極端降雨下返嶺前邊坡穩定性數值模擬分析與評價

李增濤 賀可強 郭棟 劉曉紅 楊德兵

摘 要：隨著全球極端天氣不斷頻繁，極端降雨對邊坡穩定性影響的研究也越來越受到重視，為了更好探索極端降雨條件下堆積層邊坡穩定性的變化規律，選取青島市嶗山區返嶺前堆積層邊坡作為模擬研究對象，并基于青島現有降雨資料和兩個極端降雨工況進行穩定性分析與評價。最后，利用有限元軟件Geo-studio耦合分析降雨對坡體孔隙水壓力及位移場的影響規律，確定該邊坡所處的穩定性狀態、剪出口位置及失穩類型。

關鍵詞：極端降雨； 返嶺前邊坡； Geo-studio； 耦合分析

國家自然科學基金資助項目（項目編號：41372297）；高等學校博士學科點專項科研基金（項目編號：20113721110002）資助；山東省自然科學基金項目（項目編號：ZR2011DL002）

1 引 言

極端降雨天氣的出現對全球范圍內的滑坡災害造成不可避免的影響，LIU Yuewu（2005）認為影響降雨型邊坡穩定性的主要來源于降雨和地下水，認為降雨是一種無法控制的外部因素[1]。降雨前邊坡已存在明顯的開裂變形，處于較為脆弱的平衡狀態，一旦大雨、暴雨降臨，滑坡發生可能性增大，且低滲透能力邊坡趨于淺層邊坡失穩，高滲透性邊坡傾向深層失穩[2]。

目前在降雨外在動力條件影響邊坡穩定性研究中，賀可強等（2004）建立了滑坡的加卸載響應比物理動力學預測模型，選用降雨及孔隙水壓力變化作為加卸載參數，對新灘滑坡進行加卸載響應后驗分析與計算[3][4][5]。按照降雨作為外在動力思想，則極端降雨動力條件不同于通常降雨的反復加載卸載，而是邊坡坡體本身一直處于不斷降雨動力加載過程，沒有足夠的時間去卸載，使得邊坡本身處于嚴重的不平衡加載狀態，這種極端降雨條件下的坡體內在穩定性變化規律值得深入的探索與分析，因此，筆者選擇典型極端降雨型滑坡-返嶺前堆積層邊坡作為模擬研究對象，建立數值模型進行了相關方面的探索與研究。

2 返嶺前邊坡概況

2.1 邊坡基本地理特征

返嶺前邊坡地理坐標：東經120°40′54.6″，北緯36°11′54.6″，其位置在離海岸線大約幾到十幾公里的特大暴雨范圍之內[6]，返嶺前邊坡屬于堆積層邊坡，由已滑滑坡、邊坡一、二、三共同組成，其中已滑滑坡于2007年8月11日晚因極端降雨發生滑動。其位置見圖1。

圖1 返嶺前邊坡工程地質平面圖

2.2 邊坡構造特征

從地表測繪、鉆孔、淺井揭示情況分析，覆蓋層物質主要分布在中部及前緣，平均厚度2.5m，前緣覆蓋層最厚達5.8m；全風化層厚度一般2-30m。具體見地質剖面圖2。

3 邊坡數值模型的建立

按照圖2建立模型，X代表水平方向距離，Y代表豎直方向黃海高程，上層為淺層的殘積物，中層為全風化花崗巖（砂粉狀），下層為弱透水的基巖層，其參數選取如下表1。

邊坡的海水位以下及部分海灘位置為自由水頭邊界（Press Head），其整個邊坡為極端降雨作用區。采用有限元軟件Geo-studio中SEEP/W滲流軟件包建立數值模型，模型最上兩層非規則結構采用2m邊長三角形網格與四邊形網格形式將邊坡劃割成1117個Elements，1238個Nodes，并設A、B兩個監測點，如圖3。

圖2 返嶺前邊坡1-1地質剖面圖

圖3 基于 SEEP/W的數值模型示意圖

表1 材料參數建議取值表[7]

