黃龍波　汪洪星　談云志　吳　軍

(1. 三峽大學 水電工程施工與管理湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室， 湖北 宜昌　443002)

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降雨對巖土邊坡穩(wěn)定影響的實例分析

黃龍波1，2汪洪星1，2談云志1，2吳軍1，2

(1. 三峽大學 水電工程施工與管理湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌443002； 2. 三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室， 湖北 宜昌443002)

以建始縣紅土坪新城區(qū)紅土中路K1+140-360右側(cè)安置點邊坡為例，采用有限元強度折減法及Mohr-Coulomb屈服準則對邊坡進行數(shù)值模擬，分析不同降雨入滲時間巖土邊坡滲流路徑、滲流速度和孔隙水壓力對巖土邊坡穩(wěn)定性的影響．計算結(jié)果表明：隨著降雨時間的持續(xù)，巖土邊坡卵石土層中的滲流路徑進一步向水平向傾斜，中風化砂巖層中的入滲深度進一步增大，開始在坡腳處產(chǎn)生水平向的滲流，坡體內(nèi)地下水的流動速度加快，對滲透通道里面的巖土體(卵石土層、強風化砂巖層)中產(chǎn)生沖刷，造成細顆粒的流失，從而導致整個開挖邊坡的穩(wěn)定性急劇下降．持續(xù)降雨作用下，邊坡土體含水率急劇增加，進而飽和，導致邊坡土體基質(zhì)吸力下降，開挖邊坡的穩(wěn)定性降低．

邊坡穩(wěn)定性；降雨持續(xù)時間；數(shù)值模擬；有限元強度折減

近年來我國頻繁遭遇強降雨等極端天氣，由此而帶來的邊坡安全問題受到國內(nèi)外專家和工程界的關(guān)注，而邊坡失穩(wěn)滑坡主要發(fā)生在雨季，多是由于降雨所導致的．自然雨水的大量入滲使邊坡土體飽和而使其容重增加，隨著降雨入滲，土體含水量增大，土粒間的孔隙水壓力也隨之增加，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，土體抗剪強度下降，當降雨的強度和持續(xù)時間超過一定程度時，便可能導致邊坡失穩(wěn)．目前國內(nèi)外一些專家學者在土體滲透性和抗剪強度[1]、非飽和土孔隙水壓力[2]、降雨強度、土坡坡度及植被根系等方面進行了相應的研究．研究方法有足尺模型試驗，數(shù)值模擬等．實驗方面，林鴻州等[3]都在足尺實驗中實現(xiàn)了邊坡的降雨型破壞，實驗結(jié)果與真實情況很接近；Tsaparas等[4]利用假想的邊坡分析了降雨量、降雨持時、初始水位、滲透性對降雨誘發(fā)滑坡的影響，發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)的取值對計算結(jié)果影響較大．進行這類問題的數(shù)值計算，可采用有限元法或簡化方法進行非穩(wěn)態(tài)滲流計算[5]，用極限平衡法或強度折減有限元法進行邊坡穩(wěn)分析[6]．

本文首先分析了對紅土中路-東路邊坡穩(wěn)定有影響的因素，然后采用有限元方法探討了不同降雨入滲條件下，邊坡的地下水流動路徑、地下水流動速度、邊坡孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響，從而對邊坡的穩(wěn)定性作出評價，為工程決策者提供參考．

1　工程概況

建始縣城西北的業(yè)州鎮(zhèn)紅土坪村管轄范圍的紅土中路HZK1+140-HZK1+360右側(cè)集中修建一還建安置點，占地約3 300 m2．根據(jù)山區(qū)地形特點及當?shù)仫L俗習慣，整個安置點場區(qū)設(shè)計為一個階地，整體與紅土中路順接，規(guī)劃安置戶沿紅土中路單排布置12×10 m戶型．為了符合安置點建設(shè)的場地要求，有必要在現(xiàn)有紅土中路開挖路塹的基礎(chǔ)上，對紅土中路右側(cè)繼續(xù)進行開挖，開挖最大寬度為15 m，最大高度為23 m左右，從而形成了新的高邊坡．

