降雨作用下山西中南部通道黃土邊坡穩(wěn)定性分析

呂 菲，郭曉亮

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)原集團(tuán)有限公司，天津 300142)

地表水的入滲、沖刷與地下水的侵蝕是導(dǎo)致土質(zhì)邊坡特別是黃土邊坡破壞變形的重要原因之一［1］。持續(xù)降雨條件下，雨水對(duì)黃土邊坡不斷沖刷、侵蝕，導(dǎo)致邊坡的地質(zhì)特征和物理力學(xué)指標(biāo)發(fā)生變化［2-4］。雨水沖刷、入滲對(duì)邊坡土體產(chǎn)生潛蝕作用，地表可形成密布的沖溝，局部有陷坑;同時(shí)，降雨入滲也導(dǎo)致了坡體含水量的增加，孔隙水壓力降低，土體抗剪強(qiáng)度下降，最終可能誘發(fā)邊坡失穩(wěn)［5-8］。因此，必須對(duì)黃土邊坡降雨入滲的過(guò)程進(jìn)行研究，了解土體含水量、孔隙水壓力及基質(zhì)吸力等重要參數(shù)的變化規(guī)律，才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)黃土邊坡的穩(wěn)定性［9-12］。

山西中南部通道(晉中南)項(xiàng)目為“十一五”期間國(guó)家重點(diǎn)工程，全長(zhǎng)1260 km，沿線地貌單元復(fù)雜，黃土廣布。為滿足設(shè)計(jì)安全的需要，通過(guò)選取晉中南線典型黃土邊坡進(jìn)行不同強(qiáng)度的野外人工降雨試驗(yàn)，測(cè)得降雨入滲過(guò)程中邊坡土體含水量、孔隙水壓力、土壓力等參數(shù)的變化規(guī)律。并通過(guò)GeoStudio軟件中的SEEP模塊求解了降雨條件下非飽和土坡中孔隙水壓力與含水量的分布，進(jìn)而將數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入SLOPE中，分析了不同工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

1 野外人工降雨試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)點(diǎn)為晉中南線蘆則溝1號(hào)隧道西側(cè)50 m的黃土高邊坡，降雨坡面面積為22.5 m2，坐標(biāo)為N∶38.18362°E∶111.04906°，坡高約 75 m，坡度約63.2°，坡向252°，地層出露自上而下分別為新黃土、老黃土和粉質(zhì)黏土，坡角為季節(jié)性河道。

山西省年平均降雨量400～650 mm，集中于夏季，多陣雨。設(shè)計(jì)采用中雨(45 mm/24 h)、大雨(65 mm/24 h)、暴雨(75 mm/24 h)3種雨型對(duì)邊坡進(jìn)行降雨。每次降雨時(shí)間1～3 h，雨后恢復(fù)時(shí)間2～3 d。

試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)邊坡一定深度的土壓力、孔隙水壓力、含水量、基質(zhì)吸力，選用的儀器有BX系列電壓式土壓力傳感器、BX系列電壓式孔隙壓力傳感器、霍爾式流量傳感器、TRIMBLE土壤水分探測(cè)儀、張力計(jì)。儀器布置如圖1所示，共布設(shè)了7個(gè)土壓力傳感器(通道1-7)、2個(gè)孔隙水壓力傳感器(通道9、11)和12支張力計(jì)，儀器的埋深見(jiàn)表1。

降雨結(jié)束后，連續(xù)性觀測(cè)一段時(shí)間，直至上述測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、邊坡恢復(fù)到干燥狀態(tài)后，方能進(jìn)行第二次模擬試驗(yàn)。

表1 傳感器和張力計(jì)埋深 cm

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2、圖3為中雨強(qiáng)度(45 mm/24 h)降雨時(shí)土壓力降雨持時(shí)曲線(以3號(hào)、7號(hào)傳感器為例)。降雨開(kāi)始后，坡體表層大量泥沙被沖走，1號(hào)～6號(hào)土壓力傳感器讀數(shù)明顯衰減(圖2)，7號(hào)土壓力傳感器沒(méi)有變小(圖3)，這是由于其埋設(shè)于試驗(yàn)區(qū)域的最底端，前有擋板，表面沖刷對(duì)其影響較小。當(dāng)降雨持續(xù)到30～40 min時(shí)，所有的傳感器壓力均上升，表明降雨造成的入滲量超過(guò)泥沙沖蝕量，坡體負(fù)荷開(kāi)始增加，并持續(xù)到降雨結(jié)束。除了2號(hào)傳感器和7號(hào)傳感器的雨后應(yīng)力超過(guò)初始應(yīng)力外，其余點(diǎn)位的應(yīng)力值均比初始應(yīng)力小，可見(jiàn)本地區(qū)受降雨侵蝕嚴(yán)重。坡體土層抗剪強(qiáng)度的減弱和孔隙水壓力的增加對(duì)邊坡穩(wěn)定會(huì)造成巨大危害。降雨持時(shí)越長(zhǎng)，失穩(wěn)可能性越大。

