前期降雨對非飽和覆蓋層邊坡性狀及穩定性的影響

曾鈴，李光裕，史振寧，邱祥，卞漢兵，李董可

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前期降雨對非飽和覆蓋層邊坡性狀及穩定性的影響

曾鈴1，李光裕1，史振寧2，邱祥2，卞漢兵1，李董可3

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙，410114；2. 長沙理工大學 交通運輸工程學院, 湖南 長沙，410114；3. 長沙理工大學城南學院，湖南 長沙，410114)

基于非飽和滲流及非飽和抗剪強度理論，以前期降雨強度為變量，對考慮前期不同降雨強度下的邊坡體積含水率、有效應力場、位移場以及邊坡穩定性變化過程進行數值模擬分析，得到前期降雨強度變化對覆蓋層邊坡性狀以及穩定性的影響。研究結果表明：前期降雨強度越大，無差別降雨作用后邊坡各位置含水率越大，對邊坡最終含水狀態起決定性影響的是前期降雨強度；無差別降雨過后，邊坡相同位置的有效應力與前期降雨強度成反比，邊坡深部有效應力下降幅度較小而邊坡坡腳處有效應力下降幅度較大，邊坡坡腳處位移與前期降雨強度呈正比；無差別降雨過后，邊坡安全系數隨著前期降雨強度的增大而減小，前期降雨對邊坡穩定性的影響主要表現在前期降雨強度越大，邊坡初始安全系數越小。

前期降雨；非飽和土；覆蓋層邊坡；邊坡穩定性

第四紀沉積物形成時間短，成巖作用不充分，多為覆蓋在堅硬基巖上松散、多孔隙的軟弱土層以及強風化巖層，以此種形式存在的邊坡稱為覆蓋層邊坡，廣泛分布于我國大部分地區。大量研究資料表明，當覆蓋層邊坡遭遇長期降雨或短期極端降雨時極易發生滑坡、塌方等災害，而路塹的開挖則會進一步導致此類地區公路兩側形成大量不良地質邊坡[1?4]，對交通安全產生極大威脅。降雨會提高邊坡內部孔隙水壓力，并且會對邊坡穩定性產生明顯影響。目前，針對降雨對邊坡穩定性影響的研究主要集中于對土體內部孔隙水壓力變化的分析，如：張玉等[5]對古水水電站大型滑坡進行了分析，認為雨水入滲至滑帶土層降低了滑面處的有效應力，進而導致邊坡失穩；CAREY等[6]對英國懷特島上Lowtherville滑坡進行了分析，認為孔隙水壓力增加導致有效應力降低，最終導致滑坡發生。但現有研究中較少對土體中孔隙水壓力以及體積含水率分布等進行分析。一般地，降雨是引發邊坡失穩最常見也是最重要的因素。眾多研究表明，邊坡受后續降雨的影響程度與其前期降雨狀態密切相關，而且前期降雨也會對邊坡穩定狀態起決定性作用，如 DAHAL等[7]分析了由降雨引起的尼泊爾小喜馬拉雅山滑坡，認為前期降雨所造成的土體吸力喪失所導致的黏土礦物黏聚力降低是造成滑坡的主要原因。唐棟等[8]針對前期降雨過程對三峽庫區某邊坡穩定性的影響進行了分析，指出累計前期降雨量可以作為判斷邊坡是否穩定的指標之一。IBSEN等[9]認為意大利Porretta- Vergato地區滑坡的原因主要為前期降雨，并提出對滑坡的啟動分析應考慮該地區6月之內的降雨狀態。以上研究表明前期降雨與邊坡穩定性具有緊密聯系，前期降雨強度越大，則后續降雨過后邊坡失穩風險越大。目前的研究多是直接分析前期降雨和邊坡穩定性這兩者之間的關系，并沒有進一步討論邊坡體積含水率分布、邊坡應力場以及邊坡位移場等變化的影響，而這些因素正是邊坡是否穩定的關鍵[10]。結合邊坡在前期降雨影響下的應力變化與位移變化對邊坡穩定性進行詳細分析具有重要意義。為此，本文作者基于現有研究成果，根據浙西山區當地地質與氣候條件，采用有限元方法對不同前期降雨條件下杭新景(杭州—新安江—景德鎮)高速公路太真隧道上部非飽和覆蓋層邊坡性狀變化進行模擬，并分析前期降雨與邊坡體積含水率分布狀態、有效應力場、位移場以及穩定性的關系，以便為同類型滑坡的滑移機理分析以及工程處置提供參考。

