不同雨型循環作用下邊坡滲流場及穩定性分析

羅偉, 姜智予, 李佳寶, 陳靜瑜, 陶智, 盧茜

(1.華東交通大學土木建筑學院, 南昌 330013; 2.江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室, 南昌 330013)

在中國經濟發展量質齊升的大背景下,基礎設施建設得到全面加強,涉及邊坡的工程建設日益增多,有關滑坡、圍護結構失穩等自然災害及工程事故的報道數量也隨之增加[1-3]。據相關調查結果顯示,2021年全國滑坡發生次數占地質災害總數的49%[4]。研究表明,超過90%的滑坡由大氣降雨直接誘發或與降雨間接相關[5-7]。受氣候影響和地理制約,中國非飽和土邊坡分布廣泛。非飽和土在天然狀態下的穩定性通常較高,但在降雨作用下,由于基質吸力減小,邊坡穩定性大幅降低,從而產生滑坡[8-10]。因此定量分析降雨對邊坡穩定性的影響規律具有重要意義。

對于降雨作用下的土質邊坡滲流特性以及穩定性變化規律,國內外學者開展了大量卓有成效的研究[11-12]。鄭穎人等[13]論證了采用強度折減求解邊坡安全系數的精確性以及有限元法進行邊坡穩定分析的有效性;林鴻州等[14]、周家文等[15]、任佳等[16]通過模擬計算揭示了不同降雨條件、不同邊坡工況下雨水入滲作用機理及安全系數演化規律;徐全等[17]分別采用固液耦合與非耦合計算的方法,研究了在不同降雨強度作用下邊坡的穩定性變化規律、恢復速率及滑面位置變化規律;Ng等[18]對降雨入滲下的邊坡進行數值模擬分析,探討了邊坡的暫態滲流及由此引起的邊坡穩定性問題。以上研究為深入了解降雨作用下土質邊坡的穩定性做出了重要貢獻。但相關數值分析往往忽視土體材料屬性的空間變異性將模型材料參數設置為定值,且降雨雨型與實際工況差異較大,長周期降雨作用對邊坡穩定性影響的研究也尚待進一步完善。

現結合江西省降雨特點,在Geo-Studio邊坡穩定性分析模塊 SLOPE/W 與穩定-非穩定滲流模塊 SEEP/W 中構造出循環、后峰、驟緩等雨型,以安全系數為穩定性指標,分析各類型降雨對邊坡安全系數的影響,重點研究不同雨型條件下的邊坡滲流、孔隙水壓力變化情況和安全系數變化規律,豐富長持時及循環降雨工況下邊坡穩定性理論研究,以期為工程實踐提供有益指導。

1 耦合計算理論

1.1 飽和-非飽和滲流理論

在天然條件下,大多數邊坡為非飽和。降水期間,由于雨水從坡面滲透,使邊坡的非飽和土體趨于飽和,這是一種典型的飽和-非飽和滲流。非飽和土的滲透微分方程表達方式為

(1)

1.2 Fredlund&Xing理論

沿用Fredlund &Xing的土-水特征曲線方程,其土體積含水率可以表示為

(2)

式(2)中:θ(R)為土體內孔徑小于R的孔隙內均充滿水時的體積含水率;r、R分別為孔徑和最小孔徑;f(r)為孔隙體積的密度函數。因為孔徑與吸力數值大小成反比關系,即r=C/φ土體積含水率也可表示為

(3)

式(3)中:H為吸力;C為常數;φ為對應于最小孔徑的最大吸力;h為吸力變量。將Van Genuchten方程代入式(3)即可得到 Fredlund &Xing土-水特征曲線方程為

(4)

式(4)中:φ為殘余吸力值;θ為體積含水率;a為與進氣值有關的參數;n為基質吸力大于進氣值之后與土體脫水速率有關的土參數;m為與殘余含水率有關的試驗參數;e為自然底數。

