鄒祖銀,朱占元,張　鋒,陳婷婷,張自興

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 都江堰 611830;2.村鎮(zhèn)建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)四川省高等學(xué)校工程研究中心,四川 都江堰 611830;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

?

連續(xù)降雨條件下某震后高邊坡穩(wěn)定性分析①

鄒祖銀1,2,朱占元1,2,張鋒3,陳婷婷1,2,張自興1,2

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 都江堰 611830;2.村鎮(zhèn)建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)四川省高等學(xué)校工程研究中心,四川 都江堰 611830;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

基于飽和-非飽和滲流理論,綜合考慮降雨入滲引起土體重量增加、滲透力增大以及抗剪強度降低等因素的影響,建立降雨條件下震后高邊坡有限元模型,運用自編計算程序USLOPE-FEM進(jìn)行穩(wěn)定性分析。研究結(jié)果表明:未降雨之前,坡體塑性應(yīng)變主要集中分布于松散堆積體下部與基巖分界面,邊坡已經(jīng)接近臨界平衡狀態(tài);降雨量20 mm/h時連續(xù)入滲使邊坡上部土層含水量增加,負(fù)壓區(qū)消失且出現(xiàn)飽和區(qū);隨著降雨時間延長,坡體表層暫態(tài)飽和區(qū)逐漸向內(nèi)部推移,土體的重量和滲透力顯著增大、抗剪強度明顯降低,坡體中剪應(yīng)力整體增大,塑性應(yīng)變區(qū)向坡頂擴展而逐漸貫通;連續(xù)降雨6 h后,臨空面表層出現(xiàn)局部滑塌,連續(xù)降雨36 h后整個堆積層將沿基巖滑塌逐步堵江。研究成果可為強降雨條件下邊坡安全性評價提供參考,也為該邊坡的失穩(wěn)預(yù)警與滑坡防治積累資料。

邊坡工程; 強降雨; 穩(wěn)定性分析; 飽和-非飽和滲流; 汶川地震

0　引言

震驚中外的“5·12”汶川大地震讓數(shù)萬生命毀于一旦,生態(tài)環(huán)境也被瞬息改變。大量滑坡、崩塌是改變山河面貌的主要因素,也是導(dǎo)致人員傷亡、財產(chǎn)損失、設(shè)施破壞的一個重要原因[1-2]。地震誘發(fā)崩塌、滑坡產(chǎn)生的大量松散固體物質(zhì)還殘留在山體上,近幾年強降雨誘發(fā)再次滑坡崩塌乃至形成泥石流災(zāi)害的案例不勝枚舉[3-5]。震后高邊坡的安全性評價倍受當(dāng)?shù)卣?、民眾以及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

連續(xù)降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素之一,也是國內(nèi)外邊坡工程的研究熱點[1-25]。為了深入探究降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機制和規(guī)律,A.Tohari等[20-21]陸續(xù)進(jìn)行了降雨入滲模型和原位試驗研究;基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和有效應(yīng)力原理,D.G.Fredlund等[22-23]提出并發(fā)展了一些非飽和土強度準(zhǔn)則,促進(jìn)了非飽和土土力學(xué)的快速發(fā)展;在數(shù)值模擬方面,基于飽和-非飽和滲流理論,有研究采用極限平衡法和強度折減有限元法評價降雨入滲條件下的邊坡穩(wěn)定性[17]。然而,強降雨入滲條件下飽和-非飽和邊坡失穩(wěn)原因極其復(fù)雜,如何綜合考慮多種因素的聯(lián)合作用,特別是土體質(zhì)量增加和強度參數(shù)軟化對邊坡穩(wěn)定性影響的研究還不夠深入。

鑒于此,本文針對某汶川地震震后高邊坡實際工程,以避免或減輕滑坡災(zāi)害為應(yīng)用背景,基于自編飽和-非飽和降雨入滲程序USLOPE-FEM,進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,以揭示連續(xù)降雨震后高邊坡失穩(wěn)機理,為強降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析與安全性評價提供一般的技術(shù)思路和經(jīng)驗參考,也為震后高邊坡的失穩(wěn)預(yù)警與滑坡防治準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)資料。

1　工程地質(zhì)與滑坡概況

1.1滑坡概況

大咀山高邊坡系“5·12”汶川地震誘發(fā)的滑坡,位于平通鎮(zhèn)牛斐村涪江上游(圖1),地理坐標(biāo)為104°39′46″E,32°47′27″N?；麦w近似于馬蹄形,前緣寬456 m,軸線長71 6 m,海拔660～1 300 m,厚度10～60 m,體積超過100×104m3。