1 非飽和滲流及穩定性計算方法

在非飽和滲流過程的有限元計算方法中，RICHARDS等[11]考慮非飽和土體的滲透系數與土體的基質吸力存在函數關系，建立了土體中液體瞬時流動的二維控制方程：

式中：m為基質吸力水頭，kPa；(m)為非飽和土滲透系數，m/s；(m)為比水容量。

在非飽和土強度理論方面，FREDLUND等[12]將非飽和土中的基質吸力概念引入傳統的抗剪強度分析，針對非飽和土抗剪強度提出了擴展莫爾?庫侖準則，即

將上述擴展摩爾?庫侖公式代入普遍條分的極限平衡法中，得到邊坡穩定性計算公式[15]：

式中：為擬定滑動面的半徑；為垂直土條滑動面方向的作用力；為土條底面長度；為土條自重力；為土條重心距滑動圓心水平距離；為滑動圓心距作用力延長線的垂直距離；為動荷載下土條橫向作用力系數；為土條重心水平線距滑動圓心距離；為點荷載；為滑動圓心距作用線的距離；為坡頂拉裂縫充水后的水平推力；為滑動圓心距作用線的距離。滑坡受力狀態如圖1所示。

圖1 普遍條分的極限平衡法土條受力狀態

2 工程概況

杭新景高速公路7標段太真隧道位于浙西侵蝕剝蝕中低山區，地層為第四系殘坡積粉砂質泥巖及炭質泥巖夾煤層，含節理裂隙發育的黏性土碎石，完整性較差，滲透性較好，強度及抗剪性能差異較大。2013?01—08，該地區各月降雨量較往年同期較小，邊坡覆蓋層整體呈非飽和狀態。2013?08底，臺風“潭美”帶來連續強降雨，導致山體失穩坍塌，洞口滑塌后地形改變強烈，原隧道左側的山脊形態已完全破壞。滑塌體主要由風化巖組成，上部有部分殘坡積的含黏性土碎石，基巖主要為強—中風化細砂巖、粉砂質泥巖，局部夾炭質泥巖和石煤，呈碎塊狀、大塊狀。滑坡典型縱斷面如圖2所示。風化砂巖與中風化炭質泥巖如圖3所示。在現場勘查過程中，發現邊坡裸露位置砂巖處于完全風化狀態，經降雨浸泡后基本失去原有強度。觀察隧道中開挖出的棄方可知邊坡內部炭質泥巖與砂巖處于中風化狀態，具有一定強度。

圖2 太真隧道上覆邊坡滑動方向剖面圖

(a) 強風化砂巖；(b) 中風化炭質泥巖

3 數值計算模型

根據邊坡典型剖面圖，采用有限元計算軟件SEEP/W建立分析模型，網格劃分以及測點選取如圖4所示。考慮到地下水位線位于基巖下部，且覆蓋層邊坡滑動面多位于基巖與覆蓋層交界處，在交界處設定4個測點。測點1~4的坐標分別為(140，22)，(105，27)，(86，40)和(69，51)。綜合考慮計算效率與計算精度，模型共劃分為1 201個節點，1 162個網格，在滲流、應力以及位移計算過程中，最大迭代步數為100步，規定迭代結果誤差小于1%即視為計算收斂。通過對計算結果進行觀察，每一步計算均在100次迭代內達到收斂，說明計算結果精確度達到要求。

為分析不同前期降雨強度對邊坡狀態的影響，在真實降雨狀態基礎上額外設定3種前期降雨狀態，即1~7月份降雨量分別為真實降雨強度的80%，120%和150%，8月份降雨量保持不變，具體降雨方案如表1所示。為區別具體的降雨過程，將1~7月份降雨過程稱為前期降雨，將8月份降雨過程稱為無差別降雨。在滲流計算中，定義坡面為單位流量邊界以模擬降雨過程，模型兩側設置為自由透水邊界，設置模型底部水平方向、豎直方向固定，左側水平方向固定。根據對現場合適地區所采集的土樣在室內進行力學性能和滲透性試驗所得的結果，并參考該滑坡地段工程地質勘察報告所提供的資料，得到巖土質參數取值如表2所示。

圖4 邊坡有限元計算模型及測點位置

圖5所示為非飽和土的體積含水率與基質吸力關系的擬合關系，采用式(5)所示VAN GENUCTHEN模型[16]對土水特征曲線進行擬合。該模型的表達式中包含了曲線的轉折點信息，可以更有效地表征在進氣壓力和趨近殘余含水量狀態時的平滑過渡情況。