根據(jù)開挖面工程地質(zhì)條件，原始設(shè)計方案將邊坡分為3段．HZK1+140～HZK1+200段：第1級邊坡坡比為1∶0.75，坡高8 m，采用M7.5漿砌片石窗孔式護面墻防護；第2級邊坡坡比為1∶0.75，坡高一坡到頂，采用M7.5漿砌片石窗孔式護面墻防護，如圖1所示．HZK1+200～HZK1+320段：第1級邊坡坡比為1∶0.3，坡高8 m，采用預應力錨索框架支護；第2級邊坡坡比為1∶0.5，坡高8 m，采用預應力錨索框架支護；第3級邊坡坡比為1∶0.75，坡高一坡到頂，采用M7.5漿砌片石窗孔式護面墻防護，如圖2所示．HZK1+320～HZK1+360段：第1級邊坡坡比為1∶0.75，坡高一坡道頂，采用M7.5漿砌片石窗孔式護面墻防護，如圖3所示．

圖1　HZK1+140～HZK1+200段支護立面圖

圖2　HZK1+220～HZK1+320段支護立面圖

圖3　HZK1+320～HZK1+360段支護立面圖

2　邊坡穩(wěn)定影響因素

2.1地層巖性

在鉆探所達深度范圍內(nèi)，地層屬第四系全新統(tǒng)、河流相沖積卵石土層、基巖巖層為白堊系(K2)強風化砂巖及中風化砂巖；場區(qū)覆蓋層依次為第1-2層種植土；第2層粉質(zhì)粘土，可塑；第3-1層卵石土，中密-密實；第3-2層粉質(zhì)粘土夾碎石，硬塑；第4-1層強風化砂巖，巖芯多呈密實砂或半膠結(jié)的巖塊狀，遇水易軟化，屬極軟巖；第4-2層中風化砂巖，巖芯較完整，裂隙不發(fā)育，屬軟巖．各巖土層的特征由上至下分述如下：

1)種植土1-2(Q4ml)：雜色，松散，主要由砂巖風化碎屑物及粘性土組成，見植物根系．此層揭露厚度：0.50～0.60 m．

2)粉質(zhì)粘土2(Q4al+pl)：褐黃～淺黃色，可塑，含少量鐵質(zhì)氧化物，成分不均勻，主要以粉質(zhì)粘土為主，含少量碎石．

3)卵石土3-1(Q3al+pl)：淺黃，中密-密實，磨圓度好，粒徑為5～20，約占60%;含少量漂石，粒徑達20～700，約占10%；余為粘性土充填，如圖3所示．此層揭露厚度：5.30～6.00 m．

4)粉質(zhì)粘土夾碎石3-2(Q3al+pl)：褐黃色，硬塑，含少量鐵質(zhì)氧化物，成分不均勻，主要以粉質(zhì)粘土為主，含少量碎石．

5)強風化砂巖4-1(K2)：紫紅色，細粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，礦物成分主要為長石、石英及少量泥質(zhì)．巖芯多呈密實砂或半膠結(jié)的巖塊狀，遇水易軟化．本層沒有完全揭露，其最大揭露厚度4.4 m．

6)中風化砂巖4-2(K2)：紫紅色，細粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，巖芯較完整，節(jié)長一般10～30 cm，裂隙不發(fā)育，本層沒有完全揭露，其最大揭露厚度6.2 m．

由于地層主要是節(jié)理層次松散且風化嚴重的泥質(zhì)粉砂巖及卵石土組成，下雨后雨水沿裂隙不斷滲透，導致土體含水量和土粒間的孔隙水壓力增加，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力和土體抗剪強度下降，當遇到強降雨和持續(xù)降雨時間超過一定限度時，邊坡就可能失穩(wěn)．國內(nèi)外研究成果[7-13]表明，由于風化及浸水軟化作用，導致巖層土的強度指標顯著減小，顯著降低了粘聚力c值的影響，而對內(nèi)摩擦角的影響稍?。?，風化嚴重的邊坡地層，巖性差、吸水易軟化、失水易干裂，是導致邊坡失穩(wěn)的主要內(nèi)在因素．如果不進行有效的治理，邊坡的穩(wěn)定將被降雨的進一步入滲所破壞．

2.2氣象特征

建始縣地處鄂西山區(qū)，恩施州北部，為亞熱帶季風濕潤型山地氣候，沿線垂直落差較大，山體切割深度約50～100 m，山地氣候特征顯著，四季分明，年平均降雨量為1 471.7 mm，雨量主要集中在7月份．年蒸發(fā)量1 144.9 mm．由于本地區(qū)降雨充沛，夏季的暴雨容易造成洪澇、滑坡、泥石流等自然災害．

邊坡的下滑力增大、抗滑力減小、安全系數(shù)降低是由持續(xù)的降雨作用造成的．當雨水大量滲入邊坡土體時，使土體吸水飽和，容重增大，強度降低，并在坡體內(nèi)部產(chǎn)生地下水滲流，從而導致邊坡失穩(wěn)．

