降雨強度對雙層軟弱夾層邊坡穩定性影響分析

許四法,姜伙軍,孫昌一,馮益潘

(1.浙江工業大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023;2.浙江省第一地質大隊,浙江 杭州 310007)

降雨誘發的滑坡災害是我國最常見的地質災害。眾多學者利用數值模擬、現場試驗以及模型實驗等方式對降雨誘發滑坡的機理開展了大量的研究。李龍起等[1]、李煥強等[2]構建了邊坡地質力學模型試驗并利用人工噴灑技術模擬降雨過程,得到了降雨入滲作用下邊坡關鍵點的變化特征和邊坡應力應變發展模式。簡文彬等[3]自行設計了土體入滲裝置,現場實地開展原狀土柱一維降雨入滲試驗,考察了東南沿海地區代表性土體的滲透特性。李宏儒等[4]、鄧喜等[5]和楊煜等[6]基于非飽和滲流方程,探究降雨強度、土性參數等對邊坡滲流及穩定性的影響規律。吳順川等[7]、許寶田等[8]通過數值模擬建立了含軟弱夾層的邊坡模型,再現了大變形條件下坡體應力及變形變化的全過程。蘇培東等[9]基于軟弱夾層的應變軟化特性,從理論角度認識了含軟弱夾層順層巖質滑坡的漸進破壞過程。張令非等[10]認為分區滑動破壞是含軟弱層巖石邊坡的典型破壞模式,軟弱層傾角是影響穩定區、欠穩區和失穩區3區分布的決定性因素。但是,上述研究對象都是單一地層邊坡,事實上,自然邊坡多為巖石風化沉積而形成的多層地層邊坡,并且多層地層邊坡的穩定性往往由巖體中軟弱夾層的物理力學性質所決定。

筆者針對某邊坡工程,運用邁達斯GTS NX數值模擬方法,探究降雨強度對雙層軟弱夾層邊坡中滲流場、位移場及安全系數影響規律,以揭示含雙層軟弱夾層降雨型滑坡的孕災機制。

1 工程地質概況

建德市某山體邊坡發生滑坡,經調查發現,險情發生前當地3 d累計降雨量達到175 mm。主滑方向295°,坡面平均坡度14°,滑坡前后緣形成的高差30 m。滑坡平均厚度11 m,體積約9.02×104m3,為小型中層巖質滑坡。

坡體內主要地層為第4系殘坡積層(Qel+dl),奧陶系上統長塢組(O3c)粉砂質泥巖。地層巖性自上而下如圖1所示:1) 含碎石粉質黏土;2) 強風化粉砂質泥巖,該層含有兩層軟弱夾層,軟弱夾層從埋深較淺到埋深較深可分為P1,P2兩層,主要成分為粉質黏土,厚度為2～3 m,軟弱夾層在邊坡內呈帶狀傾斜分布,夾層傾角為16°;3) 中風化粉砂質泥巖。

圖1 邊坡工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of slope

2 參數選取和模型建立

為了分析不同降雨工況下含雙層軟弱夾層邊坡的失穩機制,首先,基于飽和-非飽和滲流理論[11],采用GTS NX中的滲流模塊建立不同降雨強度下的分析模型,研究降雨強度對含雙層軟弱夾層邊坡軟弱夾層處水的體積分數的變化規律;其次,利用室內試驗探究軟弱夾層水的體積分數與抗剪強度指標之間關系,并將軟弱夾層抗剪強度指標應用于邊坡穩定分析;最后,基于摩爾-庫倫破壞準則[12],利用有限元強度折減法[13]分析含雙層軟弱夾層邊坡位移場和安全系數變化規律。

有限元強度折減法[13]認為,邊坡巖土體發生剪切破壞的原因是其所受剪應力達到極限抗剪強度,計算中將坡體的真實抗剪強度除以折減系數F,以達到強度折減的目的。當達到極限破壞狀態時,此時的F即為邊坡的穩定安全系數,其計算式為

(1)

(2)