2 工程概況

選用江西省信江八字嘴圍堰邊坡為研究對象,堰坡截面形態呈等腰梯形,東西長53 m,邊坡方量約為2.58萬 m3,邊坡占地面積約1.4萬 m2。

江西省各月平均降雨量分布圖如圖1所示,常出現連續降雨、強降雨。據江西省氣象信息中心統計[19],江西省的降雨平均小時強度為1.34～1.76 mm/h,贛江以北的鄱陽湖及東南區域的降雨較多。該省的最大小時降雨量為54.8～147.3 mm,分別是銅仁和崇仁。江西東北、江西中部、江西東南部3個區域均有明顯的隨機變化。從各地區短時強降水日變化特征來看,除省內西南部具有單峰形特征外,其他為雙峰形特征[20]。

圖1 南昌2014—2021年月平均降雨量Fig.1 Monthly average rainfall in Nanchang from 2014 to 2021

3 模型建立與參數設置

3.1 邊坡模型

以江西省信江八字嘴圍堰邊坡為研究對象,構建邊坡受降雨作用下的滲流場和穩定性數值計算二維模型。計算模型由堰體和兩層基礎土層組成,如圖2所示。邊坡原型簡化后的模型參數為:長86 m、高20 m、堰體高10 m,上下游堰坡坡比均為1∶2。各土層材料計算參數見表1。各土層土水特征曲線與滲透系數曲線如圖3、圖4所示。

表1 土的物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of soil

圖2 邊坡模型尺寸及網格劃分圖Fig.2 Size and mesh drawing of slope model

圖3 土水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curve

圖4 滲透系數函數曲線Fig.4 Permeability coefficient function curve

模型左側設置15 m定水頭模擬圍堰內上游水位;在模型基質土層右側設置5 m水頭,5 m以上設置零流量,模擬地下水位;坡底假設為不透水邊界;邊坡及基質土層上表面設定單位流量邊界條件模擬降雨情況。

3.2 方案設計

方案中設定了降雨總量、持時相同的后峰、中峰、前峰及均勻型4種不同降雨工況[圖5(a) ],這里選用的平均降雨強度0.2 m/d依據當地氣象實測資料并近似取整。“驟緩”為平均雨強變化率與后峰降雨保持一致的降雨,令其雨強增長率呈周期變化且總降雨量與后峰相同[圖5(b)],與后峰降雨形成對照,分析雨強增長率變化對邊坡穩定性的影響;構造3次周期性重復的前峰、中峰、后峰及均勻型降雨,以6 d為周期,每周期降雨持續3 d[圖5(c)],對照各自單周期降雨,探究循環雨型下邊坡穩定性的變化規律及恢復情況。

圖5 不同雨型雨強變化圖Fig.5 Diagram of variation of rain intensity for different rain patterns

4 結果分析

4.1 堰體滲流特性分析

擬在得到非飽和滲流場的條件下開展不同雨型對邊坡穩定性的影響研究。圖6為初始狀態孔隙水壓力圖,選擇均勻降雨條件下最危險孔隙水壓力圖,如圖7所示在降雨條件下孔隙水壓力自上而下逐漸增大,由于降雨前期堰體淺層土體還比較干燥,土的體積含水量與滲透系數較低,該階段土體具有極強的入滲能力,一旦少量雨水開始入滲就會形成很高的吸力梯度。在經歷降雨后,坡表孔壓增大,浸潤線呈下凹狀,出現暫態飽和區,與之對應的是圖8、圖9所示的邊坡安全系數大小及滑動面示意圖。循環后峰降雨第二周期坡表初始孔壓相較于第一周期明顯增大,浸潤線上凸,隨著第二周期降雨,邊坡土體逐漸趨于飽和,在安全系數最低時邊坡幾乎完全飽和,不同雨型第二周期的邊坡初始滲流場各有差異,具體滲流情況如圖10所示。

圖6 初始狀態孔隙水壓力圖Fig.6 Initial pore pressure diagram

圖7 均勻降雨最危險孔壓圖Fig.7 Uniform rainfall is the most dangerous pore pressure diagram

圖8 初始狀態邊坡安全系數及滑移面Fig.8 Safety factor and slip surface of initial state slope

圖9 均勻最危險邊坡安全系數及滑移面Fig.9 Safety factor and slip surface of uniform dangerous slope

