降雨條件下棄渣場邊坡暫態飽和區分布及穩定性

張晉梅 張震 李家春

摘要：為了研究棄渣場邊坡在降雨條件下的失穩機理，以貴州省道真縣至甕安市高速公路路邊某棄渣場邊坡為研究對象，利用GEO-Studio中的SEEP/W模塊，在室內試驗基礎上研究了棄渣場邊坡在降雨條件下暫態飽和區的分布規律，并利用SLOPE/W模塊研究了暫態飽和區分布與邊坡穩定性之間的聯系。結果表明：① 降雨對棄渣場邊坡穩定性的影響在降雨停止之后依舊會持續很長一段時間，這段時間安全系數會持續降低并最終達到最小值。② 坡面暫態飽和區從開始形成到坡面坡頂全部飽和只需要很短的一段時間，這段時間也是邊坡安全系數下降速度最快的時間段;坡面暫態飽和區形成以后，降雨對邊坡穩定性的影響顯著降低。

關 鍵 詞：

棄渣場邊坡; 暫態飽和區; 邊坡穩定性; 非飽和土; 基質吸力

中圖法分類號： U417.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.026

隧道開挖等工程會產出大量的棄渣，其主要由松散土、碎石等組成。大孔隙、非飽和是棄渣的主要特點，其具有殘積層的滲透性質，同時由于其壓實度不夠，導致其強度較低，容易發生滑坡泥石流等災害。最為大眾所熟知的棄渣場滑坡災害就是發生在2015年12月的深圳光明新區棄渣場滑坡災害，滑坡共造成4人死亡，76人失聯。棄渣場滑坡的危害程度之大在學術界已經形成共識，迄今為止已有不少學者對此開展了研究。吳謙等[1]對某棄渣場進行了研究，分析了邊坡穩定系數對參數的敏感性，并借助Monte Carlo算法對其穩定性可靠度進行了研究。李葉鑫[2]采用主成分分析方法，分析了不同堆積時間下的棄渣場入滲特征。吳偉東等[3]建立基于（PPC）模型的風險評價體系，結合貴昆線鐵路10座棄渣場研究發現棄渣場邊坡條件和地形與地基條件兩個維度對棄渣場的綜合風險影響最大。孫朝燚等[4]為了研究坡體走向對邊坡穩定性的影響，針對某核電廠棄渣場，通過現場地質調查和區域劃分研究了棄渣場邊坡的走向夾角對其潛在破壞機制的影響。聶超等[5]結合前期勘察資料模擬研究了不同降雨條件下地下水位等值線分布狀態，并對不同降雨條件下高填方邊坡變形特征進行研究分析，得出不同降雨條件下的滲流場分布情況以及相對應的變形規律。高飛等[6]以某棄渣場設計為背景，通過創建三角網體積曲面探討了AutoCAD Civil 3D在棄渣場水土保持工程設計中應用的主要優點，以及該軟件在水土保持工程設計中的應用前景。

本文在前人研究的基礎上對棄渣場邊坡降雨條件下暫態飽和區發生發展規律進行了分析研究，并將其發展規律與棄渣場邊坡安全系數的變化結合起來進行了綜合分析。研究得到了該類型棄渣場邊坡暫態飽和區發展規律以及與邊坡穩定性之間的聯系，可為棄渣場的選址、坡面排水設施的設計施工、邊坡穩定性監測等工程提供參考。

1 數值分析理論

基于達西定律的二維有限元方程為[7]

