基于改進(jìn)Green-Ampt降雨入滲模型的花崗巖風(fēng)化帶邊坡穩(wěn)定性分析

蔣天嬌，簡(jiǎn)文星，姚遠(yuǎn)，田朋飛，張樹(shù)坡

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

花崗巖是我國(guó)分布最為廣泛的巖體之一，約占國(guó)內(nèi)山地總面積的15%，在廣東、福建、江西、桂東南和湘南地區(qū)一帶分布較為集中，其中閩粵地區(qū)的花崗巖出露面積可占其總面積的30%～40%[1]。多數(shù)花崗巖節(jié)理發(fā)育，存在良好的物理化學(xué)風(fēng)化入侵通道，受南方地區(qū)多雨潮濕氣候的影響，風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈，往往在山谷地段形成高達(dá)數(shù)十米甚至百余米的棕黃色-紅褐色花崗巖風(fēng)化帶[2]。天然的花崗巖風(fēng)化帶邊坡大多分帶特征明顯、結(jié)構(gòu)松散，且含有較多的原生、次生裂隙以及殘余結(jié)構(gòu)面[3]，獲取此類(lèi)邊坡的分帶模式、力學(xué)強(qiáng)度、滲流特征和失穩(wěn)破壞模式，對(duì)于花崗巖分布區(qū)邊坡災(zāi)害防治和工程安全保障具有重要意義。

相關(guān)研究表明，花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡在切坡卸荷、持續(xù)降雨等因素影響下，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，主要包括坡腳滲流沖刷導(dǎo)致的牽引式滑移、坡頂孔隙水壓力升高引起的近垂直滑塌、坡面充水強(qiáng)度衰減形成的淺層滑動(dòng)等，有時(shí)甚至發(fā)生暴雨潰決而成為大型泥石流的物質(zhì)來(lái)源，給所在地區(qū)的人民生命和財(cái)產(chǎn)以及工程安全造成嚴(yán)重的危害[4-7]。降雨入滲對(duì)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的影響涉及邊坡各風(fēng)化帶非飽和-飽和的浸潤(rùn)過(guò)程，主要表現(xiàn)為巖土體含水率升高、容重增大以及強(qiáng)度衰減，繼而導(dǎo)致邊坡破壞[8]。結(jié)合降雨入滲模型，獲取不同降雨特征下花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的降雨浸潤(rùn)規(guī)律并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，是分析降雨誘發(fā)型邊坡失穩(wěn)破壞規(guī)律的有效方法[9-10]。

基于毛細(xì)理論的Green-Ampt降雨入滲模型(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GA模型)，模型參數(shù)少、物理意義明確且適用類(lèi)型廣，其以濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)來(lái)直觀地求解降雨誘發(fā)型邊坡的失穩(wěn)破壞模式[11-12]，多年來(lái)一直被國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷發(fā)展、改進(jìn)，并廣泛用于邊坡降雨入滲問(wèn)題的研究。如Cho[13]通過(guò)改進(jìn)GA模型中的淺層不透水邊界條件，探討了降雨強(qiáng)度變動(dòng)下殘積土邊坡潛在滑移面的變化規(guī)律及其穩(wěn)定性；Dorofki等[14]、Liu等[15]考慮坡度和初始含水率因素，提出了適用于不同坡度坡面、非均質(zhì)土層的GA模型;馬娟娟等[16]基于GA模型，引入濕潤(rùn)區(qū)的平均含水率概念，建立了3種變水頭積水降雨入滲模型；彭振陽(yáng)等[17]通過(guò)引入濕潤(rùn)層的等效導(dǎo)水率并給出鋒面吸力的計(jì)算方法，對(duì)傳統(tǒng)GA模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后模型的計(jì)算精度有顯著提高；唐揚(yáng)等[18]在改進(jìn)GA模型的基礎(chǔ)上，以非飽和土VG模型研究了初始含水率對(duì)坡體浸潤(rùn)穩(wěn)定性的影響。上述研究結(jié)果表明，結(jié)合實(shí)際邊坡特征適當(dāng)改進(jìn)GA模型，對(duì)于研究花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡降雨誘發(fā)失穩(wěn)的演變過(guò)程和致災(zāi)機(jī)理等問(wèn)題至關(guān)重要。

