降雨條件下含裂縫的邊坡數值模擬分析

李全文，常金源，，徐文剛，楊 成

(1.紹興文理學院，浙江 紹興 312000；2.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012；3.華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

降雨型滑坡的特點與降雨過程聯系密切，而降雨過程中雨水的入滲和在坡體中的滲流是決定滑坡穩定性的主要因素。對于降雨敏感的滑坡，水在邊坡穩定性評價中具有關鍵性的作用。水會使得組成邊坡的巖土體物理力學指標弱化。這種弱化現象由兩部分組成，一是改變巖土體的力學性質，如c、φ值的降低，二是改變了巖土體的力學狀態，如孔隙水壓力(u)的增高降低了有效應力(σ′)的水平。

對于均質完整的土質斜坡，雨水入滲和坡體內滲流均通過斜坡表面的非飽和、飽和滲流完成。如果由于土質斜坡的不均勻變形，在坡表出現了拉張裂縫，因為裂縫可以看作比組成坡體的土體滲透系數大很多倍的“物質”[1]，則雨水入滲會優先沿著這些后天生成的裂縫形成集中的滲流，這些裂縫成為了優勢入滲通道。此時降雨入滲將表現出裂隙流和表面滲流的雙重特點。

我國東南沿海丘陵地區，坡體表層由于風化作用，多形成松散堆積的殘坡積層，在降雨影響下多形成淺層滑坡。此類滑坡的深長比小，分析時常將其作為無限平面滑動型滑坡來研究。如Skempton等[2]建立了平行于坡表的無限邊坡模型，并求取了邊坡的穩定性安全系數(Fs)表達式；Pradel等[3]將南加利福尼亞作為研究區域，研究了均質邊坡在長歷時、高強度降雨條件下的淺層滑坡現象，建立了無限平面滑動型邊坡模型。本文即以此類型滑坡作為研究對象，建立無限平面滑動型滑坡模型，進而分析評價降雨過程中裂縫對滑坡穩定性的影響。

1 基本原理

1.1 表面入滲的一般過程

1.2 裂隙入滲

降雨過程中，地表徑流灌入滑坡后緣裂隙，裂隙中產生靜水壓力作用。裂隙滲流屬于有壓入滲，初始入滲壓力遠遠大于表面入滲，因此，其擴展范圍也就較之增大。

表1 土性參數[7]

圖1 積水入滲時含水率的變化情況

軟件中可以用總水頭邊界條件來模擬裂縫入滲的情況。總水頭由壓力水頭和高程組成，其中高程代表重力分量，數學表達式如式(1)所示[5]。由于裂隙表面的水壓力由上到下呈靜水壓力狀態分布，因此用總水頭邊界用來模擬裂隙中存水時的滲流情況是合適的。與此相對應的是坡面入滲選擇壓力水頭邊界，兩者之間的差異如圖2所示。

圖2 總水頭邊界和壓力水頭邊界比較

(1)

式中，H—總水頭，m；u—孔隙水壓力，kPa；rw—水的容重，kN/m3；he—高程，m；u/rw—壓力水頭，采用長度單位，m。

2 土性參數與模型設計

2.1 土性參數

模型采用粉土，其土性參數見表1，土水特征曲線(Van Genuchen擬合方程[6])和非飽和滲透系數曲線分別如圖3、圖4所示。坡體為均質，考慮較潮濕的環境，其基質吸力設為-10kPa。

圖3 粉土土水特征曲線

圖4 粉土非飽和滲透系數

2.2 模型設計

裂隙的存在可以大大擴展飽和帶的范圍。因此為了解存在裂隙情況下的邊坡降雨入滲和滲流過程，設計數值模型如圖5所示。裂隙入滲邊界根據裂隙的高度設置總水頭(head)壓力，如左邊裂隙的最高點為(8，10.5)(單位m，下同)，則在裂隙上施加10.5m總水頭邊界，而右邊裂隙相應施加8m總水頭邊界，從而保證裂隙中的水柱由上到下為靜水壓力狀態。