ΚH+MH=Q（1）

式中：[K]為單元特征矩陣;{H}為節點水頭向量;[M]為單元質量矩陣;{Q}為節點流量向量。

1980年Van Genuchten[8]基于大量試驗提出了VG統計模型，如式（2）和式（3）所示。

θ=θr+θs-θr1+ψanm（2）

式中：θ為體積含水率;θs為飽和體積含水率;θr為殘余體積含水率;ψ為基質吸力;a，m，n為擬合參數。

kr=1-ψan-11+ψan-m21+ψanm2（3）

式中：kr為相對滲透系數;由于忽略了孔隙氣壓的影響即ua=0，所以-p=u即為基質吸力;ψ為基質吸力;a，m，n為擬合參數。

本文采用VG模型擬合試驗數據的方法得到滲流過程中基質吸力和體積含水率以及滲透系數的關系。同時采用極限平衡法對邊坡的穩定性進行分析，利用靜力力學平衡和土的Mohr-Coulomb破壞準則對土體穩定性進行分析判斷，即通過分析極限狀態下坡體的穩定性得到坡體的安全系數[9]。采用經典的Bishop法進行穩定性分析。

2 項目概況

本文研究點地貌類型為構造侵蝕溶蝕低中山地貌，坡度多在30°～50°，坡體上部坡度60°～80°，懸崖峭壁遍布并伴有崩塌堆積體（見圖1）。坡面多堆積，坡腳一般有沖刷能力較強的溪流流過。巖性主要為二疊系灰巖及志留系泥巖及泥灰巖等，少量奧陶系的泥巖、頁巖及灰巖。其中位于二疊系地層段的巖溶地貌發育，溶溝、溶槽較發育。主體山脈大致呈東西走向。整體地勢西高東低，最高海拔高程807.5 m，最低海拔高程767.0 m，相對高差40.5 m。

棄渣體地層出露主要為揚子一級地層區，路線走廊帶出露的地層有第四系、二疊系、志留系、奧陶系、寒武系等。巖性以灰巖、白云巖為主夾少量泥巖、頁巖。棄渣體所處屬亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 071.8 mm。

綜上所述，基巖為相對穩定的灰巖組成，且坡度較陡;同時，考慮到其降雨量充沛，應重點考慮降雨對其穩定性的影響，故而，在現場勘察的基礎上切取圖2所示棄渣體的剖面，建立二維數值分析模型。

3 計算參數與方案設計

為了對邊坡孔隙水壓力、暫態飽和區以及棄渣體穩定性進行分析，利用簡單高效的地質工程通用仿真軟件GEO-Studio中的SEEP/W模塊建立如圖2所示計算模型。SEEP/W模塊是一款分析多孔透水材料中的地下水滲流以及孔隙水壓力分布狀態等問題的數值分析軟件，對飽和非飽和問題中考慮歷時的研究尤其出色。為了分析不同時刻不同深度孔隙水壓力分布情況，取x=50 m處斷面孔壓進行分析。

模型邊界條件：兩側按零流量邊界處理，底邊按不透水邊界處理，地下水水頭設置為零。而上邊界由于降雨入滲的復雜性，需要將入滲分為2種情況[10]：① 降雨強度小于邊坡入滲能力，此時降落到坡面的雨水全部滲入，按流量邊界考慮，而當降雨強度大于邊坡入滲能力時，坡面形成積水，此時應按壓力邊界處理。實際情況下單位流量大小隨歷時改變，為了控制降雨雨型等因素對暫態飽和區分布的影響，本文參考當地6月降雨數據，設置強度大小為0.052 m/h的均勻降雨邊界，此數值大于棄渣飽和滲透系數0.022 m/h。降雨歷時5 h，計算總時長12 d。

棄渣體土水特征曲線采用試驗數據點進行擬合得到，具體方法是將壓力板儀產生的吸力數據導入SEEP/W模塊的材料定義界面中，并基于公式（2）、（3）提到的VG模型擬合得到。同理，滲透系數曲線采用VG模型在土水特征曲線的基礎上擬合生成如圖3所示曲線，橫坐標為對數坐標;圖4橫縱坐標都為對數坐標。

