊坡變形量最大,其次是僅軟弱夾層P2,僅軟弱夾層P1邊坡變形量最少。所以巖體邊坡變形性狀由軟弱夾層數(shù)量及埋深所決定,軟弱夾層數(shù)量越多,邊坡沿軟弱夾層發(fā)生局部屈服概率越高,當(dāng)屈服區(qū)貫通,邊坡位移逐漸增大,邊坡失穩(wěn)概率也大大增加;軟弱夾層埋深在邊坡面出露處一定范圍內(nèi),邊坡位移與軟弱夾層埋深呈正相關(guān)。究其原因:對于深層滑坡,降雨導(dǎo)致水位上升,埋深較深的軟弱夾層長期飽水泥化,強度大幅下降,最終使邊坡滑移拉裂破壞;而埋深較淺的軟弱夾層則不受地下水位影響,邊坡也保持穩(wěn)定。

4.2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律

在降雨入滲條件下,計算得到的不同軟弱夾層數(shù)量的邊坡穩(wěn)定系數(shù)(表4)變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知:在降雨總量一致條件下,邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨強度增大而逐漸減小。當(dāng)降雨強度從50 mm/d增加到60 mm/d時,含雙層軟弱夾層(P1+P2)邊坡穩(wěn)定系數(shù)從1.1減小到0.975,降低了11%;僅軟弱夾層P1邊坡穩(wěn)定系數(shù)從1.3減小到0.98,降低了25%;僅軟弱夾層P2邊坡穩(wěn)定系數(shù)從1.23減小到1,降低了19%。并且軟弱夾層數(shù)量也對邊坡穩(wěn)定系數(shù)有一定影響,在相同降雨條件下,含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況穩(wěn)定系數(shù)最小,其次為僅軟弱夾層P2的工況,僅軟弱夾層P1的工況穩(wěn)定系數(shù)最大。從上述穩(wěn)定系數(shù)分析中可以看出:當(dāng)降雨強度達(dá)到特定閾值時,邊坡將從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài),這種轉(zhuǎn)變具有“突變性”,同時軟弱夾層的數(shù)量也同樣影響著邊坡穩(wěn)定狀態(tài),雙層軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性明顯低于單一軟弱夾層邊坡,下層軟弱夾層更易受地下水位抬升而軟化、泥化,因此僅含下層軟弱夾層工況相較于僅含上層軟弱夾層工況更易失穩(wěn)破壞;僅含上層軟弱夾層工況邊坡也出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)是因為降雨增加了坡體自重以及滲透力作用導(dǎo)致了邊坡失穩(wěn)[16]。

表4 滑坡穩(wěn)定系數(shù)分類表

圖9 邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨強度變化規(guī)律Fig.9 Variation law of slope safety factorwith rainfall intensity

5 結(jié) 論

結(jié)合工程實例,基于GTS NX有限元分析軟件,對降雨條件下雙層軟弱夾層邊坡滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,主要分析了降雨強度與軟弱夾層數(shù)量對邊坡巖土體基質(zhì)吸力、水的體積分?jǐn)?shù)以及位移、穩(wěn)定系數(shù)的影響規(guī)律,得出:1) 不同降雨強度下,坡體水的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律一致。由于軟弱夾層滲透性差,保水性強,故軟弱夾層水的體積分?jǐn)?shù)高于周圍巖體,易于泥化,抗剪強度大幅下降,最終形成滑動帶。2) 在降雨入滲條件下,降雨對邊坡坡面基質(zhì)吸力影響較大。降雨強度越大,基質(zhì)吸力消散速率越快,基質(zhì)吸力的消散使坡體抗剪強度降低,不利于邊坡穩(wěn)定。3) 對于降雨條件下含軟弱夾層滑坡,當(dāng)降雨總量恒定、軟弱夾層位于滑坡中層時,降雨強度越強,軟弱夾層數(shù)量越多,軟弱夾層埋深越深,邊坡變形越劇烈,邊坡也越易從“穩(wěn)定”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤安环€(wěn)定”狀態(tài),且具有“突變性”。