圖5 邊坡模型

2.3 僅考慮裂縫

(1)不存在地下水位

存在這樣一種情況，短歷時、高強度的降雨往往使坡表有限深度范圍內的土體發生飽和，但是形成的坡表徑流會匯集在坡體內的裂縫中，沿裂縫向兩邊滲流，模擬結果如圖6所示。在不存在地下水位的情況下，飽和帶沿裂縫向兩邊擴展，且順坡向擴展范圍較大。飽和帶的擴展一方面增加了坡體的自重，另一方面也降低了底部土體的強度，這兩者均會使坡體的Fs降低。

可以分別計算不同時間下坡體的Fs值，如圖6(c)所示。由圖可以明顯看出，曲線呈曲折狀，特別是5hr左右的時候Fs下降迅速，原因是由于中部裂隙的飽和帶擴展到土巖界面，造成底部土體強度降低。經過24hr的滲流，坡體Fs由原來的2.795變為2.378，降低了0.417。這只是考慮裂隙滲流的情況，并未考慮降雨和由于裂隙的存在造成坡體結構的不連續。由于模型為有限元模型，故無法考慮裂隙的張開情況，同時由于軟件自身功能的限制，無法在裂隙上施加靜水壓力的作用。以上的兩個限制，造成計算得到的坡體Fs應該比實際情況要高。

圖6

(2)存在地下水位

有地下水位的情況，飽和帶的擴展和不存在地下水位的情況有著明顯的差別。前者飽和帶邊界近似一個金字塔形，兩邊為與地下水位線相切的下凹曲線，沿坡向擴展半徑較大，主要使地下水位抬升；后者類似紡錘形的上半段，頂部平滑，兩邊曲線為上凸曲線，擴展半徑小于前者。這也反映了兩種不同邊界條件下的滲流結果。地下水位的抬升將會使滑面處的孔隙水壓力增大，降低了滑帶的有效應力，使得坡體的抗滑力下降。存在地下水位的情況Fs隨時間變化情況如圖7(c)所示。

圖7

2.4 降雨條件下存在裂縫的情況

如圖8所示，考慮存在地下水位。12hr時，裂縫兩邊的地下水位顯著抬升，裂隙底部土體中形成較大的孔隙水壓力集中，這會使得導致土體有效應力降低，從而減弱坡體的抗滑性能。在坡體表面形成大約0.3～0.4m厚的飽和帶，如圖8所示(圖中飽和水位線的位置與模型網格劃分的大小有關，網格劃分越小，水位線的位置表現的越精細)，已經與中部裂縫形成的飽和帶貫通。

圖8 降雨和裂縫條件下模擬結果圖

18h時，地表飽和帶已經達到約0.8m深度，與兩裂縫飽和帶大范圍貫通，在斷面上非飽和帶面積逐步減小，飽和帶的面積接近斷面總面積的一半，坡體的重量繼續增加，Fs不斷下降。

降雨一天時間，在兩裂縫周邊形成寬廣的飽和帶，斷面上飽和帶面積已經超過三分之二，與此同時，裂縫下部的孔隙水壓力集中帶的面積也逐漸擴展，最大孔隙水壓力繼續增加。由邊坡Fs圖8(c)可知，在20h以后，Fs下降率有較大的增加，原因可能就是滑帶底部孔隙水壓力值增大，造成土體的有效應力減小。

3 結論

文章以淺層滑坡為研究對象，建立了均質等厚斜坡模型，對不同情況開展了數值模擬研究。結果表明，裂隙作為優勢入滲通道，使得降雨能快速滲入到滑面位置，或者與地下水接觸，提高了滑面處的有效應力，降低了邊坡的穩定性。具體結論如下：

(1)隨降雨時間的增長，坡體穩定性Fs逐漸降低，在相同降雨條件下，存在地下水位的情況Fs下降更低。

(2)當有裂縫存在時，入滲由表面無壓入滲變為裂隙周邊的有壓入滲，初始壓力水頭的存在使得入滲飽和帶的面積擴展要快于表面無壓入滲，也即，裂隙入滲的影響范圍要大于同等條件下表面降雨入滲的影響范圍。這也就是工程中需要設置截水溝等排水設施以盡量避免坡體裂縫積水的一個原因。