陳 行，邱 敏，彭雅婷，龍雪梅，鄒祖銀，2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學土木工程學院，四川都江堰611830;2.西南交通大學土木工程學院，成都610031)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性一直都是巖土地質(zhì)研究中經(jīng)久不衰的課題，地震及降雨引發(fā)邊坡坍塌、滑坡以及泥石流等邊坡失穩(wěn)問題尤其如此。目前，單工況下邊坡穩(wěn)定性的研究層出不窮，多工況耦合作用下邊坡穩(wěn)定性的研究則報道較少。蔣中明等［1］通過自編FISH函數(shù)實現(xiàn)了邊坡三維飽和滲流計算分析;劉春玲等［2］利用FLAC3D對某邊坡地震穩(wěn)定性進行了研究;齊信等［3］基于GIS技術對汶川地震強震區(qū)地震誘發(fā)滑坡與后期降雨誘發(fā)滑坡控制因子進行了耦合分析;龔文俊等［4］采用GEOSTUDIO軟件以甘肅西和Ⅲ號滑坡為例研究了降雨和地震耦合作用對滑坡穩(wěn)定性的影響。邊坡穩(wěn)定性與人類生產(chǎn)生活息息相關，因此，對邊坡穩(wěn)定性的研究顯得尤為重要。

本文以成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡為例，結(jié)合多種數(shù)值分析方法的特點，開展天然工況、地震工況、降雨工況以及降雨-地震耦合工況下邊坡穩(wěn)定性研究和工程安全性評價，為單工況及耦合工況下邊坡穩(wěn)定性研究提供參考數(shù)據(jù)及技術依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡位于四川省九寨溝縣大錄鄉(xiāng)八郎溝玉瓦寨，邊坡所在的2號巖堆大致呈扇形展布于斜坡上，巖堆體縱坡較陡，坡度約在30°—38°之間，坡面長滿雜樹，樹林茂密。該區(qū)域處于我國地貌階梯起伏最劇烈的深切陡峻高山峽谷。鐵路線路沿岷江兩岸而上，在該區(qū)域穿越了4條活動斷裂帶，共涉及規(guī)模不等的十幾條活動斷裂，平均滑動速率均大于0.5 mm/a以上［5］。邊坡區(qū)域地層巖性紛雜，不良地質(zhì)分布廣，在天然條件下會引起坡內(nèi)巖土側(cè)移導致輕微滑坡［6］。岷江地震帶屬高烈度地震強震頻發(fā)區(qū)，地震基本烈度為Ⅷ度，地震峰值加速度為0.2 g［7］。該區(qū)域內(nèi)氣候多變，降水量較多，易形成暴雨。

2 模型建立

2.1 數(shù)值模擬理論基礎

本文采用分階段彈塑性求解法、容重增加法與強度折減法的結(jié)合以及非線性動力反應分析法對邊坡天然工況、降雨工況、地震工況及降雨-地震耦合工況下的應力應變特征進行研究。

2.1.1 分階段彈塑性求解法

設置摩爾-庫倫模型為材料的本構(gòu)模型，先設置粘聚力和抗拉強度為大值，計算至平衡后，再設置粘聚力和抗拉強度為分析所采用的值求解，生成初始的應力場［8］。

2.1.2 強度折減法

首先將邊坡強度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時除以折減系數(shù)F，得到一組新的粘聚力和內(nèi)摩擦角值 (c'和φ')，然后，將c'和φ'值作為一組新的材料參數(shù)輸入計算;不斷增加F值，直到邊坡達到極限狀態(tài)，發(fā)生失穩(wěn)破壞，這時所對應的F值即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)［9］。用公式表示如下:

式中:F為折減系數(shù);c為巖土邊坡最初的粘聚力，kPa;φ為巖土邊坡初始內(nèi)摩擦角，(°);c'、φ'分別為經(jīng)過折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2.1.3 容重增加法