震后滑坡的山體,上覆土層為大面積分布厚度較大、松散、易滲水的殘留滑坡坡積土,下伏基巖為較密實且相對隔水的板巖,并且由于土層向下蠕動、地表水徑流與入滲、地下水滲流與滲出等的長期作用,導(dǎo)致殘坡積層中形成較多的土體蠕滑裂縫、地表水徑流切溝、地表水入滲侵蝕通道和地下水滲流潛蝕通道等,既破壞了殘坡積層的完整性、降低了土體及其與基巖接觸面的抗剪強度,又為地表水入滲、地下水滲流創(chuàng)造了有利條件。故此,在強降雨條件下上覆土層容易沿基巖接觸面滑塌而形成再次滑坡,如2009年6月下旬的連續(xù)暴雨就觸發(fā)了其局部的再次滑坡。若長時間連續(xù)大暴雨,極有可能出現(xiàn)大規(guī)模滑坡堵江,因此對其開展強降雨條件下邊坡穩(wěn)定性評價勢在必行。

1.2工程地質(zhì)

據(jù)四川省冶金地質(zhì)勘查局水文工程大隊調(diào)查資料,滑坡體地形條件易形成滑坡(圖1),其后緣坡度約50°～66°,殘留滑體堆積集中區(qū)約31°～52°,前部坡度約17°～52°。

圖1　震后高邊坡現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1　Site photos of the high slope after earthquake

基底為志留系茂縣群組(SMX23)千枚巖:綠灰色,風(fēng)化后成黃褐色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),板狀、 千枚狀構(gòu)造,勘察揭露范圍內(nèi),主要為強中～等風(fēng)化板巖,局部見全風(fēng)化板巖。劈理面平直光滑,無填充,產(chǎn)狀322°～348°∠50°～66°。巖體主要受兩組結(jié)構(gòu)面切割,其產(chǎn)狀分別為185°∠54°和234°∠47°,結(jié)構(gòu)面平直光滑,無填充。

1.3氣象條件

平通鎮(zhèn)牛斐村屬北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候區(qū),具有冬寒夏熱、四季分明、夏秋多雨、冬春干旱等特點。根據(jù)平武縣與綿陽氣象站歷年氣象資料統(tǒng)計:多年平均降雨量為960.40 mm,最大日降水量186.0 mm,降雨主要集中于7—9月,占全年的75.5%;年平均相對濕度72%;多年平均蒸發(fā)量1 074.3 mm,多年平均日照1 323.0 h,多年平均雷雨日28.4天,多年平均霜日數(shù)為48.1天。

2　降雨條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析模型與計算參數(shù)

2.1飽和土-非飽和土滲流控制方程

基于質(zhì)量守恒原理和非飽和土Darcy定律,各向異性多孔介質(zhì)的飽和-非飽和滲流控制微分方程[6-7,24]可寫為,

(1)

式中:h為壓力水頭(飽和區(qū)為正值，非飽和區(qū)為負(fù)值);kr為相對滲透系數(shù)(0≤kr≤1);kij為飽和滲透系數(shù);Ss為單位貯水系數(shù);C為容水度，C=dθ/dh，θ為體積含水率;β為特征系數(shù)(非飽和區(qū)為0，飽和區(qū)為1);t為時間;S為源匯項。

式(1)的定解條件為：

初始條件：

h(xi,t)|t=0=h0(xi)

(2)

式中:i=1,2,3;ni為方向余弦;i(t)為入滲率;Γ1為水頭邊界，Γ2為流量邊界，Γ3為飽和逸出邊界，Γ4為非飽和逸出邊界。對式(2)采用伽遼金加權(quán)余量法求解，并在空間上采用有限單元法進(jìn)行離散，時域上采用隱式向后差分格式進(jìn)行離散。

2.2降雨入滲邊界

降雨條件下，雨水的入滲量與土體的滲透性、干濕度及降雨強度、降雨持時等因素有關(guān)。可采用Darcy定律計算垂直地表的最大入滲能力，

(3)

當(dāng)q(t)≤R(t)時，全部入滲，即R(t)|Γ5=q(t)；當(dāng)q(t)>R(t)時，坡面形成定水頭飽和入滲，即h(xi,t)|Γ1=z(xi)。式中:q(t)為降雨強度Q(t)在入滲面上的分量，q(t)=Q(t)ni，ni為入滲面方向余弦。

