川藏公路波林段某邊坡穩定性以及滑動深度的分析

陶 偉，孫明露，曹 亮，劉叢叢

(1.西藏大學工學院，西藏 拉薩 850000；2.西藏自然科學博物館，西藏 拉薩 850000)

0 前 言

川藏公路波密至林芝段沿線地質環境復雜、地形起伏大、構造運動強烈以及氣象條件惡劣，滑坡、泥石流等山地災害較發育，其具有規模大、破壞力強、災害發生頻繁且難于治理等特點[1-2]，該路段降雨豐富且雨季較長，導致滑坡等地質災害頻發，堪比地質災害博物館，嚴重威脅人民生命財產安全[3]。

目前，眾多學者針對邊坡穩定性的研究較多，田洪寧、孫兆濤等[4-8]采用Geostudio數值模擬對邊坡進行了穩定性分析。湯志鵬等[9]通過Midas/GTS數值模擬和傳遞系數法對邊坡穩定性進行分析，驗證了邊坡處于不穩定狀態。代雪等[10]采用Geostudio軟件、理正軟件以及ANSYS軟件，結合M-P法、Bishop法和強度折減法進行邊坡穩定分析，并對三種方法計算的安全系數相互對比。束思源等[11]通過Midas GTS/NX軟件，分析了降雨入滲深度和土體強度衰減比對濕陷性黃土邊坡穩定性的影響。

綜上所述，針對邊坡穩定性研究方法較多，但對多種方法驗證邊坡穩定性后，并對邊坡降雨入滲深度進行研究較少。因此，本文采用Geo-studio數值模擬和簡布條分法進行邊坡穩定性計算，并采用降雨入滲深度計算該邊坡滑動深度，最后結合野外勘察進行驗證。

1 工程概況

研究邊坡位于川藏公路波密縣區域內，地理坐標為95°31′54″′E，29°53′56″N，海拔高程為2 665 m，區域是高山峽谷地貌，構造活動發育，地處嘉黎斷裂帶，地震烈度為9°。邊坡區域為典型的大陸高原性氣候，年內降雨時間分布不均勻，有明顯的雨季和旱季，雨季集中在5～10月份，這一時期集中了全年90%以上的降雨，年平均降雨量977 mm，地下水主要為第四系孔隙水與入滲雨水。該邊坡坡高24 m，坡長13 m，坡寬158 m，坡度70°，坡向232°，坡體中上部有局部滑動，右側存在6～7 m張拉裂縫，頂部有不穩定層，坡面及平臺位置的植物主要為灌木從，如圖1(a)所示，雨季回訪現場發現邊坡已滑動，如圖1(b)所示。

(a)初次調查圖

2 降雨入滲對邊坡穩定的影響

2.1 Geo-studio模擬計算

采用SEEP/W和SLOP/W兩個模塊耦合對降雨條件下的邊坡進行穩定性分析，其主要包括選擇屬性分析、根據野外邊坡數據繪制邊坡模型、分配材料、輸入相關參數、滲流分析、耦合SLOP/W模塊并輸入相關參數、確定最小安全系數即最可能滑動的滑動面。模型邊界條件為：邊坡坡頂及邊坡前后緣水平面為入滲邊界(降雨流量邊界)，模型兩側，地下水位線以上設為零流量邊界，水位線以下設為固定總水頭邊界，邊坡下部為不透水基巖，設為零流量邊界。

根據室內試驗和大量文獻資料，可知邊坡的各種巖土參數，見表1。其次，利用Geo-studio軟件SEEP/W模塊中VG模型計算，可得出邊坡土的土水特征曲線和滲透系數曲線如圖2所示，室內測試的邊坡土樣顆粒級配如圖3所示。

表1 邊坡巖土參數

(a)土水特征曲線

圖3 邊坡土樣顆粒級配圖

根據當地實際降雨資料可知，邊坡失穩前總降雨量為202 mm,連續降雨10 d，其平均日降雨強度為10 mm/d。降雨期間邊坡的安全系數變化如圖4所示。

圖4 邊坡最小安全系數模擬圖

用Geo-studio有限元軟件模擬計算時獲得邊坡在持續降雨第10 d時的穩定性系數，得出安全系數為0.969，小于規范值，說明邊坡處于極不穩定狀態。

2.2 穩定性理論計算

在土質邊坡的穩定性計算中，土體顆粒之間的咬合力和摩擦力均較大，將土體條分后，條塊側面的作用力不可忽略，而N.Janbu(1954)提出著名的簡布條分法考慮了條塊間的相互作用力，且該方法適合分析任意滑動面滑坡的穩定性。它是在一定假設前提條件下，將土體進行條分, 隨后對土條進行受力分析，最后經過多次迭代算法計算出邊坡的穩定性系數K。