2.3邊坡排水工程措施

采用預應力錨索框架對紅土中路-東路邊坡進行初期加固支護．在邊坡的坡面上每隔1 m加設(shè)排水管，先造孔，然后在坡面上植入排水管，排水管的水匯集到每級邊坡坡腳設(shè)置的集水水溝里，邊坡的集水水溝與邊坡兩邊的縱向排水溝相連，從而實現(xiàn)邊坡的排水．采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土對每級坡面進行坡面防護，降低地表水下滲，進而防止了土層中殘留的地表水，在重力作用下往邊坡下部入滲，使邊坡土體飽和，土體黏聚力減小，最終產(chǎn)生滑坡．

3　基本原理

20 世紀 60 年代有限元法就開始在邊坡巖土體穩(wěn)定分析方面應用，通過建立邊坡計算范圍內(nèi)各離散單元的本構(gòu)方程、幾何方程和平衡方程來解決邊坡彈性、彈塑性、粘彈塑性及非線性等問題，也可分別求出各個單元的應力、位移、應變、屈服及破壞情況．本文采用有限元強度折減法，對開挖邊坡的穩(wěn)定性進行分析，并采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進行數(shù)值模擬．有限元強度折減法引入一個折減系數(shù)來對抗剪強度指標粘聚力和內(nèi)摩擦角進行折減，如公式(1)和公式(2)所示，然后將折減后的土體抗剪強度參數(shù)分別代入摩爾-庫倫本構(gòu)模型進行數(shù)值模擬分析；當折減系數(shù)較小的時候，折減后的抗剪強度參數(shù)較大，數(shù)值模擬分析土體結(jié)構(gòu)將處于穩(wěn)定性的狀態(tài)；當折減系數(shù)增大時，折減后的抗剪強度指標逐漸減小，數(shù)值模擬分析土體結(jié)構(gòu)將逐漸產(chǎn)生破壞，此時所確定的折減系數(shù)即為土體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)．

(1)

(2)

式中，c和φ為土體的抗剪強度指標粘聚力和內(nèi)摩擦角；c′和φ′為折減后的土體抗剪強度指標；F為折減系數(shù)，土體剛好達到破壞狀態(tài)時的折減系數(shù)即為土體的安全系數(shù)．

摩爾-庫倫屈服準則進行土體的破壞接近度η計算．η按如下方法確定：

(3)

式中，f(σ)由應力狀態(tài)決定的函數(shù)，K(κ)為屈服條件．由式(3)可知，η為表示接近破壞程度的量值，所以被稱為破壞接近度．應用到摩爾-庫倫屈服準則，η的具體表達式如下

(4)

當η<1時，應力函數(shù)f(σ)在屈服面內(nèi)部，土體沒有破壞；當η≥1時，應力函數(shù)f(σ) 處在屈服面上或屈服面外，土體已破壞．

4　實例建模分析

根據(jù)設(shè)計開挖斷面建立幾何模型，通過MIDAS GTS的滲流分析模塊，進行降雨條件下邊坡的滲流分析，如圖4所示．

圖4　邊坡降雨入滲分析有限元分析模型

模型共包含4個土層，從上到下依次為卵石土層、粉質(zhì)黏土夾卵石土層、強風化巖層、中風化巖層，其中粉質(zhì)粘土夾卵石土層為模型上角灰色部分．由于開挖邊坡有植被、漿砌片石、混凝土框架、截水溝、排水溝、邊溝等進行處理；因此，不考慮開挖坡面的降雨入滲，降雨入滲邊界取為原始邊坡的降雨入滲，如圖4中模型左上角深黑色標示；根據(jù)雨量等級表，假定分析“大暴雨”條件下的邊坡入滲，取降雨量為240 mm/24 h．模型左邊界和上、下邊界取為隔水邊界，模型的左邊界取為透水邊界，分別對持續(xù)降雨4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h巖土邊坡的滲流路徑分布、地下水流動速度以及孔隙水壓力等進行分析，以獲取降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響．

通過室內(nèi)試驗，獲取卵石土層、粘質(zhì)土夾卵石土層、強風化砂巖層、中風化砂巖層的物理力學參數(shù)見表1，飽和滲透性參數(shù)見表2．通過加德納函數(shù)模擬各個土層非飽和滲透系數(shù)與負孔隙水壓力的關(guān)系，函數(shù)中a=0.697 7，n=1.525；通過Van Genuchten函數(shù)模擬各個土層非飽和滲流函數(shù)率與負孔隙水壓力的

