降雨條件下某堆積體邊坡穩定性分析

李安潤，鄧 輝，肖宇月，何書濤，伍小軍

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

降雨條件對邊坡穩定性有顯著影響，受不同因素的影響，邊坡穩定性又呈現出不同程度的變化。為探究邊坡穩定性變化影響因素，葉帥華等人[1-10]通過物理模擬實驗認為影響邊坡穩定性的因素有降雨強度、降雨時長、坡比、坡體形態、坡體物質組成和巖土體滲透系數等；唐棟等人[10-14]通過灰度理論的方法對不同影響因素的敏感性展開分析，結果表明降雨強度和降雨時長對邊坡穩定性起到關鍵作用。為深入探究降雨條件下坡體內部的變化情況，陸世軒等人[15]開展了降雨入滲非飽和土的穩定性研究，認為堆積體邊坡失穩與孔隙水壓力等因素密切相關，且在堆積體邊坡失穩瞬間會出現孔隙水壓力短暫消散現象。趙梓彤等人[16-17]也通過數值模擬的手段結合有限元法和強度折減法對邊坡穩定性進行分析，認為降雨強度越大，對邊坡穩定性的危害越大。但由于堆積體邊坡的空間差異性，對于西南深切河谷地區堆積體邊坡穩定性是否有相似規律，尤其是坡體形態對堆積體邊坡穩定性的影響，還有待進一步研究。

本文以大渡河流域某堆積體邊坡為例，對“轉折型”堆積體邊坡在降雨條件下的穩定性進行分析。在對邊坡工程地質條件分析的基礎上，結合有限元數值分析方法與極限平衡法，建立地質概化模型，通過在坡體內部設置的監測點，得到降雨過程中坡體孔隙水壓力和位移量等變化，進一步深入分析該堆積體邊坡在降雨條件下坡體穩定性系數等變化，進而對其穩定性做出評價，并有針對性地提出可行的防治建議。研究成果希望能為類似工程實踐提供參考。

1 工程地質條件

1.1 堆積體基本特征

該堆積體結構密實，抗剪強度高，整體穩定性好，但局部范圍內淺表部在雨季時有小規模崩塌。在堆積體前緣發育一處中型滑坡，滑坡呈圈椅狀，長約130 m，寬約370 m，平均厚度約18 m，體積約8.5×105m3，后緣形成高約40 m陡坎，坡體物質主要由碎石土和塊碎石土組成，具有架空現象，塊、碎石巖性多為閃長巖。根據鉆孔資料推測架空現象是由于滑坡體在滑動過程中形成，且滑動面位于基覆界線，滑坡體前緩后陡，由于公路S211修建將前緣抗滑段部分開挖，加之降雨弱化導致滑坡失穩成災。

1.2 堆積體結構特征

該堆積體邊坡位于德威閘址上游約1 000 m處，大渡河左岸，并有公路S211從前緣穿過。堆積體邊坡整體沿NW～SE方向展布，坡體呈上緩下陡狀，上部坡度約10～30°，下部約40～60°。坡體主要分布于1 235～1 785 m范圍內，前緣最寬處約1 700 m，長約2 000 m，平均厚度約50 m，體積約1.2×108m3。堆積體邊坡全景見圖1。

圖1 堆積體邊坡全景

根據顆粒特征將將該堆積體分為兩部分，堆積體中上部主要由細顆粒充填塊石及漂石組成，厚度一般約15～30 m，最大厚度可達約50 m，堆積體前緣基覆界面處主要以粗顆粒為主，粒徑約2～40 mm厚度約2～3 m。該堆積體還具有典型的冰磧物物質組成及結構特征，相較于普通松散堆積體，該堆積體顆粒間鑲嵌緊湊，膠結度高；堆積體的中上部以塊碎石為主，下部以角礫及細顆粒為主，顆粒粒徑差異大，邊坡堆積物結構特征總體表現為細顆粒充填于粗顆粒骨架。

2 堆積體邊坡穩定性分析方法

堆積體邊坡大多由松散物質組成，對于降雨條件下邊坡坡體內部孔隙水壓力的分析,傳統的摩爾-庫倫強度理論無法適用，在此選用非飽和土強度理論進行分析。目前應用最為廣泛的非飽和土強度理論是在20世紀70年代由Fredlund等提出：

Tf=c′+(σ-Ua)tanφ′+(Ua-Uw)tanφb

(1)

式中c′——有效黏聚力；φ′——有效內摩擦角；Uw——孔隙水壓力；Ua——孔隙氣壓力；Tf——非飽和土抗剪強度；tanφ′、tanφb——相對于凈應力與凈吸力的2個摩擦系數。

