降雨條件下含軟弱夾層軟巖邊坡穩(wěn)定性變化

肖宇月，李安潤

（成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

隨著西南地區(qū)工程建設的大規(guī)模進行，紅層軟巖邊坡穩(wěn)定性的問題研究日漸成為亟待解決的工程難題之一，尤其是含軟弱夾層的紅層軟巖邊坡穩(wěn)定性問題更加棘手.由于軟巖具有明顯的崩解性和膨脹性以及顯著的軟化效應等特征，所以對降雨條件下含軟弱夾層軟巖[1]邊坡的穩(wěn)定性研究顯得尤為重要.近年來諸多學者已對紅層軟巖邊坡穩(wěn)定性開展了相關研究，周翠英[2]等對砂巖、泥巖及炭質泥巖等不同類型的典型軟巖進行了飽水狀態(tài)下的力學特性試驗，結果顯示軟巖力學強度隨著飽水時間的延長不斷降低，且在飽水6 個月時為力學強度趨于穩(wěn)定的臨界點；楊旭[3]等對紅層軟巖邊坡在強降雨條件下的失穩(wěn)模式進行了物理模型試驗研究，認為紅層軟巖邊坡的變形破壞受降雨模式的影響較大，且孔隙水壓力對邊坡破壞的響應更為敏感；蔣忠明[4]等通過FLAC3D軟件對軟巖邊坡在極端長期降雨條件下邊坡穩(wěn)定性進行了研究，發(fā)現(xiàn)長期降雨會導致軟巖邊坡淺表層出現(xiàn)大面積暫態(tài)飽和區(qū)，且坡腳會持續(xù)維持高水位狀態(tài)，降雨后期軟化效應對邊坡穩(wěn)定性起到控制作用；付宏淵[5]等人還認為降雨停止后，邊坡負孔隙水壓力的消散延緩了紅層軟巖邊坡的安全系數(shù)的持續(xù)降低過程.

現(xiàn)有研究集中于軟巖的力學強度參數(shù)、軟巖邊坡的失穩(wěn)破壞模[6-8]式以及降雨類型對軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響等方面，對于降雨條件下坡體結構對軟巖邊坡穩(wěn)定性影響的研究還較少.本文以云南楚雄地區(qū)九道河倒虹吸邊坡為研究對象，通過飽和-非飽和滲流理論，借助GEO-Studio 軟件，開展降雨條件下含軟弱夾層的軟巖邊坡穩(wěn)定性的研究，通過孔隙水壓力的變化來分析[9-10]邊坡滲流場的變化，進而分析邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化，從而找出降雨條件下含軟弱夾層軟巖邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律特征，以期為相似軟巖邊坡穩(wěn)定性的評價提供參考.

1 降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析方法

根據(jù)降雨條件下軟巖邊坡的實際情況，采用飽和-非飽和滲流計算理論，對設計降雨條件下的軟巖邊坡滲流場進行研究，得出降雨條件下邊坡內部孔隙水壓力的空間分布，通過GEO-Studio 軟件Slope/w 模塊對邊坡穩(wěn)定性進行計算.利用室內試驗所得的物理力學參數(shù)及滲透系數(shù)，對降雨條件下邊坡孔隙水壓力的變化進行計算，并結合孔隙水壓力的變化對降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律進行分析.

由于降雨條件下軟巖邊坡滲流場、飽和區(qū)和非飽和區(qū)是動態(tài)流動的關聯(lián)關系，所以將降雨條件下軟巖邊坡的滲流問題考慮為飽和-非飽和滲流問題，飽和-非飽和滲流數(shù)值分析中，巖土體的滲透系數(shù)根據(jù)土水特征曲線與基質吸力的相關曲線得出.根據(jù)達西定律，得出非恒定滲流計算公式為：

式中：h 為總水頭，kx為x 方向滲透系數(shù)，ky為y 方向滲透系數(shù)，mw為比水容重，ρw為水密度，g 為重力加速度，t為時間.

非恒定流有限元方程為：

式中：{Q} 為節(jié)點流量；[K]為單元特征矩陣；[M]為單元質量矩陣.

非恒定滲流分析初始條件為：

2 含軟弱夾層軟巖邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 九道河倒虹吸邊坡工程概況

九道河倒虹吸邊坡位于滇中引水工程線路K114+056～K114+174 段，前緣高程為1 820 m，后緣高程1 910 m.地形坡度較陡，坡體以砂巖為主夾泥巖，巖層傾向坡外，全強風化層厚（8～40）m，巖層產(chǎn)狀290°∠40°，由于風化強度較高，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體透水性好.

