殘積土地區(qū)不同削坡角度邊坡穩(wěn)定性研究★

曾 洲 鄭志文 張 偉

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510641; 2.廣東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，廣東 廣州 510510)

1 概述

廣東多山地丘陵，雨季臺風(fēng)、暴雨等極端氣候頻現(xiàn)，極易引發(fā)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。此種問題尤以梅州市最為突出[1-3]。針對削坡建房引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，以梅州花崗巖殘積土邊坡為研究背景，運(yùn)用數(shù)值分析軟件模擬降雨條件下不同削坡坡度與邊坡穩(wěn)定性的變化關(guān)系，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防提供合理建議。

2 建立數(shù)值分析模型

2.1 模型尺寸

一般情況，25°～45°土質(zhì)邊坡滑坡發(fā)生概率最高[4]，因花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度較高，故能在坡度較陡的情況下仍具有較好的穩(wěn)定性[5]。根據(jù)2018年廣東省梅州市各縣(市、區(qū))1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查資料，邊坡地質(zhì)災(zāi)害在50°≤邊坡坡度<60°的人工邊坡占總邊坡數(shù)的11.46%，60°≤邊坡坡度<70°占39.02%，邊坡坡度不小于70°占比40.21%。因此，分別取坡度值60°,65°,70°,75°,80°以研究降雨條件下，不同削坡角度對殘積土地區(qū)邊坡穩(wěn)定性影響。

梅州市人工邊坡有崩塌1 476處，滑坡865處，不穩(wěn)定斜坡6 816處，總計(jì)9 157處。其中高度在8 m～12 m邊坡占37.35%，大于12 m的邊坡占比32.28%。邊坡削坡高度設(shè)定為中位數(shù)值12 m，邊坡簡化模型見圖1，以坡角60°邊坡為例。

2.2 土工參數(shù)

土水特征曲線是用來描述土中吸力和含水量的關(guān)系曲線[6]，通過土水特征曲線可以預(yù)測非飽和土的參數(shù)，比如滲透系數(shù)以及抗剪強(qiáng)度，再通過Geo-studio可進(jìn)行滲流計(jì)算和穩(wěn)定分析。砂質(zhì)黏性土和礫質(zhì)黏性土的土水特征曲線是根據(jù)勘察報(bào)告中飽和體積含水量，采用軟件中Sample function函數(shù)擬合得到，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。依照Van Genchten模型、各土層的飽和滲透系數(shù)和其對應(yīng)的土水特征曲線可擬合得出各土層的非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系曲線。

表1 花崗巖殘積土土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 降雨條件

根據(jù)梅州氣象局?jǐn)?shù)據(jù)，梅州市降雨量在時(shí)間上分布不均，每年的3月～9月為降雨集中期，降雨量占全年的81.9%，6月份為全年降雨最高月份，占全年降雨量的16.9%。每年的10月至次年2月為少雨期。滑坡災(zāi)害發(fā)生在暴雨及暴雨等級以上占比為78.58%，說明暴雨條件下，花崗巖殘積土邊坡易發(fā)生失穩(wěn)破壞。相關(guān)研究顯示，滑坡當(dāng)天和前兩天降雨對邊坡影響有較強(qiáng)的相關(guān)性[7]。設(shè)定降雨條件為3.75 mm/h(暴雨)，連續(xù)72 h持續(xù)降雨。

3 降雨及削坡坡度對邊坡穩(wěn)定影響

在初始邊界條件下經(jīng)SEEP/W穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算，地下水水頭分布情況見圖2，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)瞬態(tài)模擬。

3.1 邊坡孔隙水壓力變化情況

地下水位線以下，土體孔隙水壓力為正P=γwh，該區(qū)域孔隙水壓力為靜水壓力，隨深度線性分布。地下水作為分界線，該處的孔隙水壓力為零。地下水位線以上為負(fù)孔隙水壓力，負(fù)孔隙水壓力的存在增大了邊坡的抗剪強(qiáng)度[15]。

由圖3得出，隨著降雨入滲，邊坡頂部負(fù)孔隙水壓力逐步上升，因坡面上不存在積水條件，孔隙水壓力無法上升到正值。降雨首先影響坡腳區(qū)域，然后是坡頂，后才向坡體內(nèi)部延伸。

3.2 穩(wěn)定性影響分析

圖4為不同削坡坡度的邊坡隨降雨進(jìn)行的穩(wěn)定性變化規(guī)律，在無降雨情況下，削坡坡度越陡，穩(wěn)定性系數(shù)越低。削坡為滑坡提供了陡峭臨空面，邊坡坡度越大，滑動(dòng)土體的下滑力越大。同樣，其他條件一致，在降雨的任意時(shí)刻，削坡角度越大的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越低。

表2對應(yīng)暴雨條件下不同坡度邊坡隨時(shí)間的穩(wěn)定性變化。任意削坡角度的邊坡，隨著降雨的進(jìn)行，安全系數(shù)不斷降低，直到一較穩(wěn)定數(shù)值。是因?yàn)榻涤瓿掷m(xù)作用下，邊坡土體由非飽和逐漸向飽和態(tài)轉(zhuǎn)變，土體的基質(zhì)吸力降低，土體的抗剪強(qiáng)度降低。再者，花崗巖殘積土遇水容易軟化崩解，可見持續(xù)降雨是重要的致災(zāi)因素。

降雨和削坡綜合作用下，邊坡極易引發(fā)災(zāi)害，因此削坡角度應(yīng)保持在一個(gè)合理值。根據(jù)GB/T 32864—2016滑坡防治工程勘察規(guī)范，穩(wěn)定性系數(shù)高于1.05邊坡才基本穩(wěn)定。針對72 h降雨強(qiáng)度為3.75 mm/h(暴雨)的情況，為使得邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，建議梅州花崗巖殘積土地區(qū)12 m高的邊坡削坡值不應(yīng)超過65°。

表2 降雨條件下不同削坡坡度隨時(shí)間的穩(wěn)定性變化

削坡坡度/(°)自然條件降雨24 h降雨48 h降雨72 h601.3011.2631.2271.164651.2981.2521.1651.089701.1381.0460.9860.935751.0930.9840.9550.926801.0170.9240.8630.798

4 結(jié)語

1)持續(xù)降雨使得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不斷下降，雨水入滲通過改變邊坡土體的含水量，引起邊坡孔隙水壓力變化，進(jìn)而影響邊坡土體的抗剪強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定性。2)削坡角度越陡，邊坡越不穩(wěn)定，切坡為滑坡提供了陡峭臨空面，邊坡坡度越大，滑動(dòng)土體的下滑力越大。3)降雨和削坡綜合影響下，邊坡穩(wěn)定性急劇下降。建議梅州花崗巖殘積土地區(qū)12 m高的邊坡削坡值不應(yīng)超過65°。4)無降雨作用時(shí)，因花崗巖殘積土具有較高的抗剪強(qiáng)度，邊坡穩(wěn)定性較好。無降雨時(shí)，坡高為12 m的80°邊坡有潛在危險(xiǎn)，當(dāng)降雨進(jìn)行到24 h時(shí)，削坡角度超過70°(含70°)的12 m高邊坡應(yīng)密切關(guān)注，做好防災(zāi)措施。