由式(1)可知，隨著基質吸力的減小，土體強度大幅降低，因此基質吸力是研究邊坡土體強度的重要指標，也是邊坡失穩評價的重要參考因素。

堆積體邊坡的穩定性評價方法很多，目前運用較多的為有限元數值分析法和極限平衡法2種，本文對該堆積體邊坡在降雨條件下的穩定性評價，采用有限元數值分析法和極限平衡法相結合進行分析。對于降雨條件下堆積體邊坡土體由非飽和狀態轉變為飽和狀態，將結合GeoStudio有限元計算軟件中SEEP/W模塊，模擬該堆積體邊坡在降雨條件下坡體內孔隙水壓力隨時間的變化情況。隨著降雨入滲，坡體內部孔隙水壓力逐漸增大，土體強度逐漸降低。借助于GeoStudio有限元計算軟件中SIGMA/W模塊，模擬該堆積體邊坡在降雨條件下邊坡應力和應變變化情況，以監測點位移量對邊坡變形情況進行分析。對于邊坡穩定性的評價，將通過SLOPE/W模塊實現，將SEEP/W模塊得到的孔隙水壓力變化情況及SIGMA/W模塊得到的應力應變情況導入SLOPE/W模塊，采用極限平衡法對降雨條件下堆積體邊坡的穩定性系數變化情況進行分析，找出堆積體邊坡隨降雨作用的變化規律。

3 堆積體邊坡穩定性分析

3.1 模型建立

根據現場調查結果，選取1-1′剖面建立地質概化模型(圖2)。模型中材料有3類，分別為堆積體、河床和基巖，其中堆積體前部坡度約45°，后部坡度約15°。模型垂直河流方向(X軸方向)長1 400 m，高(Y軸方向)700 m。模型共劃分為1 541個單元，1 627個節點。邊界條件設定：天然狀態下，邊坡模型右側采用定水頭140 m，實際河面高程1 240 m。根據當地瀘定縣氣象站降雨觀測資料及非飽和土體降雨入滲的滯后特性，降雨條件設置為2個階段，前半段降雨時間設置為10 d，總降雨量為72.8 mm，降雨類型為均勻型，后半段10 d為不降雨狀態，基覆界面設置為零流量邊界。在SEEP/W模塊進行飽和-非飽和滲流場分析時，選擇飽和/非飽和模型作為河床及堆積體材料模型，基巖材料模型選擇飽和模型。在坡體后緣、中部坡度變化處、前緣分別設置位移監測點1、2、3。

圖2 堆積體邊坡數值計算模型及位移監測點

堆積體土水特征曲線是根據堆積體的粒徑分布曲線擬合得出，結合Fredlund&Xing法估算出滲透性函數，擬合得出水土特征曲線。堆積體顆粒組成見表1。在模擬邊坡應力變化、位移及穩定性情況時，各材料的本構關系確認為彈塑性，巖土體的破壞遵循摩爾-庫倫準則，并考慮基質吸力對邊坡穩定性的影響。

表1 堆積體顆粒組成

3.2 參數選取

根據室內土工試驗、工程類比法，結合勘察資料、地區經驗及參數反演綜合確定巖土體各項物理力學參數(表2)。

表2 巖土體物理力學參數

3.3 結果及分析

3.3.1孔隙水壓力變化分析

隨著降雨持續進行，從第1 d至第10 d，孔隙水壓力由坡體表面向內部逐漸增大，坡體內部孔隙水壓力的增加相比于坡表表現出明顯的延遲。坡體內部最大孔隙水壓力出現在降雨第10 d坡體后緣中部，最大孔隙水壓力值為452 kPa。坡體中部坡度明顯變化處，孔隙水壓力值也達到約410 kPa(圖3)。第10 d停止降雨后，孔隙水壓力不再增加，并隨著時間增長開始緩慢降低，說明土體中孔隙水壓力開始逐漸消散，土體強度增加，坡體內部沒有出現孔隙水壓力短暫消散現象，到第15 d及以后孔隙水壓力基本趨于穩定狀態，但與天然狀態下孔隙水壓力值相比仍高出約10 kPa，原因可能是坡體孔隙水壓力消散還未完成，也可能是坡體受雨水浸泡后，殘留于坡體的滯水使坡體仍舊保留著一小部分孔隙水壓力。

圖3 降雨第10 d孔隙水壓力云

3.3.2位移變化情況分析

整個降雨過程中，堆積體邊坡X方向產生的位移量較小，Y方向位移量變化更為明顯，且位移量變化主要集中在降雨初期。降雨剛發生時，坡體位移沒有較為明顯的變化，隨著降雨過程持續，雨水入滲進入坡體，非飽和狀態的土體開始逐漸轉變為飽和狀態，土體抗剪強度急劇降低，位移量開始顯著增大，坡體后緣監測點1前3 d就產生了高達43.17 mm的位移量，隨著降雨時間的持續，位移量開始呈緩慢增加的趨勢，第10 d停止降雨時累積位移量已經高達43.20 mm，而后位移量緩慢增加并逐漸趨于穩定，Y方向位移量最大值最終穩定在43.21 mm。坡體中部監測點2和坡體前緣監測點3在Y方向的位移量變化，也具有坡體后緣監測點1類似的變形趨勢，但位移量明顯更小。坡體中部第10 d時累計位移量為33.93 mm，最終趨于穩定時最大位移量為33.98 mm，坡體前緣第10 d時累計位移量為7.78 mm，最終趨于穩定時最大位移量為7.81 mm。坡體后緣和坡體中部位移量差值較坡體中部與坡體前緣位移量差值更大。說明降雨條件確實會導致邊坡產生較為明顯的變形，且坡體后緣變形較中部和前緣更為明顯，地形坡度對位移量的變化有明顯的增強作用，坡體后緣位移量的增加具有漸變特征。位移量見圖4、5、6。