式中:Ctrial為折減后的黏聚力;φtrial為折減后的內摩擦角;Ftrial為折減系數。

2.1 降雨條件

分析工況為在保證累積降雨量為180 mm不變條件下,擬定4種降雨強度和降雨歷時,分析不同降雨條件對邊坡穩定性的影響,具體降雨強度方案如表1所示。

表1 降雨強度方案

2.2 計算參數

由于巖體十分破碎,巖體采用與軟弱夾層土體相同的Mohr-Coulomb本構模型。該邊坡鉆孔信息表明:軟弱夾層為粉質黏土,遇水力學性能差,為潛在滑動面。兩條軟弱夾層物質成分相同,軟弱夾層力學參數根據室內固結快剪試驗確定,粉砂質泥巖力學參數在現場勘察和室內試驗的基礎上確定。巖層物理力學參數如表2所示。

表2 巖層物理力學參數

為描述降雨入滲在含雙層軟弱夾層邊坡內的滲流特性,利用壓力板儀試驗得到邊坡軟弱夾層的飽和水的體積分數為29.6%,殘余水的體積分數為12%,以及基質吸力與水的體積分數對應關系,采用Cho[14]模型擬合軟弱夾層土水特征曲線;并在測得軟弱夾層飽和滲透系數為8×10-7cm/s情況下,基于Van Genuchte-Mualem滲透模型反演軟弱夾層滲水滲透函數曲線。其余各地層水力特性參照類似工程,擬合曲線如圖2,3所示。

圖2 土水特征曲線Fig.2 Soil water characteristic curve

圖3 滲透系數曲線Fig.3 Permeability coefficient curve

2.3 分析模型

采用GTS NX軟件建立三維邊坡模型。模型位移邊界:左右邊界施加法向約束,底部邊界施加軸向約束;滲流邊界:模型左右兩側采用與地下水位高度相等的常水頭邊界,邊坡表面采用與降雨強度相等的流量邊界。為避免模型尺寸影響有限元強度折減法計算精度,采用張魯渝等[15]建議的模型邊界尺寸,其中,模型右側高度為60 m,左側高度為32 m,總長度為235 m,寬度為80 m;初始地下水位:左側水頭為19.5 m,右側水頭為45.5 m,邊坡表面流量邊界根據降雨強度設置不同曲面流量值。最后,在分析工況中設置時間步驟模擬降雨時長。計算模型如圖4所示。

此外,在模型中設置了如圖5所示的觀測點1～3及流量截面Ⅰ-Ⅰ,其中,監測點1～3分別位于坡體坡腳、腰部和坡頂表面位置。

圖5 數值模擬模型觀測點布置Fig.5 Layout of observation points of numerical simulation model

3 坡體水的體積分數和基質吸力變化規律

3.1 坡體水的體積分數變化規律

降雨結束時截面Ⅰ-Ⅰ的水的體積分數如圖6所示。由圖6可知:在同一降雨條件下,軟弱夾層P1以上坡體水的體積分數隨深度增加而增加,在軟弱夾層處土體水的體積分數較高,峰值水的體積分數達到28.8%,兩層軟弱夾層中間坡體水的體積分數略低于軟弱夾層處。分析其原因為降雨結束后,雨水入滲與降雨歷程相比具有一定“滯后性”,并且坡面土體與強風化巖體滲透性相差不大,故雨停后坡面土體一方面失去水分補給;另一方面雨水持續下滲,因此坡面水的體積分數低。由于軟弱夾層滲透性遠小于強風化巖體,雨水入滲受到“阻滯”,坡體水的體積分數不斷增大,并在軟弱夾層P1上表面形成暫態飽和區。由于軟弱夾層滲透性差,具有一定的保水和隔水作用,因此兩層軟弱夾層水的體積分數都較高,而兩層軟弱夾層之間巖體滲透性好,持水性差,因此水的體積分數略有下降。

圖6 截面Ⅰ-Ⅰ水的體積分數變化規律Fig.6 Variation law of water content in section Ⅰ-Ⅰ

在不同降雨強度下,降雨強度大、歷時短的降雨坡體水的體積分數上升速度快于降雨強度小歷時長的降雨,這是由于降雨對坡體水的體積分數的影響主要與土體的孔隙結構以及巖體的節理裂隙發育程度有關,當土體孔隙大且巖體破碎時,降雨強度小、歷時長的降雨雨水滲入坡體后又迅速滲出,所以地下水位以上坡體水的體積分數較低。