在降雨過程中為了分析邊坡穩定性與暫態飽和區之間的關系，需在暫態飽和區各個發展階段對其穩定性進行計算分析。通過室內大型直剪試驗確定材料力學參數如表1所列。考慮到擋土墻的整體性較好，且正常工作，所以在分析過程中賦予其較大的強度。

4 數據分析

4.1 棄渣場滲流分析

將降雨邊界施加到模型表面后，計算得到x=50 m斷面處體積含水率隨時間的分布，如圖5所示。降雨發生后，邊坡表面體積含水率并不是線性增大，而是以增幅逐漸降低的方式增大。在3 h后坡面體積含水率維持在0.18不再變化，此時地表棄渣土體達到飽和狀態。在5 h降雨停止后，到6 h坡面體積含水率依舊維持在0.18，表明隨著降雨的停止，坡面體積含水率并不會立馬開始下降。在y=16 m位置可以看到，由于土體性質的不同，在層面處體積含水率有一個較大的拐點。同時由于地下水的存在，使得在基巖部分y=18 m以下深度范圍，深度越大含水率越高，且是以幅度逐漸增大的趨勢增加。

當土體體積含水量達到飽和狀態的0.9時，即可認為此時棄渣體達到飽和狀態[11]。這對應于本文當棄渣體體積含水率達到0.16時，即可認為棄渣達到飽和狀態。如圖5虛線所示，在降雨停止約7 h（即計算12 h）坡面仍處于飽和狀態。由此得出結論：坡面暫態飽和區并不會隨著降雨的停止立刻開始消散。

圖6為x=50 m處孔隙水壓力隨深度的變化。在坡頂淺層部分變化規律與體積含水率相似，在降雨3 h后坡面即達到飽和狀態且孔壓不再增加。直到5 h，孔壓依舊維持不變，說明坡面積水深度不再增加，在積水達到一定深度即在坡面形成徑流沿著坡面往坡底流動。此徑流易對坡面產生沖刷，影響邊坡的穩定，所以應在坡頂設置截水溝等排水設施避免坡面被沖刷發生失穩。

5 h降雨停止后，孔壓開始逐漸下降，這是由于地表水的下滲所致。地表孔壓在降雨停止163 h后（7 d）依舊未恢復到降雨前水平，說明降雨對邊坡的影響是一個較漫長的過程。因此在對邊坡進行安全監測的時候，工作重心不能僅僅放在降雨期間，還要適當延長。

同時還可以發現隨著降雨的進行每個時間點的拐點也是在不斷向右邊偏移。這是因為深層土體逐漸受到降雨的影響，基質吸力開始逐漸消散，孔壓開始變大。通過該現象可以判斷出土體受降雨影響的深度，對應該棄渣場，降雨影響的深度約為20 m。

在坡頂棄渣填筑較淺部分，雨水很快入滲到層面位置，由于滲透系數的差異，雨水沿著層面往坡腳滲流。如果降雨時間延長到一定閾值，雨水會在層面位置匯集，降低層面位置土體強度并導致棄渣體沿著層面發生滑坡失穩。所以在對棄渣場進行選址時，在充分考慮基巖強度的同時，基巖透水性能指標也是一個值得考慮的因素。在該棄渣場已經填筑形成的情況下，應在擋土墻層面位置設置排水孔，疏導層間水流。

圖7（a）中，降雨1 h，此時坡面未達到飽和狀態，雨水全部入滲。圖7（b），降雨2 h，坡面飽和度開始逐漸增大，坡腳飽和度相對增大得更快，并在坡頂位置形成徑流（藍色虛線）。圖7（c），降雨3 h，坡面已經全部達到飽和狀態。圖7（d），降雨5 h，相對3 h時坡面暫態飽和區狀態，除了雨水持續入滲，坡面暫態飽和區分布不再發生變化。圖7（e），降雨停止20.5 h（即計算25.5 h后）坡頂暫態飽和區消散，緊接著26 h坡面暫態飽和區消散。

