降雨條件下風化石英片巖邊坡穩定性分析

李 超，劉 策，關天冶

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012)

我國是世界上最大的發展中國家，在近30年的迅猛發展中，也帶動了工程基礎建設的步伐，但我國2/3的國土為山地，特別是西部地區受青藏高原隆起的影響，地形變化大，地質構造復雜。因此在這一地區開展大規模水電工程、公路工程等建設活動，不免需要經常地開挖巖土體，形成大量的人工邊坡，可見巖質邊坡的穩定性問題事關工程建設和運行期間的安全和經濟價值。山田剛二認為[1- 4]：滑坡是以巖性、地質構造、地形和風化狀態等為內因，以降雨、融雪等氣象條件和挖方填土引起的應力變化等為外因而綜合生成的極復雜地質現象。這一定義指出風化作用及巖體巖性是引發滑坡的內因之一，而降雨是引發滑坡的主要外在因素。因此本文通過考慮巖土體的非飽和作用來分析降雨入滲條件下石英片巖滲透特征，并在涉及到巖體強度的各向異性前提下分析邊坡穩定性的滯后作用。

1 飽和-非飽和滲流理論

土的導水能力在飽和-非飽和條件下，可以通過滲透系數函數來直觀反映。飽和狀態下，顆粒間所有孔隙被水充填；而在非飽和狀態下，孔隙中包含部分空氣，氣體所占據的體積為滲流的非傳導通道，導致滲流路徑更加曲折，使整體滲透系數減小。因此可以斷定，含水量是滲透系數的主要影響因素之一。加拿大專家Fredlund通過測量和估算的體積含水量函數和飽和滲透系數，來預測非飽和滲透系數函數[7- 10]。該方法控制方程如下：

(1)

式中，ks—測得的飽和滲透系數，m/s；kw—計算所得的非飽和滲透系數，m/s；θs—飽和體積含水量；e—自然對數的底2.71828；i—j到N之間的數值間距；y—代表負孔隙水壓力計算方法的虛擬變量；j—最終函數描述的最小負孔隙水壓力；N—最終函數描述的最大負孔隙水壓力；ψ—對應第j步的負孔隙水壓力；θ′—方程起始值。

2 裂隙巖體飽和-非飽和滲流理論

事實上，Narasimhan就曾假定了裂隙中流動溝槽均互相平行，并假設裂隙壁面接觸點引起的水流彎曲遠小于氣泡水流彎曲，推導出單裂隙飽和度-毛管壓力關系如下[5]：

(2)

(3)

(4)

式中，S—單裂隙飽和度；bmax—裂隙最大開度；b—裂隙開度；f(b)—裂隙開度分布函數。

周創兵[6]在研究裂隙巖體的非飽和滲流時假定裂隙開度服從Ganna分布，并最終推導出節理飽和度-毛管壓力關系式如下：

(5)

(6)

f(x)=β2xe-βx

(7)

此時，ξ，s可分別表示如下：

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(8)

(9)

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(10)

(11)

通過現場勘測資料，野外所測得的200余條結構面統計數據，研究區風化石英片巖的裂隙寬度如下：

全風化層：飽和滲透系數4.219m/s；裂隙寬度2～5mm。

強風化層：飽和滲透系數1.086m/s；裂隙寬度0.5～5mm。

因研究區中風化層及微風化層滲透系數很小，且預計降雨入滲達不到中風化層，因此在采用有限元分析計算時中風化層和微風化層采用飽水滲透系數，因此本文僅以全風化層和強風化層為計算對象。通過數據的計算擬合，所獲取非飽和滲透系數函數和體積含水量函數如圖1所示。

圖1 滲透系數函數及體積含水量函數

3 巖塊直剪試驗分析

片理面的存在是石英片巖地層力學性質、強度特征和破裂模式表現出明顯各向異性特征的根本原因，本文展開了平行于片理面、斜交片理面和垂直于片里面方向的巖塊直剪試驗，并為后續的各向異性巖質邊坡的應力分析提供參數依據，通過室內的直剪試驗，獲取結果見表1。

