抗興培，孟凡成，曾超，王彪龍，郭將，劉曉*

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074；2.貴州高速公路集團有限公司；3.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司)

1 引言

棄土場是工程建設(shè)中常見的人工棄渣堆積體，在降雨、地震等工況下，極易發(fā)生滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，如2015年的深圳紅坳棄土場滑坡，給當(dāng)?shù)厝罕娫斐蓢?yán)重災(zāi)難。目前，國內(nèi)外學(xué)者對降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性的研究，主要集中在天然邊坡方面，而對棄土場邊坡穩(wěn)定性的研究較少，對不同降雨條件下，降雨入滲速率的研究幾乎沒有。天然邊坡多為非飽和邊坡，在降雨入滲條件下，逐漸向飽和狀態(tài)過渡，對應(yīng)的斜坡穩(wěn)定性發(fā)生瞬態(tài)改變。張社榮等、戚國慶、張亞國、潘思渝、王葉嬌等、張玉等研究了在降雨條件下非飽和天然邊坡內(nèi)部滲流場變化，藉此分析該類邊坡的穩(wěn)定性；Li認(rèn)為降雨在地層界面處匯聚，軟化了接觸面，隨著降雨的持續(xù)，軟化范圍擴大，逐漸使其流態(tài)化，最終誘發(fā)滑坡；Bai通過對武都縣某滑坡的研究，認(rèn)為滑坡的發(fā)生與降雨強度有很大關(guān)系，當(dāng)日降雨量超過20 mm，則極可能誘發(fā)黃土滑坡；Iverson等研究了降雨入滲對于滑坡災(zāi)害的促進作用，得到在黃土區(qū)降雨入滲深度一般限制在地下5 m以內(nèi)；汪洋等研究了小降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性的計算方法；蔣中明等分析了降雨入滲作用下三維邊坡的滲流變化；Lei等研究了降雨入滲過程中細(xì)顆粒的遷移、沉積對邊坡穩(wěn)定性的影響。較之于天然邊坡，棄土場邊坡往往坡度較大、結(jié)構(gòu)松散、密實性差，上層棄渣和下層第四系巖土在強度、滲透性等性質(zhì)上有較大差別，這就導(dǎo)致其與天然邊坡在降雨入滲條件下的內(nèi)部滲流場、穩(wěn)定性有較大差別。目前，高速公路建設(shè)過程中邊坡穩(wěn)定性的分析多集中在路堤邊坡，如朱志勤等分析了降雨條件下公路路基邊坡的滲流特性，對棄土場邊坡在降雨條件下穩(wěn)定性的研究較少。棄土場邊坡的研究，多為礦山棄土場、城市棄土場，而對山區(qū)高速公路建設(shè)過程中形成的棄土場邊坡，鮮有研究。金福喜等利用Abaqus有限元軟件分析了某城市棄土場斜坡在不同類型降雨條件下的穩(wěn)定性；吳志斌等模擬了不同降雨強度下城市棄土場邊坡的內(nèi)部滲流和穩(wěn)定性。但是目前的棄土場邊坡穩(wěn)定性研究主要是取降雨過程中的某一時刻點或降雨進行中的某幾個點來研究棄土場內(nèi)部滲流和穩(wěn)定性，顯然忽略了非飽和棄土場邊坡在降雨入滲整個過程中，其內(nèi)部滲流場和邊坡穩(wěn)定性是一個隨時間動態(tài)變化的過程。

該文以貴州山區(qū)平羅高速公路某棄土場邊坡為例，在野外勘察、室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，用數(shù)值模擬方法對比分析降雨前-降雨中-降雨后的整個降雨入滲過程中，不同降雨強度條件下，降雨入滲速率、邊坡內(nèi)部滲流場和穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律。這對揭示山區(qū)高速公路棄土場滑坡災(zāi)害形成機理和指導(dǎo)該類災(zāi)害的防治具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

2 工程概況

2.1 棄土場基本特征

貴州山區(qū)平(塘)羅(甸)高速公路某棄土場邊坡，由巖質(zhì)邊坡開挖堆積而成，棄渣為白云質(zhì)灰?guī)r，夾黏土，原地形為傾角約22°的斜坡。該棄土場占地面積4.3×103m2，平均厚度約15 m，棄渣量約6萬m3，坡面走向SE105°。原河道因棄土場堵塞而改道上移，河道下游約1 km為董當(dāng)鄉(xiāng)政府所在地，棄土場邊坡的失穩(wěn)對其構(gòu)成嚴(yán)重威脅。利用SLOPE/W建立分析模型(圖1)，根據(jù)實地勘察，棄土場邊坡模型背坡側(cè)地下水位為520 m，坡腳側(cè)地下水位488 m。