參數

土層 ρw KN/m3 ρ0 KN/m3 C

Kpa

殘積物 19.3 20.8 21.1 18.1°

全風化 19.7 21.0 26.6 19.5°

下層基巖 25.0 26.0 40 40°

參數

土層 E

Mpa 滲透系數m/s

殘積物 13° 15 0.33 5.0e-5

全風化 15° 20 0.30 1.0e-5

下層基巖 30° 5×103 0.22 不透水

4 極端降雨工況設置及滲流模型結果分析

4.1極端降雨工況設置

根據WMO對于極端降雨事件的劃分定義，認為滿足任意兩個條件中的一個降雨事件便定義為極端降雨事件[8]。基于上述極端降雨定義域條件，對青島多年降雨資料整理分析，定義日最大降雨量大于100mm，持續超過8天且日降雨量大于30mm/24h；或者連續3天降雨量超過550mm為青島極端降雨定義域，則邊坡模型極端降雨工況一采用8個降雨周期，一天作為一個降雨周期，初始極端降雨量選用30mm/24h，增量為30mm/24h，到達特大暴雨結束。邊坡模型極端降雨工況二采用5個降雨周期，一天作為一個降雨周期，初始極端降雨量選用30mm/24h，增量為30mm/24h，增增量為10mm，每個周期分為2個時步。考慮期間降雨量很大，導致空氣濕度越大，所蒸發的降雨也越小，因此不考慮蒸發作用。同時降雨期間海平面升降對邊坡穩定影響小，不予考慮。

4.2 滲流模型計算與結果分析

運用Geo-studio軟件SEEP/W分析得到初始條件和各時步孔隙水壓力變化圖4。

圖4 工況一、二 A、B監測點孔隙水壓力變化圖

由圖4比較可以看出，孔隙水壓力工況二比工況一要更早達到同一數值，說明在當降雨強度小于上層土體的滲透系數時，相對較大的降雨量滲透到土體的速度相對較快，所以其他條件相同情況下，工況二短時間的極端降雨造成的坡體內部變化更為明顯，影響也相對較大。

5 極端降雨工況條件下模型位移場結果分析

5.1 極端降雨工況條件下模型的建立及設置

位移場分析采用與滲流計算模型相同的地質幾何模型，模型兩側垂直邊界采用X方向水平約束，底部采用X—Y雙向固定約束，其他邊界采用自由邊界，選邊坡后緣關鍵點6、邊坡中部關鍵點21、邊坡前緣關鍵點34監測點進行分析，見下圖5。

圖5 基于 SIGMA/W的數值模型示意圖

5.2 SIGAM模型計算流程與結果分析

SIGAM模塊降雨工況分析不考慮蒸發條件及海平面水位變化的影響。其具體過程如下：應用SEEP/W軟件對邊坡進行Transient分析得到初始孔隙水壓力，隨后將其導入到SIGAM中Intitu模塊計算初始應力場；再把初始孔隙水壓力和初始應力作為第一步SIGAM應力分析的基礎，計算出第一天的應力場；得到的SIGAM應力結果和同一時間段SEEP/W的孔隙水壓力值導入下一步SIGAM應力分析中，以此循環模式進行兩者的耦合分析，結果見下圖6、7。

圖6 工況一條件下監測點各位移響應量圖

圖7 工況二條件下監測點各位移響應量圖

由以上結果分析可知：（1）隨著降雨量的不斷增加，Y方向位移云圖在海平面處產生位移正值表明此處坡體向外擠壓并剪出，工況一出現時間較工況二提前，按照邊坡受力狀態，并結合返嶺前已滑滑坡及其他滑坡體結構分析，認為返嶺前邊坡一是屬于牽引式滑坡；（2）由監測點處位移變化云圖分析可知，監測點21處位移變化最大，其次是監測點34、6，邊坡上層土體較中層土體遇水響應更靈敏，位移量與其土體彈性模量表現為負相關聯。

6 邊坡極端降雨條件下穩定性研究分析

采用同前節的極端降雨工況一、二進行邊坡穩定性的分析研究，采用軟件中SLOPE/W軟件包試算。降雨前后邊坡穩定系數對比分析如下表2。

表2 邊坡穩定系數對比

工況

方法 Ordinary法 Bishop法 Janbu法 M-P法

天然狀態 1.571 1.572 1.535 1.576

工況一 1.214 1.221 1.235 1.214

工況二 1.232 1.210 1.230 1.203

由表格2分析可知，天然狀態下返嶺前邊坡整體的穩定系數為1.57左右，綜合考慮現有邊坡的形態及物質結構等，認為返嶺前邊坡的整體平衡狀態僅是保持著脆弱的穩定狀態，在極端降雨條件下邊坡的穩定系數下降到1.2左右，增大了下滑的危險性。