2.3水力滲透參數(shù)

與飽和土不同，非飽和土的水力滲透參數(shù)為壓力水頭(基質(zhì)吸力，體積含水量或飽和度)的函數(shù)，可由土水特征曲線得出。常用的擬合模型很多，本項目采用Van Genuchten模型[6-7,24](即VG模型)擬合水力滲透參數(shù)，

(4)

式中:Se為飽和度;θ=nSe為體積含水量;n為孔隙率;α、β、m分別為模型擬合參數(shù)，m=1-β-1。

2.4土的重力增量離散

因降雨持時延長，邊坡土體含水量增大，土的重度增加使得下滑力增大。降雨入滲后土的重度為γ=γd+Se(γs-γd)。將由降雨入滲引起的土的附加重力增量等效為節(jié)點荷載[7]，

{ΔRg}e=?[N]T{ΔP}=dxdydz

(5)

式中:{ΔRg}e為降雨入滲附加重力體積力的等效節(jié)點荷載;[N]為形函數(shù);{ΔP}為土的重力增量。

2.5滲透力增量離散

基于不同降雨時刻的坡體滲流場，對飽和區(qū)根據(jù)增量有限元理論計算的由單元滲透體積力增量等效的節(jié)點滲透載荷[6]，

{ΔFS}e=-γw?[N]T{ΔJ}dxdydz

(6)

式中:{ΔFS}e為滲透體積力引起的等效節(jié)點荷載;γw為水的容重;[N]為形函數(shù);{ΔJ}為增加的水力梯度。

2.6改進(jìn)的抗剪強度準(zhǔn)則

20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外很多學(xué)者如Bishop等基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則提出了非飽和土的強度表達(dá)式，其中Fredlund的雙參數(shù)模型在巖土工程界一度獲得廣泛認(rèn)可。本項目基于固結(jié)不排水靜三軸試驗資料，采用土的強度參數(shù)與含水量之間的函數(shù)關(guān)系，考慮含水量對非飽和土強度的影響[6]，

τ=c(θ)+σtanφ(θ)

(7)

式中:τ為總的剪應(yīng)力;c(θ)為黏聚力與含水量之間的函數(shù)關(guān)系;φ(θ)為摩擦角與含水量之間的函數(shù)關(guān)系。該式為總應(yīng)力強度公式。

此外,根據(jù)土的彈-塑性模型和相關(guān)聯(lián)的流動法則,計算因降雨引起的坡體各時段的應(yīng)力、位移以及塑性應(yīng)變?；谏鲜隼碚?采用Visual Fortran語言編寫降雨條件下飽和-非飽和土坡穩(wěn)定性分析計算程序USlope-Fem,并實現(xiàn)降雨入滲條件下邊坡滲流場與瞬態(tài)穩(wěn)定性的數(shù)值模擬[7]。

2.7計算參數(shù)

平通鎮(zhèn)牛斐村大咀山山體高邊坡連續(xù)降雨條件下穩(wěn)定性分析的計算模型見圖2,橫向長930 m,左側(cè)邊界高702 m,右側(cè)邊界高70 m?；趯嶋H情況,設(shè)定:模型左右邊界AC、IJ為透水邊界,底部AJ為不透水邊界,上坡面CDEFGH為降雨入滲邊界,坡面HI為飽和逸出邊界,GH為非飽和逸出邊界。

圖2　計算模型(單位:m)Fig.2　Calculation model (Unit:m)

采用等參四邊形單元剖分計算域(圖3)。左、右豎向邊界為水平位移約束,底部水平邊界為豎向位移約束,共9 755個節(jié)點、9 469個單元。采用彈塑性本構(gòu)模型,并基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,計算任意時刻坡體內(nèi)所有節(jié)點應(yīng)力、位移和單元塑性應(yīng)變。基于現(xiàn)場勘查資料與室內(nèi)實驗結(jié)果[25]并參考文獻(xiàn)資料,采用Van Genuchten模型(即VG模型)擬合水力滲透參數(shù),滲流場計算參數(shù)與應(yīng)力場計算參數(shù)見表1。

圖3　計算域單元網(wǎng)格剖分Fig.3　Element meshes in computational domain

表1　物理力學(xué)參數(shù)