2.2 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)確定

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合部分室內(nèi)試驗和前人在貴州山區(qū)棄土場的研究成果，得到巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 棄土場邊坡模型

表1 棄土場巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

3 降雨入滲條件下坡體飽和-非飽和滲流分析

3.1 飽和-非飽和滲流基本理論

邊坡的地下水位線一般為飽和區(qū)與非飽和區(qū)的分界線，隨著降雨的進行，邊坡體內(nèi)的飽和區(qū)與非飽和區(qū)的范圍隨之變化。Richards借助對流體通過多空隙介質(zhì)中毛細(xì)管傳導(dǎo)作用的研究提出：達(dá)西定理仍然可以用來描述非飽和土中水的運動，但此時滲透系數(shù)不再為常數(shù)，而是與體積含水量有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)非飽和土的體積含水量減小時，空氣填充的空隙增加，使得過水面積減小，滲流流徑彎曲度增加，致使?jié)B透系數(shù)減小?；谫|(zhì)量守恒原理及達(dá)西定律，在等熱條件下，多維各向異性的非飽和區(qū)水分運動的基本方程為：

(1)

式中：h為水頭；kx、ky、kz為x、y、z方向的滲透系數(shù)；θ為含水量；C(θ)為比水容重，物理意義為壓力變化所引起土中含水量的變化：

(2)

式中：α、m、n為擬合參數(shù)；θs為飽和體積含水量；θr為剩余體積含水量(通常認(rèn)為是飽和體積含水量的10%)；Se為相對飽和度，Van-Genuchen(1980，VG模型)擬合的水土特征曲線方程(SWCC)即：

(3)

其中：ψ為基質(zhì)吸力[假設(shè)n=1/(1-m)，且n>1]。

VG模型是目前國內(nèi)外最為普遍的描述土壤水分特征曲線的方法，其中：

(4)

(5)

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，由式(5)得到上層棄土和下層第四系巖土土水特征曲線如圖2所示。

圖2 土水特征曲線

由式(4)得到上層棄土和下層第四系巖土滲透函數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化曲線如圖3所示。

圖3 土體滲透系數(shù)

3.2 定水頭邊界條件

在棄土場邊坡模型背坡側(cè)和坡腳側(cè)分別施加地下水位為520 m和488 m的定水頭邊界。即：

(6)

式中：r1為水頭邊界。

3.3 降雨入滲邊界條件

一般認(rèn)為，降雨強度和坡體表層的滲透系數(shù)是制約降雨入滲過程的直接控制因素，而坡體深層的滲透系數(shù)又基于滲流連續(xù)性原理間接影響到表層坡體雨水的下滲過程，因此降雨入滲速率是坡體滲透系數(shù)和降雨強度這兩個控制因素作用下的結(jié)果，這3個物理量的量綱均為m/s?，F(xiàn)對降雨強度不變情況下的降雨入滲過程，及其對應(yīng)的邊界條件予以闡述。

根據(jù)表1和圖3，在降雨初期，降雨強度遠(yuǎn)高于土體表層的非飽和滲透系數(shù)，此時的降雨入滲速度大大低于降雨強度，在坡體表面迅速產(chǎn)生地表徑流，形成水膜，稱之為“積水模型”，在不考慮積水深度的情況下，以坡表高度為水頭，按式(6)設(shè)置邊界條件。

隨著降雨入滲過程的推進，坡表土體的含水量逐漸升高直至達(dá)到飽和，其滲透系數(shù)隨之升高至飽和滲透系數(shù)。此時又分為兩種情況：

(1)表層土體飽和滲透系數(shù)大于降雨強度。在初期的定水頭邊界條件下，隨著降雨入滲過程的推進，降雨入滲速率逐步提高直至逼近降雨強度，而降雨強度決定了入滲速率的上限，因此，此時邊界條件切換為流量邊界，如式(7)所示：

(7)