3.2 基質吸力變化規律

隨著雨水入滲,觀測點1～3基質吸力變化如圖7所示。由圖7可知:在不同降雨條件下,觀測點1基質吸力隨降雨歷時增加而逐漸消散,降雨強度大、歷時短的降雨基質吸力消散幅度和消散速度均大于降雨強度小、歷時長的降雨,在雨停時刻,工況1基質吸力減小到-12.9 kPa,工況2基質吸力減小到-5.3 kPa,工況3孔隙水壓力達到2.6 kPa,工況4孔隙水壓力達到21.0 kPa。減小幅度的順序為:工況4>工況3>工況2>工況1;觀測點2,3表現為在降雨初期基質吸力迅速減小,在達到峰值后基質吸力逐漸增大并最終穩定在-7.8 kPa,觀測點2工況4于歷時14 h時,孔隙水壓力達到4.0 kPa,其余工況于歷時36 h時基質吸力達到最小值,并且吸力均小于0 kPa,觀測點3各工況下峰值基質吸力均在0 kPa左右。由于觀測點1位于坡腳,當降雨強度大于土體入滲能力時,坡面形成徑流并于坡腳產生積水,坡腳吸力持續下降,并且降雨強度越大,基質吸力減小幅度越大,觀測點2,3與觀測點1基質吸力變化規律不同正是徑流“補給”作用所造成的。在入滲初期觀測點2,3的基質勢起主導作用,入滲的水分被土顆粒吸附為薄膜水,形成了濕潤鋒,隨后隨著降雨和入滲過程持續,雨水在坡體內做不穩定滲流,此時濕潤鋒迅速下移,基質吸力隨之迅速下降,當基質勢和重力勢達到平衡,雨水也在坡體中形成穩定滲流,基質吸力穩定在定值。

圖7 基質吸力隨降雨歷時變化規律Fig.7 Variation law of matrix suction with rainfall duration

4 降雨入滲對邊坡變形和穩定系數影響

4.1 邊坡變形變化規律

為探明軟弱夾層水的體積分數與力學參數之間關系,以最優水的體積分數為基準,配制不同水的體積分數重塑土樣進行固結快剪試驗,以殘余強度作為軟弱夾層的抗剪強度指標,試驗結果如表3所示。由表3可知:隨著水的體積分數增加,軟弱夾層土體內摩擦角顯著降低,黏聚力規律性并不明顯。

圖8為含雙層軟弱夾層(P1+P2)、僅軟弱夾層P1和僅軟弱夾層P2時邊坡在各降雨工況下坡體各測點的位移變化特征圖。由圖8可知:從降雨類型角度分析,對于觀測點1,對于含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況,降雨強度分別為30,40,50 mm/d,坡體位移基本無殊,約為9.3 cm,降雨強度為60 mm/d,坡體位移最大,達到了13.2 cm;對于僅軟弱夾層P1的工況,4種降雨強度下坡體位移約為9 cm;對于僅軟弱夾層P2的工況,4種降雨強度下坡體位移約為8 cm。對于觀測點2,含雙層軟弱夾層(P1+P2)、僅軟弱夾層P1以及僅軟弱夾層P2等3種工況坡體位移均隨降雨強度增加而增加。含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況坡體最大位移達到了13.1 cm,僅軟弱夾層P1的工況坡體最大位移達到了12.3 cm,僅軟弱夾層P2的工況坡體最大位移達到了12.6 cm。對于觀測點3呈現的規律與觀測點2類似,含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況坡體最大位移達到了13.0 cm,僅軟弱夾層P1的工況坡體最大位移達到了11.2 cm,僅軟弱夾層P2的工況坡體最大位移達到了11.4 cm。結合上文中基質吸力和水的體積分數變化特征可知:降雨強度越強,坡體水的體積分數增加速率越快,基質吸力消散速率也越快,雨水越易入滲至坡體內增加坡體自重、產生滲透力,這些都不利于邊坡穩定;雨水入滲最終使地下水位顯著抬升,降雨強度越大,坡腳處地下水位抬升效果越明顯,位于水位以下軟弱夾層越容易泥化導致抗剪強度降低,最終坡腳處潛在滑動帶下滑力大于抗滑力而發生“牽引型”滑坡,因此降雨強度越強,坡體位移越大,并且降雨誘發的含軟弱夾層滑坡多為“牽引型”滑坡。