取第i條塊受力分析如圖5所示，根據滑動面上極限平衡條件受力分析，得到穩定性計算公式。

圖5 土條受力分析圖

根據土的豎向方向力學平衡∑Fy=0，有：

(1)

根據土的水平方向力學平衡∑Fx=0，有：

(2)

滑動面上切向力Ti等于滑動面上土所發揮的抗剪強度τif，即：

(3)

將式(1)～(3)聯立求解，化簡可得：

(4)

則：

(5)

將式(5)帶入式(2)，得：

(6)

(7)

式中，Wi為第i條塊自重;Δxi為第i條塊上下側側向豎直力差值;αi為第i條塊滑面的傾角;Gxi、Gyi為x、y方向的滲透力分量;ΔUxi為第i條塊前后側水壓力差值;φi為第i條塊滑面的摩擦角;Ci為第i條塊滑面的粘聚力;li為第i條塊滑面長度。

根據迭代法，將條塊各參數編制到Excel表中進行迭代計算，根據編制的Excel 表進行兩次迭代計算出該邊坡在降雨第10d時的穩定性系數為0.943 5。其簡布條分法計算的降雨期間邊坡的安全系數變化如表2所示。

表2 簡布條分發迭代計算表

通過有限元軟件和簡布條分法計算該邊坡穩定性時發現該邊坡在降雨第10 d時都處于極不穩定狀態。通過二者計算出的邊坡失穩前的邊坡安全系數變化如圖6所示。

圖6 邊坡安全系數變化圖

從圖6可以看出，Geo-studio數值模擬和簡布條分法計算隨降雨時間持續的邊坡安全系數基本一致，其相差較小，同時驗證了該邊坡處于不穩定狀態；由二者計算邊坡安全系數變化曲線可知，邊坡穩定性隨著降雨的持續逐漸降低，直至邊坡失穩。

2.3 入滲深度計算

降雨入滲的深度與土質邊坡的穩定性具有密切的關系，降雨的強度、降雨時長、初始含水率、飽和含水率以及土體的孔隙度等與降雨入滲深度密切相關。根據該地實際降雨量，其日平均降雨量10 mm/d, 均小于土體的飽和/非飽和滲透系數，此時滲透速率由降雨強度控制，土質邊坡瞬時降雨入滲深度為[12]：

(8)

式中，h為降雨入滲深度；α為坡度；n為孔隙率；θw、θs分別為土坡的飽和體積含水率和初始含水率；q為降雨強度；t為降雨持續時間。

計算降雨第10 d的入滲深度為：

即根據降雨入滲公式計算得到降雨失穩時的最大降雨入滲深度為0.460 33 mm，屬于表層局部滑動。根據2020年8月回訪核實，邊坡實際滑動深度大約為0.44 m，小于穩定性計算的滑動深度0.460 33 m，最大降雨入滲深度與實際滑動深度基本一致，誤差為0.02 m，基本合理。

3 結 論

本文利用Geo-studio有限元軟件和簡布條分法兩種方法對降雨條件下邊坡的穩定性進行分析，同時，對降雨入滲深度進行計算，并與該邊坡實際滑動深度進行對比，具體結論如下。

1)采取數值模擬與簡布條分法兩種方法進行分析邊坡穩定性，通過對比邊坡安全系數,使所得計算結果更準確可靠。使用Geo-studio有限元軟件計算得出的邊坡穩定性系數為0.969，簡布條分法計算得出的邊坡穩定性系數為0.9 435, 邊坡均處于不穩定。

2)通過降雨入滲深度公式計算該邊坡最大入滲深度為0.460 33 m，與實際滑動深度約0.44 m相差較小，說明最大降雨入滲深度與實際滑動深度基本一致。

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