3　計算結(jié)果分析

基于勘察資料,設(shè)定圖2計算模型的右側(cè)、左側(cè)初始水頭邊界分別為高程710 m、950 m處,假設(shè)降雨量20 mm/h,據(jù)此對邊坡連續(xù)降雨入滲條件下飽和-非飽和穩(wěn)定滲流進(jìn)行模擬計算。

3.1降雨入滲分析

24小時內(nèi)坡體內(nèi)部的水分場變化如圖4所示。可以看出,降雨入滲1 h,邊坡上部土層含水量增加,負(fù)壓區(qū)消失,出現(xiàn)較淺的飽和區(qū);且因下伏基巖的隔水作用,土層零壓面與基巖面之間的水頭壓力梯度很大,由于下坡面為飽和逸出邊界,因而地下水位升高不明顯[圖4(b)]。隨著降雨時間延長,坡體表層便形成暫態(tài)飽和區(qū)且逐漸向內(nèi)部推移,由于震后山體破碎,含黏土碎石土層滲透系數(shù)很大,入滲速度較快。當(dāng)降雨24 h后,入滲深度達(dá)到10 m以上[圖4(c)]。

圖4　持續(xù)降雨下邊坡滲流場變化過程(壓力水頭,單位:m)Fig.4　Change process of slope seepage field under continuous rainfall (Pressure head,unit:m)

3.2邊坡穩(wěn)定性分析

基于勘察資料與試驗結(jié)果,及參考文獻(xiàn)給出的土的含水量與抗剪強度指標(biāo)之間關(guān)系,確定邊坡各土層的彈性模量、抗剪強度指標(biāo)與含水率之間的函數(shù)關(guān)系見表1。據(jù)此模擬計算邊坡連續(xù)降雨入滲條件下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)并進(jìn)行安全性評價研究。

降雨初始時刻邊坡的最大剪應(yīng)力云圖見圖5(a);降雨量20 mm/h、降雨24 h的最大剪應(yīng)力云圖見圖5(b)?？梢钥闯?坡體中最大剪應(yīng)力成層分布,并隨深度增加而增大;與降雨前相比,降雨入滲后坡體中最大剪應(yīng)力整體增大。

圖5　最大剪應(yīng)力(τmax)云圖Fig.5　Nephogram of the maximum shear stress τmax

降雨過程中坡體塑性應(yīng)變變化過程見圖6?？梢钥闯?未降雨之前,塑性應(yīng)變主要集中分布于地震引起的松散堆積體下部土-基巖分界面,邊坡已經(jīng)接近臨界平衡狀態(tài);降雨入滲后,上部坡體的重量和下部坡體的滲透力均顯著增大,致使坡體沿土-基巖分界面的下滑力增加,塑性應(yīng)變區(qū)沿土-基巖分界面向坡頂擴展而逐漸貫通。同時,由于松散堆積體的臨空面較陡,當(dāng)連續(xù)降雨6 h后,臨空面就會在表層出現(xiàn)局部滑塌,表現(xiàn)為溯源滑動[圖6(b)],與圖1實際邊坡滑動相符,驗證了計算結(jié)果的正確性;隨著降雨的繼續(xù)進(jìn)行,滑動面向坡體深入,當(dāng)連續(xù)降雨36 h后,滑動面接近基巖[圖6(e)],整個堆積層將沿基巖開始滑塌。

圖6　塑性應(yīng)變(εp)云圖Fig.6　Nephogram of plastic strain εp

降雨持續(xù)24 h坡體網(wǎng)格位移矢量圖見圖7。可見,降雨觸發(fā)坡體位移,特別是邊坡上部地震引起的松散堆積體有明顯向下滑動的趨勢,位移隨降雨持續(xù)時間的增加而增大。

圖7　降雨24 h 位移矢量圖Fig.7　Vector graph of displacement after rainfall for 24 h

基于強度折減法計算邊坡松散堆積體整體安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時間的變化關(guān)系(圖8)?？梢娊涤瓿掷m(xù)36 h,其整體安全系數(shù)為1.001,處于臨界平衡狀態(tài);繼續(xù)降雨將整體下滑、堵江并摧毀對岸公路邊的民房,阻斷省道S205,形成壩體高度約25 m的堰塞湖,威脅上下游村莊安全。