圖8 邊坡位移隨降雨強度變化規律Fig.8 Variation law of slope displacement with rainfall intensity

從邊坡軟弱夾層數量角度分析,在同一降雨條件下,含雙層軟弱夾層(P1+P2)邊坡變形量最大,其次是僅軟弱夾層P2,僅軟弱夾層P1邊坡變形量最少。所以巖體邊坡變形性狀由軟弱夾層數量及埋深所決定,軟弱夾層數量越多,邊坡沿軟弱夾層發生局部屈服概率越高,當屈服區貫通,邊坡位移逐漸增大,邊坡失穩概率也大大增加;軟弱夾層埋深在邊坡面出露處一定范圍內,邊坡位移與軟弱夾層埋深呈正相關。究其原因:對于深層滑坡,降雨導致水位上升,埋深較深的軟弱夾層長期飽水泥化,強度大幅下降,最終使邊坡滑移拉裂破壞;而埋深較淺的軟弱夾層則不受地下水位影響,邊坡也保持穩定。

4.2 邊坡穩定系數變化規律

在降雨入滲條件下,計算得到的不同軟弱夾層數量的邊坡穩定系數(表4)變化規律如圖9所示。由圖9可知:在降雨總量一致條件下,邊坡穩定系數隨降雨強度增大而逐漸減小。當降雨強度從50 mm/d增加到60 mm/d時,含雙層軟弱夾層(P1+P2)邊坡穩定系數從1.1減小到0.975,降低了11%;僅軟弱夾層P1邊坡穩定系數從1.3減小到0.98,降低了25%;僅軟弱夾層P2邊坡穩定系數從1.23減小到1,降低了19%。并且軟弱夾層數量也對邊坡穩定系數有一定影響,在相同降雨條件下,含雙層軟弱夾層(P1+P2)的工況穩定系數最小,其次為僅軟弱夾層P2的工況,僅軟弱夾層P1的工況穩定系數最大。從上述穩定系數分析中可以看出:當降雨強度達到特定閾值時,邊坡將從穩定狀態變為不穩定狀態,這種轉變具有“突變性”,同時軟弱夾層的數量也同樣影響著邊坡穩定狀態,雙層軟弱夾層邊坡穩定性明顯低于單一軟弱夾層邊坡,下層軟弱夾層更易受地下水位抬升而軟化、泥化,因此僅含下層軟弱夾層工況相較于僅含上層軟弱夾層工況更易失穩破壞;僅含上層軟弱夾層工況邊坡也出現不穩定狀態是因為降雨增加了坡體自重以及滲透力作用導致了邊坡失穩[16]。

表4 滑坡穩定系數分類表

圖9 邊坡穩定系數隨降雨強度變化規律Fig.9 Variation law of slope safety factorwith rainfall intensity

5 結 論

結合工程實例,基于GTS NX有限元分析軟件,對降雨條件下雙層軟弱夾層邊坡滲流及穩定性進行了分析,主要分析了降雨強度與軟弱夾層數量對邊坡巖土體基質吸力、水的體積分數以及位移、穩定系數的影響規律,得出:1) 不同降雨強度下,坡體水的體積分數變化規律一致。由于軟弱夾層滲透性差,保水性強,故軟弱夾層水的體積分數高于周圍巖體,易于泥化,抗剪強度大幅下降,最終形成滑動帶。2) 在降雨入滲條件下,降雨對邊坡坡面基質吸力影響較大。降雨強度越大,基質吸力消散速率越快,基質吸力的消散使坡體抗剪強度降低,不利于邊坡穩定。3) 對于降雨條件下含軟弱夾層滑坡,當降雨總量恒定、軟弱夾層位于滑坡中層時,降雨強度越強,軟弱夾層數量越多,軟弱夾層埋深越深,邊坡變形越劇烈,邊坡也越易從“穩定”狀態轉變為“不穩定”狀態,且具有“突變性”。