綜合以上分析筆者認為：

① 降雨發生期間，影響該棄渣場暫態飽和區分布的只是前3 h。在暫態飽和區穩定形成以后，降雨對暫態飽和區分布的影響顯著降低，此時因為坡面已經飽和并形成徑流。

② 降雨期間，飽和區從坡腳逐漸發展到坡頂，而降雨停止之后暫態飽和區的消散是從坡頂往坡腳逐漸消散。

4.2 棄渣場邊坡穩定性分析

棄渣場土體力學參數如表1所列，采用Bishop法對邊坡穩定性進行分析。在本次計算中考慮了基質吸力對邊坡抗剪強度τ的影響，如公式（5）所示[12]：

τ=c ′+σn-σatanφ′+ua-uwtanφb（5）

式中：τ為抗剪強度;c′有效凝聚力;φ′為有效內摩擦角;ua-uw為基質吸力，由于不考慮氣壓影響，所以-uw即為基質吸力;φb為基質吸力引起的內摩擦角，本文中φb的大小由土水特征曲線控制。

在對棄渣場穩定性進行分析的過程中，考慮到棄渣場基巖的穩定性很好，所以在進行棄渣場穩定性分析的過程中將基巖設置為不可滑動層。為了簡化計算，將擋土墻強度模型也設置為摩爾庫倫模型。考慮到隨著降雨類型以及降雨強度的不同，邊坡會表現出淺層局部以及深層整體兩種滑動類型，對棄渣體邊坡采用指定滑動面位置的方法分別從其局部以及整體兩個方面進行分析研究。即指定局部以及整體兩個滑面的大致范圍，由軟件在此范圍內分別自動搜索得到兩個最危險滑面，局部滑動面以及整體滑動面能夠代表降雨對淺層滑動以及深層滑動兩種滑動形態的影響程度。圖8為滑動面位置示意圖，為了研究暫態飽和區分布與邊坡穩定性之間的聯系，將暫態飽和區的發展劃分為：坡腳開始飽和階段、坡頂全飽和階段、坡頂消散階段、坡腳暫態飽和區消散4個階段。4個階段的時間節點分別對應2.0，3.0，25.5，26.0 h。

降雨對邊坡穩定性影響的方式主要有3種：① 降雨導致土質軟化，凝聚力c、內摩擦角φ降低;② 隨著降雨入滲，雨水填充土體內部孔隙，基質吸力降低，導致邊坡抗剪強度降低;③ 雨水滲入坡體，導致其自重增大，增大了下滑力，導致其穩定性降低[13]。

本文在前人研究的基礎上，將暫態飽和區發展分布規律與邊坡安全系數的變化建立聯系進行分析。

圖9的局部滑動面中：在降雨初期（0～2 h），邊坡安全系數幾乎以勻速降低。而在2～5 h，安全系數降低的幅度是逐漸減小的。在25.5，26.0 h分別為坡頂與坡面暫態飽和區消散的臨界時間點，從局部安全系數變化曲線來看，25.5，26.0 h時并未表現出明顯的數據突變。在192 h，在雨水長時間的入滲之后，棄渣體邊坡安全系數開始恢復。

分析認為：0～2 h時，由于坡面未飽和，所以此時的降雨全部滲入土體，未在坡面匯集形成徑流流失。且此時入滲雨水主要集中在坡頂位置，不會出現軟化滑動帶土體的情況。所以前2 h降雨入滲對棄渣體安全系數的影響主要體現在加大了其自重使下滑力增大。2～5 h時坡面已經達到飽和狀態形成暫態飽和區，此時雨水的入滲就變成了有壓入滲，且會在坡面形成徑流，雨水并非完全滲入土體，此時下滑力的增大趨勢變緩，安全系數的下降速率降低。192 h時由于雨水逐漸從坡體內排出（或蒸發），安全系數開始增大。此現象與前文棄渣體邊坡穩定性的監測應持續一段時間的建議論相吻合。

