鄒 建

（貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州 貴陽 550001）

亞熱帶地區(qū)和熱帶地區(qū)的堆積層滑坡較多，強(qiáng)降雨環(huán)境下堆積層滑坡引發(fā)的自然災(zāi)害問題較多，對人身安全及財產(chǎn)造成威脅。為了減少滑坡問題帶來的影響，需要對強(qiáng)降雨環(huán)境下的堆積層滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，采取一些應(yīng)對措施做好防范工作。在進(jìn)行降雨滑坡穩(wěn)定性分析時，除了降雨入滲分析以外，還需要對穩(wěn)定性評價方法進(jìn)行深入探究。目前，GA模型（Green-Ampt模型）降雨滑坡穩(wěn)定性分析方法應(yīng)用較多，該模型雖然能夠反映雨水重分布狀況，分析降雨量對邊坡穩(wěn)定性造成的影響，但是未能考慮濕潤鋒以上飽和帶平行坡比表條件下引發(fā)滲漏而導(dǎo)致的水分流失問題，且缺少降雨入滲導(dǎo)致的土體抗剪強(qiáng)度變化分析。為了彌補該模型存在的不足，該文嘗試提出新的滑坡降雨入滲模型研究，利用該模型分析堆積層滑坡穩(wěn)定性。

1 滑坡降雨入滲模型的構(gòu)建

1.1 模型假設(shè)

堆積層滑坡穩(wěn)定性分析，需要獲取滑坡降雨入滲信息，通過分析入滲特點，判斷滑坡穩(wěn)定性。通過整理大量文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降雨環(huán)境下，斜坡淺表層土體狀態(tài)發(fā)生改變，待其達(dá)到飽和狀態(tài)后，隨著降雨量的增加逐漸擴(kuò)展，該過程可以從2個方面進(jìn)行分析：1）飽和帶隨著雨水滲入補給的增加而逐漸擴(kuò)大。2）水力梯度、坡體幾何條件容易對滑坡降雨入滲造成較大影響，飽和帶水分沿著坡表向下的方向排出，以滲透力方式作用于滑坡。基于這些分析，探究滑坡強(qiáng)降雨入滲過程，提出以下假設(shè)。1）滑坡結(jié)構(gòu)分為2個部分，均質(zhì)土體分布在上部，不透水基巖分布在下部。2）根據(jù)滑坡結(jié)構(gòu)特點可知，坡表徑流環(huán)境下，坡面不會產(chǎn)生積水。3）土體含水率分布均勻，去除地下水作用指標(biāo)展開分析，基質(zhì)吸力水頭參數(shù)為固定值。4）沿著豎直向下的方向降雨，產(chǎn)生的強(qiáng)度不低于土體飽和滲透系數(shù)。

1.2 模型的構(gòu)建

滑坡非飽和土體受地表水滲入影響，導(dǎo)致表層土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。在該過程中，基質(zhì)吸力和重力的作用下，入滲持續(xù)期間，濕潤鋒隨之向下擴(kuò)展。按照GA模型結(jié)構(gòu)和特點，分析表面傾斜邊坡結(jié)構(gòu)變化。表層土體受強(qiáng)降雨影響形成飽和帶，計算入滲速率，如公式（1）所示。

式中：為斜坡表面傾角；H為濕潤鋒位置的基質(zhì)吸力水頭；λ為飽和滲透系數(shù)；為降雨入滲速度；D為沿著坡表垂直方向的濕潤鋒深度。

由于降雨初期，表層土體沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，此時未產(chǎn)生濕潤鋒。上述模型適用條件有限，待形成濕潤鋒以后，或者表層土體達(dá)到飽和狀態(tài)后，才可以使用該模型進(jìn)行分析。為了較為全面地探究滑坡降雨入滲問題，將入滲過程分為2個階段，分別是濕潤鋒形成前階段、濕潤鋒形成后階段。

與降雨強(qiáng)度相比，坡表土體雨水滲透能力更強(qiáng)，處于非飽和狀態(tài)，陰雨天氣所降雨水皆滲入土體。當(dāng)降雨持續(xù)一段時間達(dá)到臨界時刻t，便形成濕潤鋒。假設(shè)降雨強(qiáng)度為q，根據(jù)入滲率與強(qiáng)度之間的關(guān)系，設(shè)定降雨入滲速率為cos。將這2個參數(shù)代入公式（1）中，得到關(guān)系式（2）。

式中：D為t時刻對應(yīng)的濕潤鋒深度，為降雨強(qiáng)度。

假設(shè)t時刻降雨入滲累計量為Q，該參數(shù)計算公式如下。

式中：θ為土體天然體積含水率，θ為土體飽和體積含水率。按照質(zhì)量守恒定律，土體水分增加量與降雨量相等，由此可以推導(dǎo)臨界時刻的計算方法，如公式（4）所示。