保持巖土的粘聚力及內(nèi)摩擦角不變，逐步增加重力加速度G反復進行計算 (逐步增加重力加速度等同于增加巖土體的容重)，直至邊坡破壞，此時采用的重力加速度Glimit與實際重力加速度 (G0，通常取值為9.8 m/s2)之比即為該邊坡的安全系數(shù)［10］，即:

2.2 模型尺寸及結(jié)構(gòu)面劃分

研究所采用的邊坡模型 (見圖1)長180 m，寬80 m，高110 m。平均坡度降約0.48。坡體中上部易滑坡區(qū)域的坡度約36°。為便于分析，沿易滑坡區(qū)域?qū)ΨQ軸取剖面1-1，易滑坡區(qū)對稱軸與正北方向呈51°角。模型共由4個結(jié)構(gòu)面組成。結(jié)構(gòu)面Ⅰ是砂巖、板巖夾灰?guī)r與上層的塊石土以及碎石土的分界面，傾角40°;結(jié)構(gòu)面Ⅱ是碎石土與塊石土的分界面，傾角16°;結(jié)構(gòu)面Ⅲ是塊石土與粉質(zhì)黏土的分界面，傾角34°;結(jié)構(gòu)面Ⅳ是粉質(zhì)黏土與上層覆土的分界面，傾角38°。邊坡巖土物理力學參數(shù) (見表1)根據(jù)現(xiàn)場勘測所獲取資料確定。

圖1 邊坡模型Fig.1 The model of slope

表1 邊坡巖石力學參數(shù)Table 1 Natural and rainfall condition parameters

2.3 控制條件設置

2.3.1 天然工況

天然工況即自重工況。賦予摩爾-庫侖破壞準則，采用分階段彈塑性求解法生成初始地應力場，利用自編強度折減法計算得出天然工況下邊坡的安全系數(shù)。

2.3.2 降雨工況

降雨為該地區(qū)的主要工況。在天然工況的基礎上，采用強度折減法的思想對巖土體的抗剪強度參數(shù)進行折減，其后利用自編強度折減法計算得出不同降雨條件下的邊坡安全系數(shù)。

2.3.3 地震工況

研究邊坡位于岷江地震帶，地震頻發(fā)。采用彈塑性模型以及摩爾-庫侖破壞準則。為減少變形過大對結(jié)果的影響，體系最大不平衡力設定為100，時間步長設置為1～5，采用最小臨界阻尼比0.005、最小中心頻率12.8的瑞利阻力。在模型底部導入峰值加速度為3 m/s2的汶川地震波，其達到峰值的時間為9.97 s，持續(xù)時間為20 s。

2.3.4 降雨-地震耦合工況

考慮研究區(qū)特殊的環(huán)境條件，綜合強度折減法和容重增加法，在降雨工況的基礎上施加地震動力荷載，比較分析在不同降雨量和地震共同作用下邊坡的應力應變特征及其穩(wěn)定性。各耦合工況設置情況見表2。

表2 耦合工況設置Table 2 Multi load-case set

3 各工況計算及結(jié)果分析

3.1 天然工況及降雨工況

模擬過程中，考慮不同降雨情況對邊坡穩(wěn)定性的影響，設置25 mm/d、35 mm/d、45 mm/d等3種降雨情況，對摩擦角、粘聚力、體積模量、剪切模量等參數(shù)分別進行0.85、0.78、0.72倍折減。同時，考慮不同降雨情況下雨水入滲的加載作用，結(jié)合容重增加法，對土體容重進行不同情況的擴大。各降雨工況巖土體參數(shù)與其安全系數(shù)見表1。

由表1可知，自然工況下邊坡的安全系數(shù)為1.318，有較高的安全儲備，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。降雨量為25 mm/d時，安全系數(shù)為1.001，較天然工況降低24.23%，安全儲備所剩無幾，邊坡處于臨界滑坡狀態(tài)，微小的不利影響即可啟動滑坡。降雨量為35 mm/d時，安全系數(shù)為0.932，較天然降雨工況降低29.29%，安全儲備為0，此時邊坡的抗滑力小于下滑力，邊坡發(fā)生破壞。降雨量為45 mm/d時，安全系數(shù)為0.912，較天然降雨工況降低30.80%，安全儲備為0，較35 mm/d降雨工況，滑體產(chǎn)生更大的位移。

