降雨作用下蠕滑邊坡滲流場與位移場的響應分析

楊 堅

(肇慶市建設工程質量檢測站，廣東 肇慶526020)

本文基于飽和-非飽和土滲流控制理論，Geostudio軟件中SLOPE/W、SEEP/W和SIGMA/W模塊相耦合，對湖南湘西地區某高速公路蠕滑邊坡進行降雨入滲條件下邊坡的飽和-非飽和穩態、瞬態滲流場與應力場的耦合分析，從孔隙水壓力、安全系數、位移時程等角度綜合分析降雨強度、降雨持時、雨型等不同降雨特性對蠕滑邊坡的變形破壞影響。

1 某蠕滑邊坡概況

所選蠕滑邊坡地處湖南湘西武陵山區，原始地貌單元屬構造剝蝕山體，山間沖溝相間，地形起伏較大，邊坡高程介于340～380 m，為殘坡積堆積體形成的山前坡積裙。高程380 m以上為山體，自然坡度約45°，坡腳邊坡坡度25°～35°，坡積裙前緣為相對較開闊的山前沖洪積平原。

根據鉆孔資料，邊坡體由第四系全新統殘坡積堆積體和志留系中統青灰色強、中風化炭質頁巖組成。上覆第四系全新統坡殘積堆積體組成物質以坡殘積粉質黏土為主，偶夾碎石，呈可塑～硬塑狀態，無搖振反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等，含少量礫石，厚7～9 m。下伏志留系中統炭質頁巖巖層產狀40°～45°，巖層傾向與坡向平行，為順向坡。分為強風化炭質頁巖和中風化炭質頁巖。地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水(潛水)和基巖裂隙水(潛水)，其中孔隙水賦存于第四系松散覆蓋層中，孔隙水穩定埋深為1.60～4.70 m。巖土體物理力學參數如表1所示。

經現場調查該邊坡處于蠕滑狀態，蠕滑方向基本垂直路基，后緣已產生十幾米長的拉裂縫，沿坡體也出現數條拉裂縫，但該邊坡尚未整體性滑動。目前，該邊坡正前方為在建高速公路，一旦發生整體性失穩，將嚴重影響高速公路正常施工和現場施工人員的生命安全。

根據地形等高線和推測的滑動面位置，可獲得該邊坡主滑方向的剖面(見圖1)。從現有變形情況看，在強降雨情況下，坡體前部必然出現更大變形，牽引后部坡體產生階梯滑移，從而導致整個坡體失穩。

2 飽和-非飽和土滲流理論與穩定性分析方法

由于上覆堆積體主要成分為粉質黏土夾碎石，地下水位處于坡面下2～4 m處，地下水埋深較淺，非飽和土和飽和土中地下水的運動是相互聯系的，可按飽和-非飽和土滲流問題分析強降雨條件下該邊坡體的孔隙水壓力響應規律及其穩定性。

2.1 飽和-非飽和滲流控制方程

2.1.1 土-水特征曲線

根據室內試驗結果，選擇飽和體積含水量為45%的粉質黏土的樣本函數作為估算單位體積含水量函數即土-水特征曲線(見圖2)。

2.1.2 飽和-非飽和滲流控制方程

可根據達西定律與質量守恒定律(連續性方程)推導出飽和-非飽和土中水滲流的控制方程:

表1 巖土體物理力學參數

圖1 邊坡剖面

圖2 粉質黏土土-水特征曲線

非恒定流有限元方程為:

式中，[K]為單元特征矩陣；[M]為單元質量矩陣；｛Q｝為節點流量向量。

求解的邊界條件如下:

式中，H為已知水頭邊界；Q2為流量邊界。

初始條件為:

本文選用滲透系數預測模型作為粉質黏土滲透系數預測模型，其控制方程為:

式中，kw與ks分別為計算的滲透系數函數和已測的飽和滲透系數(m/s)；θ為體積含水量；e=2.718；y為虛擬積分變量，是負孔壓的函數；i=j～N，介于最小、最大負孔壓力；ψ對應的基質吸力插值；θ’為體積含水量的一階導數。