3.3.3模型校核

模擬計算結果顯示，降雨條件會導致坡體后緣產生較大的累計變形量，前緣變形量較小，這與現場實際調查情況相符合。現場調查時在堆積體邊坡后緣局部發現有不同長度的拉張裂縫，裂縫寬度平均約2～5 cm，深約1～2 m，延伸最長的裂縫長度可達5～10 m。坡體中部坡度轉折端也有少量裂縫發育，對應于數值模擬結果坡體中部產生的位移量，說明該模型能很好地模擬堆積體邊坡在降雨條件下的變形情況，也能較好地評價其邊坡穩定性。

圖4 坡體后緣監測點1位移量

圖5 坡體中部監測點2位移量

圖6 坡體后緣監測點3位移量

3.3.4堆積體邊坡穩定性分析

堆積體邊坡在天然狀態下處于較穩定狀態，穩定性系數為1.278，降雨條件對邊坡穩定性有一定的影響。對于該堆積體邊坡穩定性的計算常見的方法有瑞典條分法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法，該數值模型選用上述4種方法的平均值來分析堆積體邊坡的穩定性系數隨降雨時間的變化。降雨持時過程中堆積體邊坡穩定性系數變化曲線見圖7。由圖7可知，堆積體邊坡穩定性系數整體呈先快速降低后逐漸緩慢升高的趨勢。降雨初期，由于土體迅速飽水，土體強度降低，穩定性系數快速下降，第4 d以后下降速度開始變緩，直到第10 d時達到最小穩定性系數1.188，而后穩定性系數緩慢上升，由于降雨停止孔隙水壓力逐漸消散，基質吸力增大，土體強度增加，使得坡體最終趨于穩定狀態，穩定時穩定性系數為1.221。說明降雨對堆積體邊坡穩定性有明顯的影響，同時穩定時的穩定性系數仍舊低于天然狀態穩定性系數，說明堆積體邊坡土體受雨水浸泡后，土體受到了弱化作用。雖然降雨后邊坡穩定性相比于天然狀態有所降低，但堆積體邊坡整體穩定性依舊良好，基本能滿足工程需要。

圖7 穩定性系數變化

綜上所述，降雨條件對堆積體邊坡穩定性的影響主要有三方面。

a) 雨水入滲導致堆積體邊坡土體由非飽和狀態轉變為飽和狀態，邊坡孔隙水壓力增加，致使邊坡產生明顯變形，從而降低邊坡穩定性。

b) 降雨過程中孔隙水壓力一直處于動態變化程中，沒有孔隙水壓力消散情形出現，且坡體后緣位移變形呈現出漸變特征，說明只在邊坡局部產生較為明顯的變形，坡體整體穩定性較好。

c) 降雨過程中產生的局部變形為不可恢復變形，如遇長期持續降雨，累積形變量增加，潛在滑面貫通，土體強度降低，有可能導致邊坡穩定性系數降低，使邊坡整體處于不穩定狀態，產生滑坡等災害。

4 結論

a) 降雨條件下堆積體邊坡坡體內部孔隙水壓力變化明顯稍遲于坡體表部，降雨過程中孔隙水壓力不斷增加，最大孔隙水壓力出現在坡體后緣中部達452 kPa，降雨停止后穩定孔隙水壓力較天然狀態仍增加約10 kPa，降雨條件下孔隙水壓力沒有出現瞬態消散現象。

b) 降雨會導致邊坡局部產生變形，降雨條件下坡體后緣最大位移量達43.20 mm，中部和前緣分別為33.98、7.81 mm，坡體后緣位移量值增加具有漸變特征。受地形坡度因素影響，“轉折型”堆積體邊坡中部位移量較前緣變化更為明顯。

c) 雨水入滲具有延遲效應，穩定性系數的變化稍遲于降雨時間，邊坡最低穩定性系數為1.188，降雨結束后趨于穩定的穩定性系數為1.221，低于天然狀態下穩定性系數，但坡體穩定性依舊良好，降雨對土體具有弱化作用。降雨條件下只導致局部產生變形，整體強度未受到較大影響，如果長期降雨導致坡體弱化作用累積將有極大可能成災。

該堆積體邊坡天然狀態下整體穩定性較好，但在降雨條件下穩定性系數明顯降低，每次降雨都會導致變形不可恢復，穩定性系數逐漸降低，隨著降雨次數的累積，使坡體產生累積損傷，強度降低，有可能產生較大變形。建議采取修筑截排水溝+裂縫封堵+擋土墻結合的方案，一方面排出坡表水增加變形體抗滑力，另一方面利用擋土墻提升堆積體的穩定性，對于該堆積體穩定性的加固，此建議方案較為合理。