圖10的整體滑動面中，對比局部安全系數的變化可以發現，局部安全系數、整體安全系數與降雨歷時的變化規律與趨勢幾乎相同，不同點是降雨對局部安全系數的影響更大，整體安全系數的增大點出現的時間更晚。

筆者分析認為：由于整體穩定性的下滑力涉及的土方更多，而降雨對其重度（下滑力）的增大相對于原下滑力較小。由于滲入棄渣體的雨水流出整體滑體需要的時間更長，導致整體安全系數增大點出現的時間相對更晚。兩者的變化趨勢相同，說明雖然整體滑面和局部滑面涉及的深度不同，但是雨水對該棄渣體整體以及局部安全系數的影響方式是相同的。

綜上分析，局部滑動面更容易受影響，所以在對該棄渣場進行治理的過程中應該更多地關注淺層滑動。

結合前面暫態飽和區4個分布階段的分析，在坡面暫態飽和區形成過程中，邊坡安全系數下降速度最快。其中局部安全系數在坡腳開始飽和階段（2 h）下降速度最快;整體安全系數在坡腳開始飽和階段（2 h）和坡頂全飽和階段（3 h）的下降速度相同。

5 結 論

（1） 坡面暫態飽和區并不會隨著降雨的停止立刻開始消散。當兩層土質滲透系數相差較大時，降雨會沿著層面流動，所以在對棄渣場進行選址時，應考慮場地中不同巖層滲透系數的差異。在該棄渣場已經填筑完成的情況下，應在擋土墻層面位置設置排水孔，疏導層間水流。

（2） 降雨對邊坡的影響是一個漫長的過程，降雨停止后的一段時間邊坡孔壓仍未恢復至正常水平。

（3） 降雨發生期間，影響該棄渣場暫態飽和區分布的只是前3 h;在暫態飽和區穩定形成以后，降雨對暫態飽和區分布的影響顯著降低。

降雨期間，飽和區從坡腳逐漸發展到坡頂，而降雨停止之后暫態飽和區的消散是從坡頂向坡腳逐漸消散。

（4） 局部滑動面更容易受降雨的影響，所以在對該棄渣場進行治理的過程中應該更多地關注淺層滑動。整體安全系數恢復更慢，如果需判斷棄渣體降雨后的整體穩定性則需延長監測時長。

（5） 前3 h是暫態飽和區形成的過程，安全系數下降速度最快，而當暫態飽和區達到相對穩定狀態以后，降雨對邊坡穩定性的影響逐漸降低。

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（編輯：鄭 毅）

Study on distribution and stability of transient saturated zone of slope in

abandoned slag yard under rainfall condition

ZHANG Jinmei1，ZHANG Zhen2，LI Jiachun2

（1.Economic and Technological ResearchInstitute，State Grid Yubei Power Co.，Ltd，Beijing 10000，China; 2.Highway College，Chang′an University，Xi′an 710064，China）

Abstract：

In order to clarify the instability mechanism of the slope of the slag yard under rainfall conditions，the abandoned slag yard of a highway from Daozhento Weng′an City in Guizhou Province was taken as a research object.Based on indoor test parameters，we used the SEEP/W module in GEO-Studio to study the distribution of transient saturation zone of abandoned slag yard slope under rainfall conditions and also applied the SLOPE/W module to obtain relationship between slope stability and the distribution of transient saturation zone.It is concluded that：①The effect of rainfall on the stability of the slag slope will last for a long time even after the rain stops.During this period，the safety factor will continue to decrease and finally reach the minimum value.②It takes only a short period for the slope transient saturation zone to develop to the whole slope，during which the slope safety factor declines fastest.After the formation of the transient saturation zone on the slope，the influence of rainfall on the stability of slope is significantly reduced.

Key words：

abandoned slag yard;transient saturation zone;slope stability;unsaturated soil;matrix suction