圖2顯示了降雨工況下安全系數(shù)隨降雨強度的變化，由圖2可知，當降雨量為0時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);隨著降雨量的增加，邊坡穩(wěn)定性逐漸降低，且當降雨量小于25 mm/d時降低幅度較大，降雨量大于25 mm/d時降低幅度較小。該曲線的擬合方程為:

圖3為各降雨工況下邊坡的位移分布圖。從圖3可知，不同降雨工況下的位移高值區(qū)均分布于坡腰中上部，但范圍隨降雨量增加逐步擴大。降雨量為25 mm/d時，最大位移值為39.3 mm(見圖3a)，位移高值區(qū)分布于高程2683～2714 m范圍內(nèi)。降雨量為35 mm/d時，最大位移值為341.7 mm(見圖3b)，位移高值區(qū)分布于高程2682～2719 m范圍內(nèi)。降雨量為45 mm/d時，最大位移值為528.1 mm(見圖3c)，位移高值區(qū)分布于高程2681～2733 m范圍內(nèi)。

圖2 安全系數(shù)與降雨強度關系曲線Fig.2 The relationship curve between safety factors and rainfall intensity

圖3 各降雨工況下位移Fig.3 The shift diagram of different rainfall conditions

分析可知，降雨工況與天然工況相比，位移高值區(qū)分布大致相同，隨降雨量增加，雨水對土體的軟化和加載作用增強，位移高值區(qū)范圍沿坡面逐步擴大，且邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。當降雨量達到35 mm/d時，滑體位移由39.3 mm突變至341.7 mm，表征其在雨水入滲和加載的綜合作用下發(fā)生局部滑坡，這與實際工程情況較吻合。

3.2 地震工況

數(shù)值模擬模型采用彈塑性模型及摩爾-庫侖準則。模型阻尼采用瑞利阻尼，其最小臨界阻尼比取0.005，最小中心頻率取12.8。施加汶川地震動力作用，汶川地震波的峰值加速度為3 m/s2，持時為20 s。汶川地震波加速度時程曲線見圖4。

在模型的關鍵位置布置4個監(jiān)測點，具體位置 (見圖5)為:A點位于高程2740 m的坡肩處，B點位于高程2723 m的上坡腰處，C點位于高程2670 m的下坡腰處，D點位于高程2627 m的坡腳處，記錄各監(jiān)測點的加速度、位移 (見圖6、圖7)。

由圖6可知，邊坡坡面各監(jiān)測點加速度響應差異較大。坡腳D點加速度峰值最小，幾乎為0;坡肩A點其次，加速度在±0.6 m/s2范圍內(nèi)變動;坡腰C點的加速度在±1.23 m/s2范圍內(nèi)變動;坡腰B點的加速度峰值最大，加速度在-3.3 m/s2～+1.4 m/s2范圍內(nèi)變動。

由圖7可知，坡腳D點位移幾乎為0;坡肩A點在地震波持時3.5 s時開始移動，11 s時位移發(fā)生突變，14 s時位移達到最大值7.3 cm;坡腰C點在3.5 s時開始移動，12 s時位移發(fā)生突變，17 s時位移達到最大值-11.5 cm;坡腰B點在1 s時開始移動，12 s時位移發(fā)生突變，18 s時達到最大值-57 cm。

分析認為，在地震波持時18 s時各監(jiān)測點位移均已達到穩(wěn)定狀態(tài)，表征各監(jiān)測點在汶川地震作用下產(chǎn)生塑性變形。坡腰C點所在土層 (粉質(zhì)黏土)與坡腰B點所在土層 (砂巖、板巖夾灰?guī)r)在地震動力作用下的位移有極大差異，表征發(fā)生較大相對位移，即C點處土層發(fā)生局部破壞，邊坡處于不安全狀態(tài)。