關(guān)系，函數(shù)中θr=0.05，θs=0.424 3，α=0.697 7，n=1.525，m=0.344 3．

表1　模型材料參數(shù)

表2　滲透性參數(shù)

4.1滲流路徑對邊坡穩(wěn)定性的影響

從計算結(jié)果中提取不同降雨持續(xù)時間(4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h)作用下，地下水的流動路徑圖，分析不同持續(xù)降雨時間邊坡巖土體內(nèi)的滲流路徑(坡面內(nèi)的地下水，通過在設(shè)置排水管已經(jīng)進行處理，因此此處只考慮外界降雨入滲對邊坡地下水流動路徑的影響)，如圖5～10所示．不同持續(xù)降雨時間的滲流路徑，客觀的反映了持續(xù)降雨條件下，不同時間段內(nèi)，邊坡降雨入滲的深度和程度；降雨持續(xù)時間越長，降雨入滲的深度和橫向范圍越大，邊坡巖土體被浸泡飽和的范圍也越大．

圖5　降雨4 h地下水流動路徑分布　　　圖6　降雨8 h地下水流動路徑分布　　　圖7　降雨12 h地下水流動路徑分布

圖8　降雨16 h地下水流動路徑分布　　圖9　降雨20 h地下水流動路徑分布　　圖10　降雨24 h地下水流動路徑分布

由圖5可知，降雨時間持續(xù)了4 h時，滲流路徑在豎向到達了強風化砂巖與中風化砂巖的交界面，滲流路徑在橫向到達了開挖邊坡坡腳處；也就是說，降雨入滲影響的主要范圍為開挖邊坡的卵石土層和強風化砂巖層，其中卵石土層中的總水頭較大，強風化砂巖層中的總水頭較?。辉诼咽翆又械目偹^為比較大的正值，在強風化砂巖層中的總水頭由較小的正值逐漸變?yōu)橐粋€較小的負值．隨著降雨持續(xù)，卵石土層中的滲流路徑進一步向水平向傾斜，中風化砂巖層中的入滲深度進一步增大；開挖邊坡坡腳處開始產(chǎn)生沿著坡腳的繞流，在坡腳平臺地面線產(chǎn)生水平向的滲流；開挖邊坡第一級坡面的地表徑流增大，在開挖邊坡的第一級和第二級坡面同時產(chǎn)生強度較大的地表徑流，開挖邊坡整體失穩(wěn)的風險逐漸增強．如圖6～10所示．

4.2地下水流速度對邊坡穩(wěn)定性的影響

降雨作用下的滲流速度矢量分布圖，比較直觀的反映了降雨作用下地下水在開挖邊坡巖土體里面的作用方向和作用強度．通過分析不同降雨持續(xù)時間作用下，開挖邊坡內(nèi)部地下水流動速度的矢量分布情況，可以清晰、直觀地評價不同降雨時間對開挖邊坡穩(wěn)定性的影響，如圖11～16所示．

圖11　降雨4 h地下水流動速度分布圖　 圖12　降雨8 h地下水流動速度分布圖　 圖13　降雨12 h地下水流動速度分布圖

圖14　降雨16 h地下水流動速度分布圖　 圖15　降雨20 h地下水流動速度分布圖　 圖16　降雨24 h地下水流動速度分布圖

通過圖11～13可發(fā)現(xiàn)，在降雨開始階段，地下水流動方向以向下發(fā)展的豎向流動為主．隨著降雨時間的持續(xù)，地下水流動矢量逐漸由豎向流動向水平向流動偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的滲流力開始對開挖邊坡的最上一級坡面產(chǎn)生側(cè)向壓力．地下水流動范圍在開始接近坡腳處，滲透力進一步加劇，開始對開挖邊坡的三個等級的坡面造成直接的沖刷．滲流速度進一步向水平方向偏轉(zhuǎn)，滲流速度進一步加大，在開挖邊坡巖土體中的產(chǎn)生的側(cè)向壓力進一步加大，在進行16 h的降雨后，滲流速度進一步加大，滲流方向進一步向水平向偏轉(zhuǎn)，并且滲流達到坡腳處，有在坡腳處產(chǎn)生繞流的趨勢，如圖14所示．當降雨持續(xù)時間為20 h之后，坡腳處開始產(chǎn)生繞流；在開挖邊坡上部卵石土層、坡腳處強風化砂巖層和坡腳處卵石土層中開始形成一條狹窄的滲透通道，滲流的強度進一步加強，將對滲透通道里面的巖土體(卵石土層、強風化砂巖層)中產(chǎn)生沖刷，造成細顆粒的流失，從而導致整個開挖邊坡的穩(wěn)定性急劇下降，如圖15～16所示．