滑坡表層土體達(dá)到飽和狀態(tài)的同時，部分區(qū)域產(chǎn)生表層徑流，這些區(qū)域雨水入滲能力不高于降雨強(qiáng)度。其中，關(guān)于表層入滲速率可以利用公式（1）展開計算。另外，水力梯度、斜坡幾何條件皆對雨水入滲性能造成一定影響，濕潤鋒以上飽和帶水分沿著坡表向下的方向流動，以坡腳作為雨水排出區(qū)域。以往關(guān)于斜坡降雨問題的探究，利用GA模型展開分析。該研究方法缺少飽和帶與坡表層平行方向的降雨滲流問題，這與實際情況不符。為了彌補GA模型的不足，本研究構(gòu)建了新的濕潤鋒計算模型，如圖1所示。

圖1 GA模型與新模型濕潤鋒的比較

將GA模型與新模型濕潤鋒進(jìn)行對比，根據(jù)模型關(guān)系，對濕潤鋒形成后階段的降雨入滲采取補給處理。關(guān)于降雨入滲問題的分析，可以利用公式（1）進(jìn)行計算，得到降雨累計入滲量，參數(shù)計算公式如下。

累計降雨入滲量對時間展開求導(dǎo)計算，得到降雨入滲速率。采用求導(dǎo)計算方法，對公式（5）求導(dǎo)，所得結(jié)果代入公式（1）中。對計算結(jié)果進(jìn)行整理，獲取濕潤鋒速率。另外，考慮到飽和帶平行于坡表滲流，排除一些水分，導(dǎo)致濕潤鋒深度減少。引入達(dá)西定律，分析濕潤鋒減少速率和實際深度擴(kuò)展速率，對2個參數(shù)進(jìn)行積分計算，將積分計算結(jié)果代入初始條件，獲取濕潤鋒動態(tài)變化規(guī)律。由此可以推斷，土體性質(zhì)、滑坡幾何參數(shù)等多個因素與濕潤鋒深度實際參數(shù)密切相關(guān)。與GA模型相比，新的濕潤鋒模型能夠較為顯著地體現(xiàn)降雨入滲滑坡尺寸效應(yīng)。因此，該模型更貼合實際，可以作為滑坡穩(wěn)定性分析工具。

2 基于強(qiáng)降雨環(huán)境的堆積層滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 整體抗剪強(qiáng)度

該研究對持續(xù)降雨過程中滑坡穩(wěn)定性的分析，在土體抗剪強(qiáng)度基礎(chǔ)上，運用極限平衡法求解。其中，強(qiáng)度的選取非常重要。

土體在天然環(huán)境中呈現(xiàn)非飽和狀態(tài)，按照相互獨立雙應(yīng)力狀態(tài)變量求解方法，計算該狀態(tài)的強(qiáng)度，如公式（6）所示。

式中：γ代表摩擦角，用于描述基質(zhì)吸力增加程度；代表總正應(yīng)力；F代表孔隙水壓力；F代表孔隙氣壓力；'代表有效內(nèi)摩擦角；'代表土體有效黏聚力；F-F代表基質(zhì)吸力。

正應(yīng)力與基質(zhì)吸力之間相互獨立，所以，該研究將黏聚力貢獻(xiàn)用基質(zhì)吸力來描述，由此對表觀黏聚力進(jìn)行定義，用基質(zhì)吸力貢獻(xiàn)與有效黏聚力之和描述?？紤]到滑坡土體的含水率在降雨過程中分布不均勻，加大了土體物料狀態(tài)分析難度。為了簡化問題，該研究用公式（7）描述抗剪強(qiáng)度。

式中：代表試驗參數(shù)（通常取值3.4）；代表飽和層高度比，計算方法為=h/。其中，代表土體條塊高度；h代表沿著豎向的飽和層高度，計算方法為h=z/cos；c代表表觀黏聚力。

由此推斷整體土層抗剪強(qiáng)度的計算公式，如公式（8）所示。

2.2 模型穩(wěn)定系數(shù)計算

關(guān)于穩(wěn)定系數(shù)的計算，取一豎直土條塊作為分析對象，假設(shè)坡體滑面與表面處于平行狀態(tài)，受力情況如圖2所示。

圖2 土體條塊受力

其中，土條重力的計算如公式（9）所示。

式中：σ代表土體的飽和重度，代表天然重度，代表沿著坡表面方向的土條塊長度。

土條塊受飽和帶水體滲透影響，沿著坡表面平行方向產(chǎn)生滲透力，該參數(shù)的求解公式如下。

式中：σ代表水重度。

假設(shè)穩(wěn)定性系數(shù)為Φ，利用該系數(shù)評價滑坡穩(wěn)定性。其中，Φ為抗滑力與下滑力的比值，通過計算Φ，分析土條塊受力情況。以下為系數(shù)Φ的計算公式。