贛南山區(qū)位于江西省南部地區(qū)，與湖南、廣東、福建等地相接壤，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量高達(dá)1 605 mm，降雨時(shí)間集中在每年的3～8月份。研究區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，其中花崗巖出露區(qū)面積約占全區(qū)面積的1/3，且多形成巨厚層狀的花崗巖風(fēng)化帶。區(qū)內(nèi)公路、鐵路、市政等工程建設(shè)中，常常形成大量挖方邊坡，坡體在連續(xù)降雨入滲的作用下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。但與沿海地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡已有的豐富的科學(xué)研究和大量的工程防治實(shí)踐相比，針對(duì)該區(qū)域花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡在連續(xù)降雨條件下穩(wěn)定性的研究尚較少。為了研究連續(xù)降雨對(duì)贛南花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡穩(wěn)定性的影響，本文依托江西安遠(yuǎn)至定南段高速公路項(xiàng)目，通過(guò)建立花崗巖風(fēng)化帶路塹邊坡地質(zhì)模型，采用資料收集、室內(nèi)試驗(yàn)等手段獲取邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)，并基于改進(jìn)的Green-Ampt降雨入滲模型，采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬方法對(duì)不同降雨工況下花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的降雨浸潤(rùn)規(guī)律、穩(wěn)定性和變形破壞模式進(jìn)行分析。該研究結(jié)果可為贛南及我國(guó)南方其他花崗巖分布區(qū)風(fēng)化帶巖土體邊坡降雨入滲穩(wěn)定性分析和邊坡安全保障提供重要參考。

1 花崗巖風(fēng)化帶路塹邊坡地質(zhì)模型建立

本研究所選取的邊坡為贛南安遠(yuǎn)至定南新建高速公路定南段的K196+380左側(cè)花崗巖風(fēng)化帶路塹邊坡，在分析時(shí)將該邊坡的坡面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，未考慮后續(xù)邊坡支護(hù)情況，其工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶路塹邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of the cutting slope of granite weathering zone in Southern Jiangxi Province of China

該路塹邊坡在研究時(shí)已開(kāi)挖完成，邊坡上部全風(fēng)化覆蓋層較厚，巖體結(jié)構(gòu)面出露不明顯。據(jù)勘察報(bào)告鉆孔資料以及野外地質(zhì)調(diào)查情況，該邊坡巖土體的物質(zhì)組成從上往下可分為3層：①全風(fēng)化花崗巖層，黃褐色夾麻灰色，原巖結(jié)構(gòu)基本被破壞，可定為黏土質(zhì)砂,土樣中夾少量石英顆粒和強(qiáng)風(fēng)化碎塊，厚度大;②強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層：灰褐色，巖體極破碎，發(fā)育有節(jié)理裂隙，呈碎塊狀，厚度因所處的環(huán)境不同而有較大的差異;③中風(fēng)化花崗巖層，灰白色，巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖質(zhì)較硬，厚度大。

2 邊坡巖土體參數(shù)獲取

本文通過(guò)室內(nèi)基本土工試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)、巖體壓縮試驗(yàn)等方法，結(jié)合線路工程勘察報(bào)告，獲取了所選取的花崗巖殘積土風(fēng)化帶邊坡不同風(fēng)化帶巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，具體如下：

(1) 花崗巖全風(fēng)化帶：該層厚度大，具有天然固結(jié)的圍壓條件，開(kāi)挖后排水措施滯后，取該邊坡花崗巖全風(fēng)化帶巖土體樣品在室內(nèi)利用TKA三軸剪切滲流儀進(jìn)行不同圍壓下的固結(jié)不排水試驗(yàn)，以獲取花崗巖全風(fēng)化帶巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并通過(guò)施加滲流水頭的方法獲取花崗巖全風(fēng)化帶巖土體的飽和滲透系數(shù)，其水力特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 贛南地區(qū)花崗巖全風(fēng)化帶巖土體的水力特性參數(shù)

(2) 花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶：由工程地質(zhì)勘察資料統(tǒng)計(jì)分析獲取此路段花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶巖土體強(qiáng)度參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，包括重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等。