根據滲透試驗結果，選取粉質黏土飽和滲透系數為5.7×10-6c m/s(0.005 m/d)，預測滲透系數曲線如圖3所示。

圖3 滲透系數預測曲線

2.2 飽和-非飽和抗剪強度理論

Fredlund等[1]在庫倫飽和土抗剪強度公式基礎上，提出了非飽和土抗剪強度公式，如式(7)所示。

式中，τf為抗剪強度；c’為有效黏聚力；σ為正應力；φ’為有效內摩擦角；uw為孔隙水壓力；ua為孔隙氣壓力，實際工程中可取孔隙氣壓力為大氣壓力，即ua=0；φb為基質吸力增加引起抗剪強度增加的曲線的傾角。

2.3 穩定性分析法

基于巖土體抗剪強度參數和滲流計算結果可進行極限平衡法或有限元強度折減法的邊坡穩定性計算。本文中使用瑞典條分法Morgenstern-Price法，既考慮了力平衡，又考慮了力矩平衡；在建立極限平衡方程時，同時考慮土條間的法向力和切向力，建立反映二者關系的條間力函數X=Eλf(x)。該方法適用于計算包括圓弧滑裂面在內的任意滑裂面。

3 數值模擬

3.1 建立模型

根據該邊坡地質勘察報告。利用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊建立有限元模型，采用四邊形&三角形單元劃分網格，模型中共設3個監測點，其中節點92位于邊坡后緣，節點1114位于中部，節點1963位于前緣。離散后的模型、監測點及地下水位如圖4所示。

圖4 模型建立與網格劃分

1)邊界條件 滲流邊界:計算模型左、右兩側與底邊為不透水邊界，滲流量為0；坡面為流量邊界，流量大小為降雨強度，根據相應的工況設置。應力邊界:計算模型左右邊界為豎直方向自由，水平方向固定；底邊水平和豎直方向均固定。

2)工況設計 根據中國氣象局24 h降雨強度，結合湘西地區的降雨資料，按中雨(20mm/d)、大雨(40mm/d)、暴雨(80mm/d)和大暴雨(160mm/d)，設計4種降雨工況對該邊坡進行數值分析。

3.2 結果分析

3.2.1 穩定降雨強度下滲流場

工況I:降雨強度為160mm/d(大暴雨)，持時1，3，5，7 d。由孔隙水壓力云圖及滲流矢量圖可知，隨著強降雨進行，該邊坡地下水位線逐漸上升，孔隙水壓力逐漸增加，坡體非飽和區逐漸縮小，隨著降雨持時的增加，局部達到飽和狀態。

各監測點在降雨過程中，孔隙水壓力隨著降雨持時的增加而增加。位于前緣的監測點1963，在約4.3 d時孔隙水壓力從負值增加到0，說明此時前緣地下水位線已經抬升到該監測點，隨著降雨的持續，該點的孔隙水壓力也繼續增大。位于中部的監測點1114，孔隙水壓力在3.0～3.6 d期間急劇增加，說明此間地下水位急劇上升，在約3.2 d時從負值增加到0，在約3.6 d后孔隙水壓力隨著持時的增加而緩慢增加。位于后緣的監測點92，孔隙水壓力在0～0.5 d期間急劇增加，說明這期間地下水位急劇上升，約0.2 d時從負值增加到0，0.5 d以后隨著降雨的持續而逐漸達到最大值，此時邊坡該點處已達到飽和狀態。從整體來看，孔隙水壓力先快速增加后逐漸變緩(見圖5)，說明在邊坡處于非飽和狀態時，入滲速率較快，接近飽和時，雨水的入滲變得困難，這是由于滲透系數隨著含水量的增加而逐漸減小的原因。

圖5 監測點孔隙水壓力曲線

3.2.2 不同降雨強度下孔隙水壓力與變形響應

工況I I分別模擬降雨強度20mm/d持時8 d(中雨)、160mm/d持時1 d(大暴雨)的降雨過程。

從圖6可知，當降雨總量為160mm時，3個監測點的孔隙水壓力在不同降雨條件下的變化趨勢基本一致。以監測點1963為例，持時1 d，降雨強度為160mm/d的孔隙水壓力增長約2 kPa，增長速率大于降雨強度為20mm/d的孔隙水壓力增長速率，最大孔隙水壓力約-7 kPa。但降雨強度為20mm/d的孔隙水壓力在隨后的幾天內持續增長，到第8 d時，孔隙水壓力增大到約3.5 kPa，由負值變為正值，說明地下水位從該點以下上漲到該點以上。由此可以看出，低強度、長持時降雨，雨水能夠充分滲入地下，使地下水位抬升較高，孔隙水壓力增加的較多。由此可知，在降雨量相同的情況下，低強度、長持時降雨比高強度、短持時降雨對邊坡的孔隙水壓力影響更大。