2.2 計算模型與邊界條件

以九道河倒虹吸邊坡為計算原型，建立數(shù)值模擬模型，長120 m、高80 m，模型劃分網(wǎng)格單元2 486個.坡體材料選擇遵循摩爾-庫倫屈服準則的彈塑性本構模型，計算力學參數(shù)根據(jù)室內試驗及工程經(jīng)驗綜合取值（表1）.

表1 巖土體物理力學參數(shù)表

根據(jù)云南楚雄地區(qū)近10 a以來最大20 d降雨量為1 135.8 mm，單位降雨強度q=6.57×10-7m/s，降雨歷時20 d，雨后10 d，總計算時長30 d，單位步長為1 d 這一條件，模型選取泥巖軟弱夾層、坡頂以及夾層上方坡表等3 處進行監(jiān)測，結合地形根據(jù)幾何相似和滲流等效原理得到3 點坐標分別為（25，72）、（50，60）、（76，35），如圖1所示.

圖1 數(shù)值計算模型圖

2.3 孔隙水壓力變化情況分析

對降雨條件下含軟弱夾層軟巖邊坡滲流場計算結果如下：降雨開始后，邊坡坡體內部孔隙水壓力大小及分布發(fā)生明顯的變化，圖2 為降雨第5 d 時孔隙水壓力分布云圖.從圖中可以看出，降雨條件下邊坡滲流場變化明顯，主要發(fā)生于坡體表部及軟弱夾層，降雨5 d后入滲深度約為（5～10）m，軟弱夾層前緣孔隙水壓力較大，且孔隙水壓力等值線“內凹”.降雨導致邊坡表層非飽和區(qū)基質吸力降低，負孔隙水壓力逐漸減小并轉變?yōu)檎?隨著降雨的持續(xù)進行，滲流場變化范圍逐漸增大.

圖2 降雨第5 d孔隙水壓力云圖

降雨15 d后，邊坡滲流場變化更加明顯，降雨入滲影響深度范圍增加至（10～15）m，軟弱夾層前緣孔隙水壓力進一步增大，且孔隙水壓力等值線在軟弱夾層前緣“內凹”現(xiàn)象更加明顯（如圖3）.降雨導致邊坡表面非飽和區(qū)范圍逐漸減小，飽和區(qū)域逐漸增加，負孔隙水壓力在坡體的分布范圍逐漸減小，且轉變?yōu)轱柡蜖顟B(tài).降雨第20 d 結束后，邊坡坡體內部孔隙水壓力開始逐漸降低，基質吸力緩慢增加，飽和區(qū)范圍逐漸縮小，直至完全消失，軟弱夾層前緣存在孔隙水壓力降低滯后現(xiàn)象.

圖3 降雨第15 d孔隙水壓力云圖

由孔隙水壓力監(jiān)測點監(jiān)測結果5 d 及15 d 的孔隙水壓力云圖可知：（1）隨著降雨過程的持續(xù)進行，在降雨初始階段孔隙水壓力劇增，負孔隙水壓力具有陡然降低的現(xiàn)象；（2）降雨初期，監(jiān)測點1、2、3 處的負孔隙水壓力值，分別從初始狀態(tài)下的-127 kPa、-331 kPa、-340 kPa 降 低 為-109 kPa、-116 kPa、-114 kPa，如圖4 所示；（3）隨著降雨進程的進行，各監(jiān)測點處孔隙水壓力不斷增加，負孔隙水壓力逐漸降低，但變化幅度較緩；（4）降雨至第20 d 時監(jiān)測點1、2 的負孔隙水壓力分別達到最低值-57 kPa和-20 kPa，監(jiān)測點3 的負孔隙水壓力值卻仍在降低，直至第23 d時達到最低負孔隙水壓力值-1 kPa，而后隨著降雨停止，孔隙水壓力消散，負孔隙水壓力逐漸增加；（5）在整個降雨過程中，監(jiān)測點3 的負孔隙水壓力降低幅度最大，且相對于監(jiān)測點1 和2，負孔隙水壓力變化有滯后效應，這與坡體含有軟弱夾層的坡體結構有關.

圖4 孔隙水壓力監(jiān)測結果圖

2.4 邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

通過對降雨條件下含軟弱夾層軟巖邊坡穩(wěn)定性計算（圖5）可知：①降雨過程中邊坡穩(wěn)定性系數(shù)整體呈先降低后增加的趨勢，降雨階段隨著降雨的進行，穩(wěn)定性系數(shù)顯著降低，從第1 d 至第20 d 穩(wěn)定性系數(shù)從初始的1.482 降至最低的1.044；②降雨過程中穩(wěn)定性系數(shù)降低變化較為均勻，在停止降雨后穩(wěn)定性系數(shù)并沒有立即停止降低，而是在第23 d 時到達最低值1.022；③降雨停止后，第24 d 時穩(wěn)定性系數(shù)開始緩慢上升，并在第30 d 時達到最大值1.161；④軟巖邊坡經(jīng)歷降雨過程后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.161，較初始穩(wěn)定性系數(shù)1.482有顯著降低.