圖2 通道3土壓力降雨持時(shí)曲線

圖4為土壓力雨后持時(shí)曲線(以7號(hào)傳感器為例)。降雨結(jié)束后，隨著水分蒸發(fā)和下滲，所有土壓力傳感器讀數(shù)均呈減小趨勢(shì)。中午時(shí)段氣溫高、蒸發(fā)量大，壓力值減幅較大;夜間蒸發(fā)微弱、霧水補(bǔ)充，壓力值反而有所增加，但整體上壓力值減小。

本區(qū)地下水埋深大，邊坡土體孔隙發(fā)育，邊坡50、100 cm深度的初始孔隙水壓力為負(fù)值，1號(hào)孔壓-2.934 kPa(通道9)、2號(hào)孔壓-4.257 kPa(通道11)。

圖4 通道7土壓力雨后持時(shí)曲線

圖5為孔隙水壓力降雨持時(shí)曲線(以1號(hào)孔壓為例)。降雨開(kāi)始后，雨水持續(xù)入滲，孔壓傳感器讀數(shù)穩(wěn)定上升，但沒(méi)有越過(guò)零位，說(shuō)明埋點(diǎn)處土體沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)土體處于危險(xiǎn)狀態(tài)。如圖6所示，降雨結(jié)束后，由于水分蒸發(fā)與下滲，孔壓傳感器壓力值緩慢下降逐漸恢復(fù)，邊坡表層也趨于穩(wěn)定。

圖5 孔隙水壓力降雨持時(shí)曲線

圖6 孔隙水壓力雨后持時(shí)曲線

圖7為邊坡不同埋深處的體積含水率，降雨后距地表75 cm以下土體含水率與旱季同深度初始含水率基本一致，表明濕潤(rùn)峰達(dá)到70～80 cm，是本次降雨的主要影響深度。降雨結(jié)束后，比較降雨結(jié)束后24 h與48 h土層含水量可知，接近土體表層(＜0.5 m)蒸發(fā)作用明顯，隨時(shí)間推移含水量逐漸降低，土體深部(＞0.5 m)入滲作用明顯，隨時(shí)間推移含水量稍有增加。

圖7 含水率與深度關(guān)系曲線

待邊坡土體恢復(fù)至初始狀態(tài)后又進(jìn)行了大雨(65 mm/24 h)和暴雨(75 mm/24 h)降雨試驗(yàn)，土壓力、水壓力及含水量變化規(guī)律與上述試驗(yàn)類似，此處不再贅述。隨著降雨強(qiáng)度的增加和降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，入滲影響范圍增加。這就表明，即使在沒(méi)有裂縫、空洞或滑裂面的黃土地區(qū)，強(qiáng)降雨也可能誘發(fā)淺層滑坡。

2 降雨入滲數(shù)值模擬

邊坡各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 中南通道各土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)邊坡地質(zhì)特征建立模型如圖8所示，并綜合考慮計(jì)算速度與精度的要求對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。具體的有限元網(wǎng)格劃分為三角形，整個(gè)模型有1 620個(gè)單元，900個(gè)節(jié)點(diǎn)，詳見(jiàn)圖9。

圖8 邊坡斷面示意(單位:m)

圖9 有限元網(wǎng)格劃分

在給定初始水位線和水力學(xué)函數(shù)情況下，根據(jù)邊界條件，計(jì)算出邊坡初始狀態(tài)的孔隙水壓力和體積含水量分布。由圖10可以看出，初始狀態(tài)下，負(fù)孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)最大值-604 kPa出現(xiàn)在坡頂，正孔隙水壓力392.28 kPa出現(xiàn)在坡底，水壓力大致沿地下水位線垂直方向從上往下遞增，地下水位附近及往下出現(xiàn)滲流，滲流速度最大為4.34×10-7m/s。

圖10 初始狀態(tài)坡體孔隙水壓力分布

由圖11可以看出，初始狀態(tài)下，坡體體積含水量和孔隙水壓力基本對(duì)應(yīng)，從上往下遞增，但在地下水位線附近，梯度增加，等值線有起伏，與水位線不一致，坡頂體積含水量為1.59%，底部體積含水量為44%。

圖11 初始狀態(tài)坡體體積含水量分布

根據(jù)野外人工降雨資料，本次模擬雨型為中雨、大雨、暴雨，對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)為30、60、75 mm/d。研究邊坡地表線按坡度可分為三段，坡度從上到下分別為9°、21°、47°。換算到坡面單位流量雨強(qiáng)見(jiàn)表3。

表3 坡面單位流量

由圖12～圖15可以看出:隨降雨強(qiáng)度增加和降雨時(shí)間延長(zhǎng)，坡體孔隙壓力和含水量逐漸增加。降雨1 d時(shí)，由于坡體初始地下水線埋深大，地表土體較干，三種雨強(qiáng)對(duì)坡體水理性質(zhì)改變不大，最大影響深度也只達(dá)到0.6 m。降雨10 d時(shí)，影響深度達(dá)到5 m，但沒(méi)有出現(xiàn)飽和區(qū)。降雨100 d時(shí)，邊坡土體水力性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變，邊坡表層都出現(xiàn)或大或小的暫態(tài)飽和區(qū)，當(dāng)雨強(qiáng)為暴雨(75 mm/d)時(shí)形成了貫通穩(wěn)定的潛水水位線，濕潤(rùn)鋒更是下移到9 m左右。