圖6 監測點1963的孔隙水壓力曲線

3.2.3 瞬變降雨強度下孔隙水壓力與變形響應

工況III為降雨強度隨時間周期性變化，即降雨從0.3 d開始，強度隨時間瞬時變化，到0.45 d增加到最大值600mm/d，每日降雨量可達160mm，相當于大暴雨，之后到0.65 d再減小至0，連續7 d。

從圖7可知，位于邊坡中部的監測點1114處的孔隙水壓力起初為負值，在降雨強度瞬時變化的前4 d，孔隙水壓力持續增加，并于約第4.4d增加至0，說明地下水位隨著降雨的入滲持續上升到達該監測點；之后孔隙水壓力隨著每天瞬時降雨強度的增大而急劇增加，之后隨著降雨的結束而逐漸減小，直到下一天降雨的來臨，其變化稍滯后于降雨時間，孔隙水壓力總體上是增加的，說明滲流量小于降雨強度。監測點92由于位于地下水位附近，當地下水位超過該點埋深并到達地表時，該點的孔隙水壓力隨降雨的變化而周期性變化，變化稍滯后于降雨時間，說明此處邊坡已達到飽和狀態。由于雨水向下滲流，監測點1963的孔隙水壓力隨著降雨的變化持續增加。

圖7 監測點孔隙水壓力變化曲線

由圖8可知，該邊坡的位移隨著降雨的周期性變化而增加，邊坡前端位移最大，可達33mm，向邊坡上部位移逐漸變小，邊坡前緣牽引中后部向下位移，由此可知，此邊坡隨著降雨的入滲將發生牽引式滑坡。

圖8 降雨后邊坡位移等值線與矢量圖

3.2.4 強降雨后孔隙水壓力響應

工況I V為降雨強度160mm/d持時1 d，分析降雨后15 d內的孔隙水壓力響應與穩定性。

圖9顯示了降雨1 d后15 d監測點孔隙水壓力變化，從中可以看出降雨強度為160mm/d持時1 d停止后，監測點1114和1963孔隙水壓力隨著雨水的入滲仍舊緩慢增加，直到最大值；而監測點92位于邊坡最上部，雨水從上向下滲流，孔隙水壓力隨著降雨的結束開始減小。降雨過程中，邊坡安全系數快速降低，降雨結束后，隨著雨水的入滲安全系數繼續降低，但降低的幅度變緩，逐漸趨于穩定。因此，降雨結束后一段時間內，邊坡的孔隙水壓力隨著降雨的入滲繼續增加直至穩定狀態，安全系數則隨之降低到穩定值；這說明降雨效應具有一定的滯后性，滑坡往往也發生在強降雨結束之后。

圖9 監測點孔隙水壓力變化曲線

4 結語

通過對湘西典型堆積層蠕滑邊坡進行調查研究，分析降雨作用下蠕滑邊坡的滲流場與位移場的變化，主要表現在孔隙水壓力與邊坡位移的變化。

1)降雨強度不變時，隨著降雨持時的增加，邊坡孔隙水壓力增加。降雨量不變時，低強度、長持時降雨比高強度、短持時降雨對堆積層邊坡的影響大，更不利于邊坡的穩定。

2)降雨強度隨時間瞬時變化時，邊坡孔隙水壓力隨降雨強度的變化而變化，總體呈上升趨勢，從非飽和狀態逐漸變為飽和狀態，安全系數隨降雨強度的變化呈階梯性降低。

3)降雨結束后一段時間內，邊坡的孔隙水壓力隨著降雨的入滲繼續增加直至穩定狀態。這說明降雨效應具有一定的滯后性，往往滑坡也就發生在低強度、長持時降雨后期或結束之后，或強降雨結束之后。

4)降雨作用下該類蠕滑邊坡前緣位移大于中后部位移，往往發生牽引式滑坡。