7 結論

本文利用有限元件Geo-studio軟件，探索極端降雨型邊坡在連續降雨加載條件下孔隙水壓力、位移場及穩定性演化規律，并可以得到如下結論：

（1）當降雨強度小于表層土體的滲透系數時，降雨量越大，浸潤線向邊坡內部運動速度越快，土體位移等參數響應降雨量作用時間也越短；

（2）極端降雨條件下X方向位移響應量較Y方向位移響應量明顯，剪出口形成區域Y方向位移響應量為正值，表明坡體在臨空面向上擠壓并剪出；

（3）坡體位移響應量與其土體彈性模量表現為負相關聯，滲透系數較大的土體對極端降雨響應更靈敏，其迥異源于土體飽和含水率、彈性模量等自身特征的差異；

（4）連續的極端降雨加載條件下，坡體自身因無法進行有效的卸載，導致其穩定性大大降低，所以極端降雨作用不僅是起到誘發作用，更重要的是對滑帶土起到浸潤、軟化，加速滑動及形成的作用，使滑坡發生提前到極端降雨后期或降雨期。

參考文獻

[1] LIU Yuewu，LIU Qingquan，CHEN Huixin ect. Numerical study on rainfall infiltration in rock-soil slop. Science in China Ser. E Engineering and Materials Science，2005 Vol.48 Supp：33-46.

[2] H. X. Lan， C. F. Lee， C. H. Zhou，C. ect. Dynamic characteristics analysis of shallow landslides in response to rainfall event using GIS. Environmental Geology， 2005，47：254-267.

[3] 黃玲娟，林孝松. 滑坡與降雨研究[J]. 湘潭師范學院學報（自然科學版）. 2002.12， 24（4）：56-62.

HUANG Ling-juan， LIN Xiao-song. Study on land slide related to rainfall[J]. Journal of Xiangtan Normal University. （Natural Science Edition）. 2002.12， 24（4）：56-62.

[3] 賀可強，周敦云，王思敬. 降雨型堆積層滑坡的加卸載響應比特征及其預測作用與意義[J].巖石力學與工程學報，2004，23（16）：2665-2 670.

He Keqiang， Zhou Dunyun， Wang Sijing . Features of load-unload response ratio and its significance in predication of colluvial landslide induced by rainfall[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2004，23（16）：2665-2 670.

[4] 賀可強. 堆積層滑坡位移信息分析與失穩趨勢判據的研究 [博士學位論文] [D].北京：中國科學院地質與地球物理研究所.

He keqiang. Displacement Information Analysis and Destabilized Trend Criterion of Colluvial Landslides.[D]. Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences， Beijing， China.

[5] 賀可強，陽吉寶，王思敬. 堆積層滑坡位移動力學理論及其應用--三峽庫區典型堆積層滑坡例析[M].北京：科學出版社.2007.

He Keqiang，Yang Jibao，Wang Sijing. Dynamic displacement theory of debris landslide and its application[M]. Beijing：Science Press，2007.（in Chinese）.

[6] 李慶寶，耿敏，徐曉亮等.“2001.8.1”青島特大暴雨分布特征.山東氣象 2002.12，22（4）：14-19.

Li Baoqing， Geng Min， Xu Xiaoliang. heavy rainfall distribution characteristics of Qingdao. Shandong Meteorological. 2002.12，22（4）：14-19.

[7] 劉洪亮. 青島市返嶺前、青山不穩定斜坡勘察報告，山東省地質環境監測總站. 2013.5.

Liu hongliang. Unstable slope Investigation Report of fanlingqian & qingshan in Qingdao. Shandong Geological Environment Monitoring Station. 2013.5.

[8] 衛偉，陳利頂等.黃土丘陵溝壑區極端降雨事件及其對徑流泥沙的影響.干旱區地理，2007.11，30（6）：896-901.

Wei wei， Chen Liding. Extreme rainfall events and their effects on runoff and sediment yield in the loess hilly area. Arid Land Geography. 2007.11，30（6）：896-901.

作者簡介

李增濤（1987-），男，工學碩士。主要從事邊坡災害預測、評價與防治研究。

賀可強（1960-），男，教授，博導。主要從事地質災害預測、評價與防治研究。