式中：r2為流量邊界。

(2)表層土體飽和滲透系數(shù)小于降雨強度。在初期的定水頭邊界條件下，隨著降雨入滲過程的推進，盡管坡表土體滲透性不斷提高直至達(dá)到飽和，但仍然不足以接納全部降雨，因此地表仍然存在棄水，邊界條件仍為定水頭邊界。

SEEP/W內(nèi)置了上述降雨入滲過程帶來的邊界條件轉(zhuǎn)換算法，因此能夠方便地進行飽和-非飽和滲流分析。即在降雨條件下,非飽和坡表為水頭邊界,隨著降雨入滲至飽和時,飽和坡表為流量邊界。

貴州山區(qū)多強降雨，該文以該地區(qū)1961—2012年的50年平均最大日降雨量、50年一遇最大日降雨量、100年一遇最大日降雨量為降雨條件，假設(shè)降雨為等強降雨，降雨持時24 h,降雨強度及對應(yīng)的降雨速率見表2。以棄土場邊坡地表為迎水?dāng)嗝?，其長度為183.7 m，寬度為單位寬度，假設(shè)未入滲雨水以地表徑流形式迅速流失，而不在坡體表面形成水頭。

表2 棄土場所在地區(qū)降雨強度

采用SEEP/W有限元軟件分析棄土場邊坡在3個不同降雨強度下，分別在降雨前、降雨過程中、降雨結(jié)束時、降雨結(jié)束后的內(nèi)部滲流場變化情況。圖4(a)～(g)展示了日降雨量205.1 mm時的滲流場，其中虛線為孔隙水壓力為零的等勢面，實線為土層分界面。

圖4 不同時間的滲流場(日降雨量205.1 mm)

由圖4可知：

(1)棄土場邊坡在天然狀態(tài)下，因上層棄渣較之于下層第四系巖土，其密實性更差，滲透系數(shù)更大。由于滲流總是傾向于尋找阻力小的路徑，使得地下水位線穿過棄渣體時出現(xiàn)向上凸起現(xiàn)象。

(2)暴雨過程中，棄土場邊坡內(nèi)部滲流發(fā)生顯著變化，其表面迅速飽和，出現(xiàn)短暫的潛水位，隨著降雨的進行，出現(xiàn)地表徑流。

(3)降雨結(jié)束后，棄土場表面飽和區(qū)域恢復(fù)不飽和狀態(tài)，棄土場邊坡內(nèi)部存在一個低孔隙水壓力區(qū)域。對比圖4(a)與圖4(g)，除了地下水位面有細(xì)微差別，明顯差別在于其上的低孔隙水壓力分布區(qū)的變化。說明降雨結(jié)束后，系統(tǒng)逼近但并不能完全恢復(fù)到降雨前的初始狀態(tài)，而此次降雨后的穩(wěn)定態(tài)又將成為下一次降雨的初始態(tài)，如此周而復(fù)始，形式上在往復(fù)，實質(zhì)上在發(fā)展，這也從巖土力學(xué)這一側(cè)面，驗證了普利高津耗散結(jié)構(gòu)的不可逆理論。

4 不同降雨條件下入滲速率分析

以該地區(qū)50年平均最大日降雨量、50年一遇最大日降雨量、100年一遇最大日降雨量為強降雨條件，對比分析不同降雨強度條件下，整個降雨過程中，降雨入滲速率的變化規(guī)律(圖5)。

圖5 降雨入滲速率曲線

由圖5可知：

(1)隨著強降雨的進行，降雨入滲速率先迅速增加，然后趨于穩(wěn)定值，接近于降雨強度。最大的降雨入滲速率，出現(xiàn)在降雨進行約6 h時。結(jié)合邊坡內(nèi)部滲流場分析認(rèn)為：降雨前期階段，降雨強度大于坡表土體的滲透系數(shù)，降雨入滲速率主要受土體滲透系數(shù)制約，隨著強降雨的進行，坡體表面區(qū)域由非飽和狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為飽和態(tài)，坡表土體的滲透系數(shù)逐漸增大至最大值，其大小高于降雨強度，此時降雨強度為制約降雨入滲的主要條件。

(2)隨著降雨強度的增加，最大降雨入滲速率隨之增大，其所需時間也越短。

5 不同強度降雨條件下邊坡穩(wěn)定性分析

Mohr-Coulomb方程的修正形式常被用來描述非飽和土的抗剪強度，即：

s=c′+(σn-σa)tanφ′+(μa-μw)tanφb

(8)

