暴雨及地表荷載對滑坡穩(wěn)定性的影響及計(jì)算取值

鐘 靜

（中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610081）

暴雨及地表荷載對滑坡穩(wěn)定性的影響及計(jì)算取值

鐘 靜

（中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610081）

滑坡是三峽庫區(qū)最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。暴雨及地表外荷載是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素。通過暴雨、公路荷載和建筑荷載對滑坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理，給出了各影響因素在穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)的計(jì)算方法或取值。

滑坡；暴雨；荷載；穩(wěn)定性

滑坡是三峽庫區(qū)最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。通過對三峽庫區(qū)150多個(gè)滑坡勘察資料的整理和研究發(fā)現(xiàn)，除了庫水的影響，暴雨及地表外荷載是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)該計(jì)入。《三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求》[1]、重慶市《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》[2]和《重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]（以下簡稱《規(guī)范》）中規(guī)定了暴雨計(jì)算工況，但是未說明暴雨工況如何影響和計(jì)算滑坡穩(wěn)定性，《規(guī)范》中規(guī)定計(jì)算條塊自重時(shí)需加入滑體上的附加荷載，但是《規(guī)范》只規(guī)定了計(jì)算建筑荷載未考慮公路荷載的影響，且各《規(guī)范》對建筑荷載大小的規(guī)定不一。本文通過對暴雨和附加荷載對滑坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理，給出了各影響因素在穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)的計(jì)算方法或取值。

1 暴雨對滑坡穩(wěn)定性的影響

1.1 暴雨對滑坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理

降雨主要通過以下4個(gè)方面的機(jī)制來誘發(fā)滑坡的發(fā)生：

①大量的地表水滲入巖土體使其重量增加，增大了滑體的下滑力，并且滲入的水使巖土體被軟化、潛蝕，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低[4,5]；②降雨期間或降雨之后，雨水滲入滑體，引起坡體內(nèi)部滲流場發(fā)生變化，斜坡巖土體內(nèi)孔隙水壓力的升高，有效應(yīng)力降低，使?jié)撛诨瑒用嫔系目辜魪?qiáng)度降低[4,5]；③干濕交替導(dǎo)致巖土體開裂，產(chǎn)生了大量的裂隙，使更多的水進(jìn)入巖土體，加速了滑坡的發(fā)生[4]；④降雨使地下水位升高，升高的地下水位對巖土體產(chǎn)生浮托力[4]。

1.2 暴雨工況的穩(wěn)定性計(jì)算方法

暴雨工況的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算包括兩個(gè)方面。

一是降雨入滲的巖土體部分按飽和重度考慮，關(guān)鍵在于暴雨入滲深度的確定。

張士宇等[6]通過計(jì)算非飽和土高填土路堤實(shí)例，對比了Pradel & Raad( 1993)提出的國外經(jīng)驗(yàn)法和李焯芬等人的國內(nèi)方法的計(jì)算結(jié)果，指出前者計(jì)算的計(jì)算結(jié)果較為合理。

為了使土體飽和浸潤到一定深度zw，必須滿足兩個(gè)條件：（1）降雨強(qiáng)度必須大于土的入滲率vi；（2）降雨的時(shí)間Tw必須足夠長以便飽和浸潤土體至深度zw。

式中：θs、θ0—分別為土體的飽和體積含水量和實(shí)測體積含水量；k—土體濕潤區(qū)的導(dǎo)水率（滲透系數(shù)）；s—土體浸潤鋒面的毛細(xì)吸力（以水柱高度計(jì)，m）。

為了保證浸潤鋒面穿透直至深度zw，臨界降雨持續(xù)時(shí)間Tmin≧Tw并且界限降雨強(qiáng)度Imin≧vi以確保浸潤鋒面以后的土體充分飽和（Imin是保證極限深度以上的土體充分飽和的最小的降雨強(qiáng)度）。由（1）（2）式可知，降雨入滲深度的計(jì)算和重現(xiàn)期沒有必然的聯(lián)系，只要降雨強(qiáng)度大于入滲率，入滲深度就只與降雨持時(shí)、含水率、基質(zhì)吸力有關(guān)。

根據(jù)陳偉等[7]的研究，邊坡土體中降雨的入滲存在一個(gè)極限的入滲深度，當(dāng)入滲達(dá)到極限深度而降雨持續(xù)進(jìn)行時(shí)，邊坡降雨都形成面流，土體中雨水入滲的最大深度理論公式：

式中：mw為坡面A點(diǎn)水的質(zhì)量；g為重力加速度；uw為A點(diǎn)的孔隙水壓力；ρw為A點(diǎn)水的密度。

因此降雨入滲深度應(yīng)根據(jù)zw、ymax綜合確定。

二是考慮暴雨后地下水會有不同程度抬升，根據(jù)水文地質(zhì)條件，綜合考慮各種因素、地形、弱滲透性、植被、水田等，計(jì)算地下水抬升幅度，局部條塊因地面特征（居民區(qū)、池塘、地形較陡等）不同而稍有變化。地下水范圍內(nèi)的水壓力按《規(guī)范》計(jì)算。

2 公路荷載對滑坡穩(wěn)定性的影響

2.1 公路荷載作用特點(diǎn)