式中：e為土體有效飽和度；為基質吸力；，和為擬合參數。根據數值計算軟件中模塊自帶的樣本函數確定土體的滲透系數與基質吸力關系曲線，如圖6所示。

表1 不同前期降雨量計算方案

表2 太真隧道上覆邊坡巖石性質及參數

1—強風化砂巖；2—中風化砂巖；3—中風化炭質泥巖。

1—強風化砂巖；2—中風化砂巖；3—中風化炭質泥巖。

4 數值計算結果分析

4.1 邊坡體積含水率分析

基于非飽和滲流理論，采用有限元法對覆蓋層邊坡典型剖面進行體積含水率分布計算。圖7所示為以不同前期降雨強度為初始條件的邊坡在無差別降雨后的體積含水率分布狀態。通過對比觀察可以發現：前期降雨強度對邊坡在無差別降雨之后的體積含水率有較大影響；在工況1下，無差別降雨后，邊坡表面以下5 m內體積含水率約為0.20，飽和度約為60%；5 m以下區域土體體積含水率為0.10~0.15，飽和度為30%~50%；在工況3下，邊坡表面下部5 m內體積含水率明顯上升，達到0.25左右，比工況2下略有升高；而在工況4下，在無差別降雨過后，邊坡表面10 m以下土體的體積含水率均達到0.25以上，坡頂、坡腳等部分區域也基本達到飽和狀態。由此可見：前期降雨強度越大，無差別降雨過后邊坡表面含水率越高，雨水入滲深度越大。

根據工程經驗，邊坡潛在滑動面多經過邊坡坡腳處，因此，本文將著重分析測點1(見圖4)處的體積含水率變化。從圖7(a)中的前期降雨過程可以看出：前期降雨結束后，土體的體積含水率隨著前期降雨強度的增加而顯著增加，而對于無差別降雨而言，此時即為初始狀態，對無差別降雨的影響起著決定性作用。測點1處體積含水率變化趨勢見圖8。從圖8可以看出：測點1處的體積含水率在不同工況下均有上升，但上升幅度并無明顯差異。由此可以得出：在后續降雨強度相同時，最終決定土體體積含水率的是前期降雨狀態。

4.2 應力場分析

由于邊坡內部有效應力的變化會導致覆蓋層邊坡穩定性發生變化[17?19]，因此，有必要對降雨入滲過程中邊坡內部有效應力的變化規律進行細致分析。對4個測點(如圖4所示)在計算過程中豎直方向的有效應力變化進行觀察，結果如圖9所示。對比4個測點的有效應力變化趨勢發現：由于前期降雨的作用，各個測點在不同工況下的初始狀態均有著明顯差別。總體而言，前期降雨強度越大，在初始狀態下的有效應力越低，而且在無差別降雨過程中不同工況下各個測點處的有效應力下降量基本相同。由此可見：前期降雨強度對邊坡內部有效應力場的影響在前期降雨結束時各個測點的有效應力上已經有所體現，無差別降雨過程對有效應力降低的影響程度無明顯差異。

(a) 工況1 ；(b) 工況2； (c) 工況3；(d) 工況4

1—工況1；2—工況2；3—工況3；4—工況4。

圖10所示為測點1~4在不同降雨工況下有效應力下降幅度的變化。從圖10可見：有效應力降低程度與測點所在位置有關，具體體現在邊坡內部的測點4在不同工況下達到初始狀態時有效應力基本不變；測點3在不同工況下達到初始狀態時的有效應力差值略比測點4的大；而測點2在不同工況下達到初始狀態時的有效應力差值則明顯增加；測點1在不同工況下達到初始狀態時，豎直方向有效應力差值最大，達到12.2 kPa，明顯比其他測點的大，可見降雨對邊坡影響最大的位置是邊坡坡腳處。產生以上現象的原因主要是坡腳處上覆土層較薄，雨水入滲所用時間較短，導致豎向有效應力下降最快，幅度最大，而邊坡內部上覆土層較厚，降雨入滲速度較小。

4.3 位移場分析

在降雨過程中，隨著土體體積含水率增加，有效應力逐漸減小，邊坡表面及坡腳處會產生一定程度變形。為分析不同前期降雨強度對邊坡位移的影響，列出不同工況下無差別降雨后的邊坡水平方向位移，如圖11所示。從圖11可以看出：邊坡在降雨作用下坡面與坡腳均產生一定位移，而坡腳處的位移較大，在工況1~4條件下的位移分別為18.7，20.0，20.9和22.8 mm，可見坡腳在無差別降雨之后的位移隨前期降雨強度的增大而增大。而從圖12可見：在前期降雨過程中，邊坡坡腳處水平方向位移隨著降雨持續而增大，前期降雨強度越大，初始狀態下的坡腳位移也越大；而在無差別降雨過程中，不同工況下坡腳處位移增加量基本相同。因此，可以認為前期降雨對邊坡坡腳位移的影響主要體現在邊坡在初始狀態下存在一定位移，并且初始狀態下的位移隨前期降雨強度的增大而增大。