式中：s為抗剪強度；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；φb為定義角，即剪力強度隨基質(zhì)吸力增加。

Vanapalli等根據(jù)非飽和土的土-水特征曲線和飽和土的抗剪強度參數(shù)，建立了預(yù)測非飽和土體剪切強度的經(jīng)驗分析模型，找到了較好的φb替代，即：

(9)

式中：θw為體積含水量；θr為殘余體積含水量，常假定為飽和體積含水率的10%。

基于上述理論，以該地區(qū)1961—2012年的平均最大日降雨量、50年一遇最大日降雨量、100年一遇最大日降雨量為降雨條件，結(jié)合降雨條件下邊坡內(nèi)部滲流場變化，利用SLOPE/W數(shù)值模擬軟件基于Morgenstern-Prince極限平衡法得到不同時刻邊坡最危險滑面，以日降雨量205.1 mm為例分析不同降雨強度條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)fos在整個降雨過程中的變化規(guī)律(圖6)。

圖6 邊坡穩(wěn)定系數(shù)

由圖6可知：

(1)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)總體變化趨勢為：隨著降雨的進行迅速減小，在降雨停止后一段時間，繼續(xù)下降到達(dá)最小值后緩慢增加，最后趨于平穩(wěn)。整個過程中棄土場邊坡的最小穩(wěn)定性系數(shù)并非出現(xiàn)在降雨過程中，而是降雨結(jié)束后的2～6 h之間。結(jié)合滲流場變化規(guī)律，分析認(rèn)為：降雨結(jié)束后的一段時間內(nèi)，棄土場邊坡表面區(qū)域由飽和向非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生朝向坡面的滲透力，從而增加了坡體的下滑力，使得斜坡穩(wěn)定性系數(shù)減小。

(2)隨著降雨強度的增加，棄土場邊坡最低穩(wěn)定性系數(shù)隨之減小。值得注意的是：50年一遇和100年一遇的強降雨條件下，二者的穩(wěn)定性系數(shù)大小基本相同，隨時間變化的趨勢基本一致，在降雨18 h至降雨結(jié)束時間段內(nèi)，其穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)小幅增加。結(jié)合棄土場邊坡滲流分析認(rèn)為：暴雨到達(dá)一定的強度時，制約降雨入滲速率的主要因素轉(zhuǎn)變?yōu)槠麦w巖土滲透系數(shù)，不再是降雨強度。特大暴雨持續(xù)一段時間后，在坡體表面形成較厚的飽和區(qū)域，其孔隙水壓力大于坡體內(nèi)部的非飽和區(qū)域，致使產(chǎn)生朝向坡內(nèi)的滲透力，從而使坡體的抗滑力和作用在坡體的正壓力增加，使得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)增加。

6 結(jié)論

以貴州山區(qū)平羅高速公路某棄土場邊坡詳勘為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)試驗和已有資料，通過Geo-Studio數(shù)值模擬軟件分析了整個降雨過程中，非飽和棄土場邊坡在不同強度降雨條件下，內(nèi)部滲流場、降雨入滲速率和邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)強降雨過程中棄土場邊坡表面區(qū)域迅速飽和，出現(xiàn)短暫的潛水位，在棄土場邊坡內(nèi)部形成有低孔隙水壓力區(qū)。

(2)強降雨的初始階段，坡表土體的滲透系數(shù)為制約降雨入滲速率的主導(dǎo)因素，隨著坡表土體飽和度的增加，降雨強度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹萍s降雨入滲速率的主要因素。降雨強度的增加使得降雨入滲速率最大值也隨之增加并使達(dá)到最大入滲速率的時間縮短。

(3)整個降雨過程中，棄土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先急劇減小，后緩慢增加，由于降雨結(jié)束后坡體表面飽和區(qū)域產(chǎn)生指向坡面的滲透力，使得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在降雨結(jié)束后繼續(xù)減小一段時間，之后的2～6 h時間段出現(xiàn)最小值。

(4)當(dāng)暴雨強度到達(dá)一定值時，受降雨入滲速率制約，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律不再隨降雨強度的增加而產(chǎn)生較大改變，降雨過程中由于邊坡表面飽和區(qū)域產(chǎn)生指向坡體內(nèi)部低孔隙水壓力區(qū)的滲透力，使得隨著強降雨的進行，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)反而增加。