通過對三峽庫區(qū)150多個(gè)滑坡勘察資料的整理發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)滑坡穩(wěn)定性計(jì)算未考慮公路荷載的影響。對于滑體深厚，或者公路從滑坡抗滑區(qū)段通過，汽車荷載同滑體自重相比可以忽略的情況，不計(jì)公路荷載是合適和安全的。但是，當(dāng)滑體較薄，汽車荷載量值相對較大，或公路從滑坡下滑區(qū)段通過的滑坡，汽車荷載以及汽車沖擊力對滑坡穩(wěn)定性的影響會變得突出，如不考慮公路荷載的影響，計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

根據(jù)楊萬紅[8]、葉四橋[9]等人的研究，由于汽車行駛速度變化范圍大、輪胎阻尼隨機(jī)性強(qiáng)、路面狀況復(fù)雜等都對汽車荷載及沖擊力有影響，荷載大小、空間分布均具有隨機(jī)性，因此，汽車荷載是一種典型的隨時(shí)間、空間位置等因素變化的復(fù)雜荷載，在理論分析過程中往往采用簡化方法來近似表征。公路荷載包括汽車荷載和汽車動力荷載；前者以移動恒載表示，后者以沖擊系數(shù)量化。

2.2 公路荷載的取值

在公路路面結(jié)構(gòu)及橋梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，汽車動力荷載取值通常采取三種方法：動力荷載、移動恒載和移動隨機(jī)荷載。在工程中，可根據(jù)工程特點(diǎn)以及研究精度要求靈活選用。僅用于滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，本文推薦采用第二種方法。

據(jù)JTG B01-2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]的規(guī)定選取相應(yīng)等級的汽車荷載P，汽車動荷載可表達(dá)為：

式中：P為汽車靜載；ΔP為汽車動力荷載，kPa；μ為沖擊系數(shù)，盡管μ隨車速、路面波長（不平整度）有所變化，但其量值始終處于0.1～0.4之間，路面越不平整μ值越大。則公路荷載為P+ΔP。

3 建筑荷載對穩(wěn)定性計(jì)算的影響及取值

當(dāng)建筑物采用樁基礎(chǔ)且樁端置于滑面以下穩(wěn)定滑床時(shí)，不計(jì)算建筑物荷載。當(dāng)建筑物基礎(chǔ)位于滑體內(nèi)，則建筑物重量為滑體自重的附加值。

《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》[2]中規(guī)定，建筑荷載可按假定建筑物分布范圍內(nèi)建筑荷載均布，每層按2～5kPa、將每層荷載與平均層數(shù)相乘的方法計(jì)算。《重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中規(guī)定，作用于滑體上的外荷載，其作用于滑坡區(qū)段上的建筑物折算荷載PZ=覆蓋率×15kN/m2×滑坡體上建筑物的平均層數(shù)。兩種規(guī)范對每層荷載取值的規(guī)定差別很大。

據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11]條文說明5.1.8，“目前國內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高程建筑由恒載和活載引起的單位面積重力，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)約為12～14kN/ m2，剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)約為13～16kN/m2”。而砌體結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)類似，承重結(jié)構(gòu)大都為墻，因此單位面積重力大體與剪力墻結(jié)構(gòu)相當(dāng)。因此《重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中對建筑荷載取值的規(guī)定較為合理。

4 結(jié)論

本文通過對暴雨、公路荷載和建筑荷載對滑坡穩(wěn)定性影響的機(jī)理，結(jié)合前人的研究成果，給出了各影響因素在穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)的計(jì)算方法或取值，補(bǔ)充了《規(guī)范》中的不足。但是，本文給出的暴雨工況的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法比較復(fù)雜，對暴雨對滑坡地下水的影響還未做深入研究。

[1] 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部．三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘察技術(shù)要求[S]．2004．

[2] DB50/143-2003地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范[S]．

[3] DB50/5029-2004 重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4] 張玉成，等．滑坡的發(fā)生與降雨關(guān)系的研究[J]．災(zāi)害學(xué)，2007，22(1)：82～85．

[5] 楊?yuàn)檴櫍龋聻?zāi)害與降雨關(guān)系研究[J]．人民黃河，2010，32(8)：128～129．

[6] 張士宇，王瑞鋼．降雨對高填土路堤的入滲深度的確定及有限元穩(wěn)定分析[J]．路基工程，2004(5):17～21．

[7] 陳偉，莫海鴻，陳樂求．非飽和土邊坡降雨入滲過程及最大入滲深度研究[J]．礦業(yè)工程，2009，29(6):13～21 ．

[8] 楊萬紅，徐慶元，陸明春，張艷霞．汽車荷載對新沭河公興巷閘以北段堤防影響淺析[J]．江蘇水利，2010(4):23～25．

[9] 葉四橋，唐紅梅，肖盛燮，李明．汽車荷載對滑坡穩(wěn)定性的影響分析[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(5):106～109．

[10] JTG B01-2003公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[11] JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

Effect of Rainstorm and Surface Loads on Landslide Stability and Calculation

ZHONG Jing
(Southwest China Geotechnical Investigation & Design Institute Co., Ltd., Chengdu 610081)

Landslide is one of main geohazardz in the Yangtze Gorges Reservoir. Rainstorm and surface loads are important factors affecting stability of landslide. This paper has a discussion on mechanism for effect of rainstorm and surface loads on landslide stability and method for landslide stability calculation.

landslide; rainstorm; load; stability;

P642.22

A

1006-0995（2014）04-0574-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.023

2013-10-30

鐘靜（1989-），女，成都人，助理工程師，從事巖土工程研究