圖4 汶川地震波加速度時程Fig.4 The acceleration diagramin in Wenchuan seismic condition

圖5 監(jiān)測點位置分布示意圖Fig.5 The position diagram of monitoring sites

圖6 各監(jiān)測點加速度Fig.6 The acceleration diagram of the monitoring sites

圖7 各監(jiān)測點位移Fig.7 The shift diagram of the monitoring sites

3.3 降雨與地震耦合工況

由各耦合工況坡腰B點加速度圖 (見圖8)可知，從0 s開始各工況坡腰B點就有較大的加速度，其中耦合工況一最小，耦合工況二其次，耦合工況三最大。耦合工況一坡腰B點處加速度從0 s時的-1.27 m/s2銳減到0，然后在-1.1～1.08 m/s2范圍內(nèi)變動;耦合工況二坡腰B點處加速度從0 s時的4.71 m/s2銳減到0，然后在-2.01～3.15 m/s2范圍內(nèi)變動;耦合工況三坡腰 B點處加速度從0 s時的-7.23 m/s2銳減到0，然后在 -4.02～3.15 m/s2范圍內(nèi)變動。

圖9顯示了各耦合工況下坡腰B點的位移。由圖9可知，耦合工況一、二、三的坡腰B點位移在0～17 s的范圍內(nèi)大致呈線性增加。耦合工況一坡腰B點處的位移在17.8 s時達到最大值1.9 m，之后趨于穩(wěn)定;耦合工況二坡腰B點處的位移在18.3 s時達到最大值5.2 m，之后趨于穩(wěn)定;耦合工況三坡腰B點處的位移在18.5 s時達到最大值13.6 m，之后趨于穩(wěn)定。

由降雨與耦合工況坡腰B點位移對比圖 (見圖10)可知，降雨-地震耦合工況下坡腰的位移明顯比降雨工況大。降雨量為25 mm/d時，坡腰位移在降雨工況下為0.039 m，在耦合工況下為1.9 m;降雨量35 mm/d時，坡腰位移在降雨工況下為0.34 m，耦合工況下為5.2 m;降雨量45 mm/d時，坡腰位移在降雨工況下為0.53 m，在耦合工況下為13.6 m。

圖8 各耦合工況坡腰B點加速度Fig.8 The acceleration diagram of slope waist point B in each coupling condition

圖9 各耦合工況坡腰B點位移Fig.9 The shift diagram of slope waist point B in each coupling condition

圖10 不同降雨與耦合工況坡腰B點位移對比Fig.10 The shift contrast figure of slope waist point B in different rainfall and coupling condition

分析認為，降雨工況使得邊坡土體的容重和含水率增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角降低，地震動力作用效應得到了放大，導致在降雨-地震耦合工況下，邊坡發(fā)生破壞，其位移量達到單一降雨工況和單一地震工況時的數(shù)十倍。

4 結(jié)論

結(jié)合工程實例，運用FLAC3D有限差分軟件詳細地對成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡進行建模，并模擬、分析了天然、降雨、地震以及降雨-地震耦合等4種工況下邊坡的位移、加速度等變化特征，對坡體的穩(wěn)定性進行安全性評價。

通過天然工況和降雨工況坡體穩(wěn)定性分析，得到天然工況和不同降雨工況的強度折減安全系數(shù)表以及降雨量與安全系數(shù)關系式，表明隨降雨量增加，邊坡穩(wěn)定性逐步降低，為量化分析降雨量與滑坡的關系提供基礎數(shù)據(jù)。

通過對比不同降雨工況與不同耦合工況，得到降雨工況和耦合工況的關系曲線，表明降雨和地震的共同作用，會大大削弱邊坡的穩(wěn)定性，使邊坡穩(wěn)定性較降雨和地震單獨作用時要低，極其容易造成滑坡。故須對類似特殊環(huán)境的邊坡采取合適的工程措施，增加其穩(wěn)定性。

較詳細地對成蘭鐵路岷江雙線特大橋高邊坡進行數(shù)值模擬分析，為單工況以及耦合工況下邊坡的穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)。同時，也對大巴山、龍門山、龍泉山等其他滑坡頻發(fā)山區(qū)的研究和預警提供借鑒。

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