試驗的結果表明：巖體抗剪強度不僅與巖體所受法向應力有關，而且與巖體含水量有關；飽和狀態下巖體的抗剪強度比天然狀態時的抗剪強度平均減小20%；與天然狀態相比，黏聚力c、內摩擦角夠的變化也比較明顯，c平均下降71.4%這充分說明在降雨條件下，尤其是大降雨發生時，巖體失穩的可能性會大大增加，這也正是地質災害經常在降雨后發生的主要原因。

4 滲流場有限元分析及穩定性評價

本文采取研究區風化程度高，裂隙發育完全，較大坡高的坡段作為計算剖面，并在該基礎上分析在特定降雨條件下該高切坡的滲流場在降雨過程中的滲流趨向特點及考慮強度各向異性的穩定性分析。

該所建立的剖面模型高程以坡角(高程620.2m)以下20m為模型底邊界，并設置模型底高程為0m，巖層從上到下為殘坡積土、全風化層、強風化層、中風化層、微風化層，如圖2所示。

表1 點荷載試驗成果表

表2 計算參數表

圖2 計算剖面簡化模型圖

4.1 計算參數的選取

依據現場的滲水試驗、點荷載試驗、及巖體直剪試驗等，確定了不同巖土層的滲透系數、強度各向異性情況，各種巖土層的基本物理性質參數見表2。

4.2 初始條件和邊界條件的確定

在計算飽和-非飽和滲流的過程中，將切坡表面的邊界條件設置為單位流量邊界q=7.375mm/h，左右邊界設置為不透水邊界Q=0，本文采用當地區域歷史平均降雨強度7.4mm/h，降雨持續時間為6h，計算時間至64h剖面邊界條件如圖3所示。

圖3 剖面邊界條件設置圖

滲流場計算采用GEO-STUDIO的SEEP/W模塊，該模擬計算軟件基于有限元理論分析方法對巖土體滲流問題進行計算，可以得到飽和-非飽和的滲流數值計算結果，如圖4所示。

5 考慮各向異性邊坡穩定性分析

研究區邊坡穩定性計算采用GEO-STUDIO中的SLOPE模塊，并考慮平行于片理方向和垂直于片理方向物理強度的各向異性，從而求得相對客觀的穩定性系數，如圖5、6所示。

圖4 剖面邊界條件設置圖

圖5 不同歷時邊坡最危險滑動面

圖6 降雨條件下穩定性系數曲線

主要內容和結論如下：

(1)通過計算可得出降雨引起的入滲導致巖土體含水量增加，孔隙水壓力上升，基質吸力下降，加大了巖土體的容重，并導致了巖土體抗剪強度的降低。而在降雨過程中坡肩表層的殘坡積土孔隙水壓力變化最為顯著，全風化次之，強風化層孔隙水壓力變化較小。在降雨初期殘坡積層最先形成暫態飽和區，在降雨6h停止后，暫態飽和區不斷下移，并在殘坡積土層形成了孔空隙水壓力區，隨著雨后坡內滲流的繼續進行，高孔隙水壓力區由降雨6h時的大范圍連接區域變成數塊分割斷裂的小區域，并所屬高孔隙水壓力區不斷下移到強風化層。

(2)在考慮到風化石英片巖物理強度的各向異性情況下，運用Geostudio有限元軟件的SLOPE模塊設置該高切坡各向異性物理參數，分析在降雨過程中其穩定性的動態變化，通過計算顯示，由于在降雨停止后坡內滲流繼續進行，因此在邊坡的穩定性分析上反映出了穩定性系數的滯后性，在降雨6h停止后邊坡穩定性系數持續降低，在大約14h時降為最低1.107，并在后期有所回升，到計算的62h時回升到1.172，由此也反映出了坡體滲流的排干作用。并且通過與剛體極限平衡方法綜合分析邊坡的穩定性可分析出該高切坡在天然狀態下穩定性良好，在該特定降雨條件下歷時降雨2h時邊坡穩定性尚且滿足安全要求，2h以后邊坡穩定性在安全儲備上稍顯不足。