式中：當(dāng)Φ＞1時，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Φ＜1時，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。利用該公式計算穩(wěn)定性系數(shù)，能夠獲取土體整體強(qiáng)度在降雨過程中發(fā)生的變化特征信息，可以將其作為土體滲透力分析參考依據(jù)，所得分析結(jié)論與實際情況更加貼合。

3 結(jié)果分析

3.1 降雨時間推移下的不同坡長時濕潤鋒深度變化規(guī)律

該研究在GA模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建斜坡強(qiáng)降雨入滲分析模型。該模型中融入了飽和帶平行坡表條件下的滲透作用，解決了邊坡長度分析不足的問題。本次測試設(shè)定滑坡模型的傾角為30°，厚度為3.9 m的粉質(zhì)黏土覆蓋在滑坡表面，各項參數(shù)分別如下。σ=19.4kN/m，=16.4kN/m，λ=110m/s，'=28°，=5kPa，H =50cm，θ=0.44，θ=0.14（F-F）tanγ=10kPa。取不同坡長，計算降雨時間推移下的濕潤鋒深度數(shù)值，分析其變化規(guī)律。其中，坡長取值5 m、10 m、30m以及60 m，計算結(jié)果見表1。本次統(tǒng)計以時間為0~10×10s的不同坡長的濕潤鋒深度作為統(tǒng)計指標(biāo)，設(shè)定時間間隔為1×10s。

表1 降雨時間推移下的不同坡長的濕潤鋒深度變化

表1中，持續(xù)降雨過程中，濕潤鋒深度逐漸增加，并且隨著坡長的增加數(shù)值逐漸變大。GA模型的濕潤鋒深度從0.00 m增加至4.00 m，當(dāng)降雨時間不足4×10s時，濕潤鋒深度增加幅度較大。當(dāng)降雨時間超出4×10s后，濕潤鋒深度增加幅度發(fā)生變化較大，增加幅度先變大而后變小，再次變大。不同降雨時間為1×10s時，=5m條件下的濕潤鋒深度最小，隨著降雨時間的推移，濕潤鋒深度逐漸增加，但是小于其他取值條件下的濕潤鋒深度數(shù)值。當(dāng)不同降雨時間超過2×10s后，=60m條件下的濕潤鋒深度最大。從整體來看，滑坡的坡長越小，濕潤鋒擴(kuò)展受飽和帶滲流的影響越小，造成的影響作用逐漸增加。當(dāng)坡長趨于無限大時，飽和帶滲流不考慮其中，可以簡化該模型結(jié)構(gòu)，看作GA模型。相比之下，該模型的濕潤鋒深度特性分析更加全面。

3.2 降雨時間推移下的不同方法計算穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律

該研究以傳統(tǒng)分析方法、“整體強(qiáng)度+不考慮滲透力”分析方法作為參照，檢驗該文提出的“整體強(qiáng)度+考慮滲透力”分析方法在穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律分析中的可靠性。關(guān)于不同方法計算穩(wěn)定性系數(shù)在降雨時間推移下的變化統(tǒng)計結(jié)果見表2。本次統(tǒng)計以時間為0~8×10s的不同方法計算穩(wěn)定性系數(shù)作為統(tǒng)計指標(biāo)。

表2 降雨時間推移下的不同方法計算穩(wěn)定性系數(shù)變化

表2中，傳統(tǒng)方法應(yīng)用下的穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果幾乎沒有受到降雨時間推移的影響，隨著降雨時間的推移，穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度較小，從1.55下降至1.44，該變化現(xiàn)象與降雨邊坡穩(wěn)定性實際情況完全不符。在不考慮滲透力影響的情況下，分析滑坡整體強(qiáng)度，統(tǒng)計降雨滑坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，持續(xù)8×10s降雨，穩(wěn)定性系數(shù)從1.55下降至1.05。由此推斷，“整體強(qiáng)度+不考慮滲透力”方法應(yīng)用產(chǎn)生結(jié)果受降雨影響不是很顯著。而考慮滲透力影響的情況下，分析滑坡整體強(qiáng)度，統(tǒng)計獲取的降雨滑坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)受降雨影響較為顯著，持續(xù)8×10s降雨，穩(wěn)定性系數(shù)從1.55下降至0.65，穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果與實際情況相符。因此，該研究構(gòu)建的“整體強(qiáng)度+考慮滲透力”模型可以作為滑坡穩(wěn)定性分析工具。

4 結(jié)語

該文圍繞強(qiáng)降雨環(huán)境下堆積層滑坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行探究，在GA模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建新的分析模型。將考慮滲透力影響、滑坡整體強(qiáng)度分析綜合到一起，優(yōu)化滑坡穩(wěn)定性模型。應(yīng)用結(jié)果表明，該模型不受滑坡坡長限定影響，能夠較為全面地分析濕潤鋒深度特性，并且計算所得降雨滑坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)與實際情況相符程度更高，可以作為滑坡穩(wěn)定性分析工具。