(a) 測點1； (b) 測點2； (c) 測點3；(d) 測點4

圖10 前期降雨引起邊坡豎向有效應力下降趨勢

4.4 邊坡穩定性分析

采用普遍條分極限平衡法對不同前期降雨過程中的邊坡穩定性進行分析，得到邊坡安全系數變化規律如圖13所示。從圖13可以看出：邊坡初始安全系數為2.2，處于穩定狀態，但隨著前期降雨持續，邊坡安全系數逐漸下降；在工況1~4條件下，邊坡在經歷前期降雨后的初始狀態安全系數分別為1.506，1.223，1.004和0.776，可見前期降雨強度越大，邊坡在初始狀態下的安全系數越小。值得注意的是：在工況3和工況4下，邊坡在無差別降雨結束之前安全系數已經小于1.000，邊坡處于失穩狀態，但為了對比分析邊坡在無差別降雨過程中的含水率、有效應力以及位移變化，仍考慮邊坡處于極限平衡狀態，并未發生破壞。在無差別降雨過程中，邊坡安全系數進一步下降，無差別降雨結束后，工況1~4下的邊坡最終安全系數分別為1.492，1.130，0.917和0.703，與初始狀態相比，下降量基本相同。據以上分析，可以認為前期降雨對邊坡穩定性的影響主要表現在前期降雨強度對初始狀態下邊坡安全系數的影響。

(a) 工況1；(b) 工況2；(c) 工況3；(d) 工況4

1—工況1；2—工況2；3—工況3；4—工況4。

1—工況1；2—工況2；3—工況3；4—工況4。

5 結論

1) 前期降雨強度越大，無差別降雨作用后的邊坡各位置含水率越大，無差別降雨過程中邊坡內部含水率增加量基本相同，對邊坡最終含水狀態起決定性影響的是前期降雨強度。

2) 邊坡相同位置的有效應力與前期降雨強度成反比。在相同降雨強度下，邊坡深部有效應力下降幅度較小，而邊坡坡腳處有效應力下降幅度較大。邊坡坡腳處位移與前期降雨強度密切相關，降雨對邊坡內部位移影響較小。

3) 無差別降雨過后邊坡的穩定性與前期降雨強度成反比。前期降雨對邊坡穩定性的影響主要表現在前期降雨強度越大，邊坡初始安全系數越小。

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(編輯 陳燦華)

Effect of antecedent rainfall on characteristics and stability of unsaturated overburden slope

ZENG Ling1, LI Guangyu1, SHI Zhenning2, QIU Xiang2, BIAN Hanbing1, LI Dongke3

(1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;3. Chengnan College, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Based on the unsaturated seepage and unsaturated soil shear strength theory, the rainfall intensity was used as an variables. Numerical simulation of the volumetric water content changing process, effective stress field, displacement field and slope stability were studied in different conditions of antecedent rainfall intensity. The impact of the antecedent rainfall intensity on the properties and stability of unsaturated overburden slope was obtained. The results show that larger antecedent rainfall intensity leads to greater water content of the slope after the discriminate rainfall. The antecedent rainfall intensity plays a decisive role in the final water content of the slope. After the discriminate rainfall, the effective stress in the same position of the slope is inversely proportional to the intensity of the antecedent rainfall. The decrease of effective stress is small inside the slope but great at the bottom of the slope. The displacement at the bottom of slope is proportional to the rainfall intensity. After the discriminate rainfall, the slope safety factor decreases with the increase of antecedent rainfall intensity, the effect of rainfall on slope stability is mainly manifested as greater antecedent rainfall intensity leads to smaller initial safety factor of the slope.

antecedent rainfall; unsaturated soil; overburden slope; slope stability

TU457

A

1672?7207(2018)01?0238?09

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.030

2017?03?20；

2017?05?06

國家自然科學基金資助項目(56178073, 51678074, 51508040, 51508079)；湖南省重點研發計劃項目(2016SK2023)；湖南省教育廳優秀青年基金資助項目(17B013) (Projects(56178073, 51678074, 51508040, 51508079) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016SK2023) supported by Key Research and Development Plan of Hunan Province,; Project(17B013) supported by Outstanding Youth Foundation of Education Department in Hunan Province)

曾鈴，博士，講師，從事巖土工程、道路工程研究；E-mail:zlbingqing3@126.com