圖12 雨強(qiáng)30 mm/d不同降雨持時(shí)坡體孔隙水壓力分布

圖13 雨強(qiáng)60 mm/d不同降雨持時(shí)坡體孔隙水壓力分布

圖14 雨強(qiáng)75 mm/d不同降雨持時(shí)坡體孔隙水壓力分布

圖15 降雨100 d不同雨強(qiáng)坡體體積含水量分布

3 降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析

將上述不同降雨強(qiáng)度和降雨持時(shí)的SEEP/W計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入SLOPE中，采用三種極限平衡法(Ordinary、Bishop、Janbu)對(duì)不同降雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

由圖16可以得知，隨降雨強(qiáng)度增大，降雨時(shí)間延長(zhǎng)，邊坡穩(wěn)定性降低。降雨1 d時(shí)，安全系數(shù)下降0.003～0.01，基本對(duì)邊坡穩(wěn)定不產(chǎn)生影響。降雨100 d情況下，降雨強(qiáng)度為30 mm/d時(shí)，安全系數(shù)的降幅在0.074～0.098，降雨強(qiáng)度為60 mm/d時(shí)，安全系數(shù)的降幅在0.089～0.127，降雨強(qiáng)度為75 mm/d時(shí)，安全系數(shù)的降幅在0.118～0.159。降雨1 d時(shí)，安全系數(shù)基本不發(fā)生變化，降雨10 d時(shí)，安全系數(shù)下降速率加快，降雨100 d時(shí)，安全系數(shù)依然下降且未見(jiàn)平緩的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，在無(wú)裂隙、無(wú)薄弱面工程地質(zhì)條件下，持續(xù)降雨對(duì)黃土高邊坡的穩(wěn)定性依然存在影響。

圖16 安全系數(shù)隨降雨持時(shí)變化

4 結(jié)論

(1)降雨開(kāi)始時(shí)，沖刷帶走剖面大量松軟土層，當(dāng)進(jìn)行到半小時(shí)后，入滲量超過(guò)泥沙沖蝕量，此時(shí)土壓力和孔隙水壓力上升，邊坡負(fù)荷增加，抗剪強(qiáng)度減小，邊坡進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)。降雨結(jié)束后，雨水下滲繼續(xù)進(jìn)行，隨后吸力恢復(fù)，孔壓消散，邊坡表層趨于穩(wěn)定。

(2)邊坡坡體孔隙水壓力、含水量與降雨強(qiáng)度和降雨持時(shí)呈正相關(guān)關(guān)系。降雨強(qiáng)度越大，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，越不利于邊坡穩(wěn)定。

(3)根據(jù)晉中南線試驗(yàn)段鐵路具體情況，黃土邊坡防護(hù)宜采用孔窗式護(hù)墻與骨架護(hù)坡相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，既滿足強(qiáng)度要求又綠化邊坡，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)排水措施，降低降雨入滲和沖刷對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性造成的危害。

［1］ 張宗祜，張之一，王蕓生.中國(guó)黃土［M］.北京:地質(zhì)出版社，1989.

［2］ 李喜安，黃潤(rùn)秋，彭建兵.黃土崩解性試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009(5):3207-3213.

［3］ Brivois O，Bonelli S，Borghi R.Soil erosion in the boundary layer flow along a slope:a theoretical study［J］.European Journal of Mechanics(B/Fluids)，2007，26(6):707-719.

［4］ Fredlund D G，Xing A Q.Equations for soil-water characteristic curve［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31(4):521-532.

［5］ Huang M，Jia C.Strength reduction FEM in stability analysis of soil slopes subjected to transient unsaturated seepage［J］.Computer and Geotechnics，2009，36(1/2):93-101.

［6］ 付新平，丁勇.考慮基質(zhì)吸力下的黃土邊坡穩(wěn)定性研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(5):21-25.

［7］ 劉子振，言志信，彭寧波，等.持續(xù)小強(qiáng)度降雨入滲對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)影響［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2012(8):19-23.

［8］ 王念秦，張悼元.黃土滑坡災(zāi)害研究［M］.蘭州:蘭州大學(xué)出版社，2005.

［9］ 朱麗娟，王鐵行，等.降雨對(duì)非飽和黃土邊坡含水量變化規(guī)律分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(1):95-99.

［10］鄭穎人，王恭先，陳祖煜，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［11］王振文.黃土深路塹邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡坡型的合理設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(4):17-19.

［12］ Tu X B，Kwong A K L，Dai F C，et al.Field monitoring of rainfall infiltration in a loess slope and analysis of failure mechanism of rainfall-induced landslides［J］.Engineering Geology，2009，105:134-150.

［13］ Wang Gonghua，KyojiSassa.Pore-pressure generation and movement of rain-fall-induced landslide:effects of grain size and fine-particle content［J］.Engineering Geology，2003，69:109-125.