胡欣宇，趙少飛，邢明源,鮑俊文,李萍萍

(華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

在邊坡工程中，穩(wěn)定性性分析是研究和防治滑坡地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵之一。降雨往往誘發(fā)邊坡破壞，確定降雨時(shí)的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，可提前采取有效調(diào)控措施，減小災(zāi)害損失[1]。

近年來，諸多國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)方法及數(shù)值模擬對降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。曹偉等基于拉丁超立方抽樣方法，在有限元軟件ABAQUS中開發(fā)了自動計(jì)算邊坡可靠度的算法，該方法可以高效準(zhǔn)確地分析出邊坡的可靠度[2]。Lee等對不同降雨強(qiáng)度下的四種不同滲透性土體進(jìn)行研究，得出降雨強(qiáng)度與飽和滲透系數(shù)有關(guān)[3]。Zhang等對降雨誘發(fā)滑坡進(jìn)行了總結(jié)和回顧[4]。秦文濤研究認(rèn)為降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、降雨類型等因素對邊坡穩(wěn)定性有顯著影響[5]。唐棟利用GeoStudio軟件對前期降雨影響的邊坡滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究[6]。Duan等研究表明，同一降雨時(shí)間和累積降雨量，前期降雨對邊坡的危害最大[7]。對降雨入滲下的黃土邊坡，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，關(guān)曉迪等通過室內(nèi)邊坡降雨模型箱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，邊坡土體坡比越大，坡中降雨入滲深度越小[8]。

邊坡安全系數(shù)不僅與降雨持續(xù)時(shí)間、降雨強(qiáng)度有關(guān)，還與降雨類型密切有關(guān)。目前，在對邊坡穩(wěn)定性受降雨影響這一方面，雖然已開展了較深入的研究，但非飽和土邊坡安全系數(shù)受降雨類型影響的研究還較少。魏凌傲等研究了裂隙土體在不同降雨模式條件下的滲流特性，為非飽和土邊坡在不同降雨類型條件下的滲流規(guī)律提供了參考[9]。唐棟等分析了土—水特征曲線在降雨前期對邊坡穩(wěn)定性的影響[10]。本文選取四種代表性的降雨類型，分別為均勻型、前鋒型、中鋒型和后鋒型[11]，連續(xù)降雨5天及停雨隨后5天時(shí)間內(nèi)邊坡安全系數(shù)變化，分析不同降雨類型中累積降雨量對邊坡安全系數(shù)的影響，及安全系數(shù)相應(yīng)的滑動范圍的大小。

1 降雨類型及計(jì)算模型建立

為了反映降雨類型及降雨量對非飽和土邊坡安全系數(shù)的影響，首先利用GeoStudio軟件中SEEP/W模塊對降雨及入滲進(jìn)行瞬態(tài)滲流模擬，將得到的非飽和土中孔隙水壓力分布結(jié)果導(dǎo)入到邊坡穩(wěn)定性計(jì)算SLOPE/W模塊中，進(jìn)而利用極限平衡法確定出邊坡相應(yīng)的安全系數(shù)。

1.1 降雨類型

我國南方地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長、強(qiáng)度大、分布廣的降雨特點(diǎn)。根據(jù)氣象局的規(guī)定，24 h內(nèi)不同降雨量所對應(yīng)的降雨強(qiáng)度分類，見表1[12]。降雨隨時(shí)間變化的類型，分為均勻型、后鋒型、中鋒型和前鋒型四種降雨類型，如圖1所示。

表1 降雨強(qiáng)度分類

圖1 降雨類型

1.2 計(jì)算模型建立

非飽和土邊坡計(jì)算模型中，邊坡高度取20 m，坡頂和坡腳寬度均為10 m，截面長度共40 m，坡度為0.75 rad，存在地下水，如圖2所示。土的計(jì)算參數(shù)見表2[12]。

表2 模型材料參數(shù)

圖2 計(jì)算模型

邊坡滲流計(jì)算模型中，以0.5 m尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為1994，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2084。邊坡模型的左側(cè)和底部設(shè)置為不透水邊界，考慮到土的飽和滲透系數(shù)大于最大降雨強(qiáng)度，因此將邊坡的頂部和坡面設(shè)置為流量邊界；為了反映雨水能夠自由滲出，將邊坡右側(cè)地下水位以上部分設(shè)置成水頭為零的邊界。

非飽和土的土—水特征曲線采用Fredlund-Xing[13]模型，其函數(shù)表達(dá)式為

(1)

其中

(2)

式中，θw為體積含水量；θs為飽和體積含水量；ψ為基質(zhì)吸力；a為與土進(jìn)氣值函數(shù)有關(guān)的擬合參數(shù)；n為控制著土水特征曲線斜率的擬合參數(shù)；m為與殘余含水量函數(shù)有關(guān)的擬合參數(shù)；C(ψ)為修正因子；ψr為殘余含水量對應(yīng)的吸力值。各模型參數(shù)取值，見表2。相應(yīng)的土—水特征曲線和滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力變化曲線，分別如圖3和圖4所示。

圖3 土水特征曲線

圖4 滲透系數(shù)函數(shù)曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨類型下邊坡安全系數(shù)

對于上述四種降雨類型，分別利用SEEP/W模塊對邊坡進(jìn)行了連續(xù)降雨5天、停雨5天時(shí)間范圍內(nèi)的降雨入滲模擬。將得到的孔隙水壓力分布結(jié)果導(dǎo)入SLOP/W計(jì)算模塊中，分析降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，得到不同降雨類型下相應(yīng)的安全系數(shù)。

邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化，如圖5所示。在四種降雨類型中，隨著降雨持續(xù)時(shí)間和累積降雨量增加，安全系數(shù)從降雨前的1.71均逐漸減小。這是因?yàn)橥林泻可撸鹜恋闹囟仍黾?，同時(shí)孔隙水壓力增大，導(dǎo)致土的黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，從而造成降雨過程中邊坡安全系數(shù)逐漸減小。

圖5 安全系數(shù)隨降雨時(shí)間變化

邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間具體變化特點(diǎn)為，在降雨開始3～4天，安全系數(shù)下降相對較快，之后隨著降雨繼續(xù)入滲，安全系數(shù)減小相對緩慢。當(dāng)臨近停止降雨或降雨結(jié)束時(shí)，邊坡安全系數(shù)達(dá)到最小值。對于均勻型降雨和后鋒型降雨，在降雨結(jié)束時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最低，隨后安全系數(shù)開始逐漸增加。而對于中鋒型和前鋒型降雨，安全系數(shù)在降雨結(jié)束前一天即達(dá)到最低值。在四種降雨類型中，前鋒型降雨中最小安全系數(shù)低于其它降雨類型，是降雨前安全系數(shù)的94%。這一結(jié)論與唐棟[10]和蔡欣育[14]的研究結(jié)果相符。

對于所有四種降雨類型，隨累積降雨量的增加，均勻型和后鋒型降雨類型中邊坡安全系數(shù)逐漸降低，而前鋒型和中鋒型，達(dá)到總降雨量的96%、77%時(shí)安全系數(shù)為最小值，如圖6所示。這是因?yàn)榻涤昵捌?，大量雨水入滲到邊坡內(nèi)部，使得安全系數(shù)迅速下降，土體逐漸接近飽和，安全系數(shù)達(dá)到最小值，隨后逐漸回升。

圖6 安全系數(shù)隨累積降雨量變化

2.2 安全系數(shù)及滑動范圍關(guān)系

降雨誘發(fā)邊坡破壞影響因素較多，其中有些因素具有不確定性[15]。例如，土的力學(xué)參數(shù)及滲透性隨空間位置變化。為了反映這種不確定對邊坡安全系數(shù)的影響，考慮到邊坡破壞造成的災(zāi)害決定于安全系數(shù)和滑動范圍。為此，在各種降雨類型中，比較邊坡安全系數(shù)最小值和較小值相應(yīng)的滑動范圍，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3表明，對于安全系數(shù)略大于最小安全系數(shù)的情況，因?yàn)橄鄳?yīng)的滑動范圍比較大，降雨引起邊坡破壞造成的危害可能更大。例如，均勻型降雨條件下，安全系數(shù)為1.641高于最小安全系數(shù)1.618，但是滑動范圍185.2 m2明顯大于最小安全系數(shù)對應(yīng)的滑動范圍140.7 m2。其它降雨條件下，也有類似的情況。這意味著，對于降雨引起的邊坡穩(wěn)定性問題，除了最小安全系數(shù)對應(yīng)的破壞模式，也應(yīng)重視其它略大于最小安全系數(shù)相應(yīng)的可能破壞模式。

表3 不同降雨類型下的滑動范圍及類型

2.3 不同土體性質(zhì)下的安全系數(shù)

在持續(xù)降雨24 h的條件下，粘性土邊坡的安全系數(shù)僅下降0.027，即使繼續(xù)降雨，其邊坡安全系數(shù)下降幅度依舊很小，并且逐漸趨于穩(wěn)定[16]。邊坡上部為粉質(zhì)黏土?xí)r，在持續(xù)降雨及雨停后，邊坡安全系數(shù)變化幅度為6.46%[14]。王寧偉對含有粉質(zhì)黏土和粉土的邊坡進(jìn)行降雨模擬，其邊坡安全系數(shù)幅度高達(dá)16.11%[17]。

以上可得出由于不同土性的滲透系數(shù)不同，雨水的入滲程度會隨著滲透系數(shù)的增大而加強(qiáng)，從而導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)變化幅度增大，失穩(wěn)概率也隨之增大。本文所建立的是粉土邊坡，安全系數(shù)變化幅度為5.2%，由于粉土的滲透系數(shù)大于黏土的滲透系數(shù)，因此粉土邊坡的安全系數(shù)變化幅度高于黏土邊坡的安全系數(shù)變化幅度，也就是說粉土邊坡的失穩(wěn)概率高于黏土邊坡的失穩(wěn)概率。

3 結(jié)論

(1) 在四種降雨類型中，降雨開始3～4天時(shí)，安全系數(shù)下降相對較快，之后隨著累積降雨量的增加，安全系數(shù)減小相對緩慢。當(dāng)臨近停止降雨或降雨結(jié)束時(shí)，邊坡安全系數(shù)達(dá)到最小值。

(2) 對于均勻型降雨和后鋒型降雨，在降雨結(jié)束時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最低，而中鋒型降雨和前鋒型降雨的安全系數(shù)時(shí)在降雨結(jié)束前一天達(dá)到最低值。在四種降雨類型中，前鋒型降雨中的最小安全系數(shù)低于其它降雨類型。

(3) 在關(guān)注降雨引起的邊坡穩(wěn)定性時(shí)，除了最小安全系數(shù)對應(yīng)的破壞模式，也應(yīng)重視其它略大于最小安全系數(shù)相應(yīng)的可能破壞模式。