圖8　邊坡安全系數(shù)變化過程Fig.8　Change process of slope safety factor

4　結(jié)論

(1)邊坡系震后高邊坡,“5·12”汶川大地震使山體松動滑塌形成大量殘留滑體。未降雨之前,坡體塑性應(yīng)變主要集中分布于地震引起的松散堆積體下部與基巖分界面,邊坡已經(jīng)接近臨界平衡狀態(tài)。

(2)降雨量20 mm/h,連續(xù)入滲使邊坡上部土層含水量增加,負(fù)壓區(qū)消失(基質(zhì)吸力降低)且出現(xiàn)飽和區(qū),土層零壓面與基巖面之間的水頭壓力梯度很大;隨著降雨時間延長,坡體表層形成暫態(tài)飽和區(qū)且逐漸向內(nèi)部推移,土體的重量和滲透力顯著增大、抗剪強度明顯降低,坡體中剪應(yīng)力整體增大且沿土-基巖分界面的下滑力明顯增加,塑性應(yīng)變區(qū)向坡頂擴展而逐漸貫通;當(dāng)連續(xù)降雨6 h后,臨空面就會在表層出現(xiàn)局部滑塌,表現(xiàn)為溯源滑動;當(dāng)連續(xù)降雨36 h后,整個堆積層將沿基巖滑塌堵江。

(3)建議針對本邊坡必須進(jìn)行預(yù)處理或加強變形監(jiān)測,特別是加強連續(xù)降雨時的預(yù)警。

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Stability Analysis of Post-earthquake High Slope under Continuous Rainfall

ZOU Zu-yin1,2,ZHU Zhan-yuan1,2,ZHANG Feng3,CHEN Ting-ting1,2,ZHANG Zi-xing1,2

(1.College of Civil Engineering,Sichuan Agricultural University,Dujiangyan 611830,Sichuan,China;2.Sichuan Higher Education Engineering Research Center for Disaster Prevention and Mitigation of Village Construction,Dujiangyan 611830,Sichuan,China;3.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,Heilongjiang,China)

Continuous rainfall is an important factor inducing slope failure,and the causes of saturated-unsaturated slope failure under strong rainfall infiltration are diverse and complex.However,current research on the combined effects that induce slope failure is inadequate,particularly in relation to the increase in soil weight and softening of strength parameters after rainfall infiltration,both of which can impact slope stability.In this study,we establish a finite element model of a high slope following the Wenchuan earthquake in the condition of continuous rainfall.In the modeling process,the factors affecting slope stability caused by rainfall infiltration are considered,such as soil weight increase,penetration increase,and shear strength decrease.Furthermore,to analyze slop stability we employ a self-compiled calculation program,USLOPE-FEM,which is based on saturated-unsaturated seepage theory.Results show that the plastic strain zone of the slope is mainly distributed in the interface between the bottom of loosely accumulated materials and bedrock,and that the slope was close to a critical state of equilibrium before the rain.However,when the rainfall reached 20 mm/h,continuous infiltration increased the soil water content in the upper slope,the area of negative pressure disappeared,and a zone of saturated zone appeared.With continuation of rainfall,the transient saturated zone on the slope surface gradually developed towards the interior,causing a dramatic increase of in the weight and penetration of the slope soil,together with an evident decrease in shear strength.Furthermore,an integral increase of shear stress in the slope occurred and the plastic strain zone extended and interpenetrated gradually to the top of slope. After six hours of continuous rain,a local slump appeared on the surface of the free face,and after 36 hours the whole accumulation horizon gradually slumped along the bedrock and block river.Based on results of calculations and the above analysis,it is recommended that the slope is firstly improved and strengthened in relation to instability during continuous rainfall.It is considered that the results of this study can be used as a reference for evaluating slope safety under heavy rainfall.

slope engineering; heavy rainfall; stability analysis; saturated-unsaturated infiltration; Wenchuan earthquake

2016-01-23

四川省教育廳科研創(chuàng)新團(tuán)隊項目(16TD0006);青年基金項目(15ZB0001)；村鎮(zhèn)建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)四川省高等學(xué)校工程研究中心開放基金項目(CDPMV1405)

鄒祖銀(1974-)，男，博士研究生，副教授，主要從事邊坡工程與巖土工程數(shù)值仿真方面的科研與教學(xué)工作。E-mail:382358357@qq.com。通信作者：朱占元(1974-)，男，博士，教授，主要從事凍土動力學(xué)與凍土工程、邊坡工程方面的科研與教學(xué)工作。E-mail:zhuzyuan910@163.com。

P642.22

A

1000-0844(2016)04-0541-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0541