4.2 堰坡穩定性分析

邊坡體內孔壓大小及分布在降雨前后發生了較大變化,圖11為上下監測點在不同雨型下各自孔壓變化情況。相同工況下下部監測點的孔壓變化幅度較大。各雨型下孔壓的變化幅度從小到大依次為中峰、后峰、前峰和均勻。前峰與中峰降雨下孔隙水壓力先到達最大值,后峰與平均降雨最值出現的時間相對滯后。中峰與后峰雨停后孔壓降低速率較快,均勻與前峰的孔壓恢復速率相對較慢。循環降雨下各監測點的孔壓變化如圖12所示,隨著總降雨量的不斷增加,坡體土含水率增高并在第二周期降雨后暫態飽和區明顯增大,在不同降雨類型中,二、三周期的最大孔壓均顯著高于一周期,而上層監控區的一、二周期最大孔壓差異稍低于下層的相應差異。降雨區段內循環均勻、前峰下的最大孔壓始終高于其他雨型。下部監測點的孔壓變化滯后性強于上部監測點,循環后峰、均勻下的孔壓變化滯后性強于其他雨型。

圖11 不同雨型孔隙水壓力變化圖Fig.11 Pore pressure changes under different rain patterns

圖12 循環降雨下監測點孔壓變化Fig.12 Pore pressure changes under cyclic rainfall

單峰降雨方案下安全系數變化趨勢如圖13(a)所示。邊坡初始安全系數為1.531,前峰、中峰、后峰、驟緩降雨使邊坡安全系數分別降低13.64%、13.46%、12.87%、13.13%。由于前期降雨使坡體含水率明顯升高,進而導致后期強降雨時邊坡土體滲透系數較低,大部分雨水沒有滲入坡體內部而是順著坡面流向坡腳,故后峰與驟緩對邊坡安全系數影響相對較低。單周期降雨結束后若降雨停止,隨著雨水的淋濾進而滲出坡體的最敏感部位,邊坡又逐漸變得安全。若繼續降雨,由于前次的雨水入滲影響了淺部土層的滲透能力,因此,邊坡第二周期最危險時間又隨著雨水的再次入滲及運移發生了變化,圖13(b)為循環降雨下的邊坡安全系數,第二周期各雨型邊坡安全系數遠低于第一周期,均勻雨型最低安全系數仍低于其他雨型;與單周期雨型不同,后峰的第二周期最低安全系數低于前峰,前峰第二周期初始狀態下的邊坡飽和區域以及邊坡含水率高于循環后峰,因此循環前峰的大量前期降水經坡腳流失;對兩次降雨的相互影響分析發現:前一周期降雨入滲情況決定了后一周期降雨的入滲條件,因為前一周期降雨改變了邊坡不同位置的體積含水率,含水率不同則基質吸力、滲透系數不同,各降雨周期內邊坡穩定性也有所差異。

圖13 不同雨型下安全系數變化曲線Fig.13 Variation curves of safety factor under different rain patterns

5 結論

在收集并歸納了江西省雨型特性的條件下,從滲流基本理論出發,對信江八字嘴圍堰邊坡進行了瞬態穩定性分析,研究了坡體內水分的時空演化,為滑坡的預測與合理措施的采取提供依據,主要結論如下。

(1)計算5種總降雨量、降雨持時均相同的單周期雨型得出其最小安全系數排序為:驟緩型<后峰型<中峰型<前峰型<均勻型;總降雨量、降雨持時和雨強變化總量均相同時,雨強變化率的波動會導致降雨對邊坡的影響發生變化。

(2)邊坡在循環降雨作用下,安全系數單調性呈現周期性變化,均勻降雨的各周期最小安全系數最低,后峰的第二周期最低安全系數低于前峰。

(3)降雨對邊坡影響具有滯后性。越靠近坡表處孔壓變化滯后性越弱;循環后峰、循環均勻下的安全系數變化滯后性強于其他雨型。不同降雨條件下不同邊坡部位的安全系數敏感程度對邊坡支護時間、部位的選取具有一定的指導意義。

(4) 對于循環降雨,前次降雨入滲深度決定了隨后降雨的入滲條件,循環降雨下不同雨型對于邊坡影響程度排序與單周期不同。當降雨持續時間較長或雨季反復降水時,應同時加強對雨強和雨型的監測,做好及時、有效的滑坡預警工作。