4.3孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響

持續(xù)降雨作用下地下水對開挖邊坡巖土體的浸泡作用能夠被孔隙水壓力所反映，以及孔隙水壓力影響得邊坡穩(wěn)定性；孔隙水壓力越大，表明巖土體的含水率越大，基質(zhì)吸力越小，開挖邊坡的穩(wěn)定性降低；當孔隙水壓力為正值的時候，表明巖土體已經(jīng)飽和，巖土體處于降雨入滲的浸泡作用下．

通過圖17～22可見看到不同降雨持續(xù)時間作用下開挖邊坡內(nèi)部巖土體的孔隙水壓力分布的趨勢為：孔隙水壓力隨著深度的增加而減小，坡頂附近為最大的正值，往下逐漸消減為一個負值；隨著降雨時間的持續(xù)，孔隙水壓力為正值的區(qū)域逐漸向下方擴大，孔隙水壓力為負值的區(qū)域逐漸縮小，說明降雨入滲是一個持續(xù)發(fā)展的過程，當上部巖土體飽和后，產(chǎn)生足夠大的孔隙水壓力以后，推動地下水注漿向深部巖土體滲透．

圖17　降雨4 h邊坡孔隙水壓力分布　　圖18　降雨8 h邊坡孔隙水壓力分布　　圖19　降雨12 h邊坡孔隙水壓力分布

圖20　降雨16 h邊坡孔隙水壓力分布　　圖21　降雨20 h邊坡孔隙水壓力分布　　圖22　降雨24 h邊坡孔隙水壓力分布

5　結(jié)　語

通過對滲流路徑、滲流速度矢量和孔隙水壓力的分析，可以知道，持續(xù)降雨作用下，卵石土層和強風化砂巖層將長期處于地下水的浸泡中，其強度參數(shù)將被弱化；地下水的滲透力、靜水壓力將對卵石土層和強風化砂巖層內(nèi)部的應力場改變較大，將對開挖邊坡的穩(wěn)定性造成降低；強風化砂巖層屬于極軟巖，遇水易軟化，預應力錨索錨固段置于其中，在持續(xù)降雨的作用下，其抗拔能力將進一步降低．因此，建議通過工程措施對卵石土層進行處理，一方面減低持續(xù)降雨作用下卵石土層中的入滲量，減小地下水對卵石土層和強風化砂巖層的作用，另外一方面增強卵石土層的強度，增加邊坡的穩(wěn)定性；同時，應該調(diào)整預應力錨索錨固段的位置，盡量減小預應力錨索在強風化砂巖層中的長度．

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[責任編輯周文凱]

Case Study of Influence of Rainfall on Geotechnical Slope Stability

Huang Longbo1，2Wang Hongxing1，2Tan Yunzhi1，2Wu Jun1，2

(1. Hubei Key Laboratory of Construction Management in Hydropower Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Taking the right settlement slope of clay middle road K1+140-360 in Jianshi County for example, the finite element strength reduction and Mohr-Coulomb yield criterion are used for numerical simulation of slope. The influence of geotechnical slope percolation paths, flow velocity and the pore water pressure on the geotechnical slope stability is analyzed under different rainfall infiltration times. The results show that：With sustained rainfall, percolation paths in geotechnical slope gravel layer lean further to the horizontal. Meanwhile, the infiltration depth of medium-weathered sandstone layer increased more and horizontal seepage begins to produce at the toe. And the groundwater under slope flows faster and erodes the rock mass (gravel layer, strongly weathered sandstone layer) inside the penetration channel, which results in the loss of fine particles and a sharp decline in the stability of the excavation slope. In brief, under the effect of continuous rainfall, the water content of the slope is increased rapidly; and then the soil is saturated, which leads to the decrease of the soil matrix suction and the stability of the excavation slope.

slope stability；duration of rainfall；numerical simulation；strength reduction of finite elements

2016-02-26

水電工程施工與管理湖北省重點實驗室(三峽大學)開放課題(No.2014ksd14)；三峽大學博士科研啟動基金(KJ201413036)；國家自然科學基金項目(41402259)；三峽大學研究生科研創(chuàng)新基金(2015CX035)

汪洪星(1983-)，男，講師，博士，主要研究方向為特殊土土力學研究．E-mail：wanghongxinglih@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.009

TU43

A

1672-948X(2016)04-0040-06