圖5 穩(wěn)定性系數(shù)變化圖

以上現(xiàn)象說明：（1）降雨過程中，軟巖邊坡的非飽和區(qū)逐漸轉變?yōu)轱柡蛥^(qū)，且飽和區(qū)內孔隙水壓力增加，坡體自重也由于降雨的影響增加，加之雨水對軟巖的軟化作用，導致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低；（2）降雨結束后由于飽和區(qū)雨水繼續(xù)入滲，同時受重力作用匯集于坡體前緣，且軟弱夾層由于飽水性良好，使得坡體內部的孔隙水壓力并沒有立即降低，而是匯集于軟弱夾層前緣，對軟弱夾層起到了軟化作用，從而導致坡體抗剪強度降低，穩(wěn)定性系數(shù)繼續(xù)下降；（3）由于降雨停止部分雨水由坡表排出，且孔隙水壓力逐漸消散，使得邊坡自重減輕的同時軟巖軟化效應也降低，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸上升，由于邊坡受雨水浸泡作用軟巖軟化導致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不能恢復至初始狀態(tài)；（4）每次降雨過程后會導致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)出不同程度的降低，累積多次降雨對軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響會導致軟巖邊坡達到某個臨界值，并最終發(fā)生失穩(wěn)破壞.

2.5 降雨對邊坡穩(wěn)定性影響機理分析

降雨條件下軟巖邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生變化主要受兩方面的影響：一方面由于降雨入滲對坡體產(chǎn)生物理力學作用，改變了巖土體內部的應力環(huán)境及細觀結構，導致力學強度參數(shù)降低；另一方面由于雨水入滲與坡體組成物質發(fā)生化學作用，軟化坡體，從而影響軟巖邊坡穩(wěn)定性.

泥巖及泥質粉砂巖主要成分中包含有高嶺石、伊利石和蒙脫石等.泥巖內的高嶺石為薄片狀晶體顆粒，存在“點-面”及“面-面”接觸兩種類型；降雨入滲后，雨水首先進入坡體內部，破壞顆粒間的膠結連接，使得顆粒在層間發(fā)生錯動，在宏觀上就表現(xiàn)出軟化現(xiàn)象；同時，由于泥巖內部空間結構的改變，產(chǎn)生不均勻力，導致泥巖內部結構改變，對外表現(xiàn)出崩解特征；此外水進入巖體后還會溶解巖體中的可溶性成分，進一步改變巖體內部結構.

因此，降雨對軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響機理為：降雨入滲-坡體重度增加-巖體內部產(chǎn)生物理化學作用-巖體內部結構變化、物理力學強度參數(shù)改變-巖體軟化-軟巖邊坡穩(wěn)定性變化.

3 結論

本文通過數(shù)值模擬手段展開降雨條件對含軟弱夾層的軟巖邊坡穩(wěn)定性影響的分析，以九道河倒虹吸邊坡為研究對象，提出了一種既考慮滲流場變化、又考慮軟巖邊坡軟化效應的邊坡穩(wěn)定性計算方法，得出結論如下：

（1）降雨開始后孔隙水壓力在初始階段陡然劇增，而后逐漸緩慢增加，負孔隙水壓力逐漸降低，邊坡非飽和區(qū)逐漸轉變?yōu)轱柡蛥^(qū)；降雨停止后坡體表部監(jiān)測點1 和2 負孔隙水壓力分別達到最低值-57 kPa 和-20 kPa，但軟弱夾層前緣監(jiān)測點3 負孔隙水壓力并沒有立即降低，具有一定的滯后性，直至23 d時達到最低負孔隙水壓力值-1 kPa；而后孔隙水壓力逐漸消散，負孔隙水壓力逐漸增加.

（2）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨過程的進行逐漸降低而后增加，降雨停止后穩(wěn)定性系數(shù)并沒有立即停止降低，穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.022；降雨過程結束后，穩(wěn)定性系數(shù)1.161 較初始穩(wěn)定性系數(shù)1.482 有明顯的降低.

（3）降雨對軟巖邊坡穩(wěn)定性影響機理為：降雨入滲-雨水進入坡體自重增加-雨水進入巖體內部改變顆粒空間分布-雨水將巖體中可溶性組分溶解帶走-邊坡物理力學強度降低、巖體軟化-邊坡穩(wěn)定性降低.