(3) 花崗巖中風(fēng)化帶：取該邊坡下部花崗巖中風(fēng)化帶巖土體樣品在室內(nèi)RMT-150C巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)，獲取花崗巖中風(fēng)化帶巖土體的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比，然后再通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)獲取巖土體黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖2 中風(fēng)化花崗巖巖土體單軸壓縮試驗(yàn)Fig.2 Uniaxial compression test of moderately weathered granite

通過(guò)對(duì)以上花崗巖殘積土風(fēng)化帶邊坡各層巖土體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行整理與整合，見(jiàn)表2。

表2 贛南地區(qū)花崗巖殘積土風(fēng)化帶巖土體的強(qiáng)度參數(shù)

3 考慮排水的改進(jìn)Green-Ampt降雨入滲模型

在持續(xù)降雨作用下，花崗巖風(fēng)化帶邊坡表層土體將處于飽和狀態(tài)，并且飽和帶伴隨降雨的連續(xù)性逐步往下延伸。為了研究贛南花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡在強(qiáng)降雨作用下的穩(wěn)定性，本文引入Green-Ampt降雨入滲模型。該模型可以用來(lái)描述地表水在重力和基質(zhì)吸力作用下的入滲規(guī)律，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 Green-Ampt降雨入滲模型下地表水的入滲規(guī)律Fig.3 Surface water infiltration under Green-Ampt model注：t為選定時(shí)刻；Z為地表往下的距離；Zw為選定時(shí)刻濕潤(rùn)鋒的深度；θs為全風(fēng)化花崗巖的飽和含水量；θi為全風(fēng)化花崗巖的初始含水量；ψw為濕潤(rùn)鋒處基質(zhì)吸力水頭。

圖4 Green-Ampt邊坡模型Fig.4 Green-Ampt slope model

Green-Ampt降雨入滲模型的基本理論公式如下：

(1)

式中:iw為降雨入滲率；Ks為全風(fēng)化花崗巖的飽和滲透系數(shù)。

(2)

其中，Zw在邊坡中取濕潤(rùn)鋒垂直于坡表的深度。此公式適用于濕潤(rùn)鋒形成過(guò)后的情況，所以應(yīng)把邊坡降雨入滲過(guò)程分為濕潤(rùn)鋒形成前、后兩部分。隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，會(huì)出現(xiàn)濕潤(rùn)鋒形成的臨界時(shí)刻tp，降雨強(qiáng)度為q，邊坡入滲速率iw為qcosα，tp時(shí)刻的浸潤(rùn)鋒深度為Zp，將iw=qcosα和Zw=Zp代入公式(2)，可得：

(3)

則該時(shí)刻的累計(jì)入滲量Ip和臨界時(shí)刻tp為

(4)

(5)

式中:θs為全風(fēng)化花崗巖飽和狀態(tài)的體積含水率;θi為全風(fēng)化花崗巖天然狀態(tài)的體積含水率。

為了考慮降雨與排水的共同作用，可結(jié)合達(dá)西定律對(duì)GA模型進(jìn)行改進(jìn)。邊坡濕潤(rùn)鋒的下降速率等于降雨入滲率減去飽和帶平行于坡表的水分排出率，即：

(6)

式中:L為斜坡沿坡表方向的長(zhǎng)度。

初始條件為t=tp、Zw=Zp，濕潤(rùn)鋒平均基質(zhì)吸力水頭為ψw，則花崗巖全風(fēng)化帶濕潤(rùn)鋒基質(zhì)吸力水頭為8.17 cm[19]。

4 降雨入滲下花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的穩(wěn)定性分析

4. 1 降雨工況選取

影響贛南花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡穩(wěn)定性的主要因素是該地區(qū)的持續(xù)強(qiáng)降雨天氣，定南縣近30年的月平均降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)圖5。

圖5 定南縣近30年月平均降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Monthly average rainfall in Dingnan County in recent 30 years

根據(jù)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、定南縣人民政府網(wǎng)數(shù)據(jù)，定南縣月平均降雨量最大值發(fā)生在2007年6月，其值為617.4 mm，單日最大降雨量發(fā)生在2010年5月7日，其值為335 mm。通過(guò)對(duì)定南縣降雨資料進(jìn)行分析，設(shè)置了如下兩種強(qiáng)降雨工況：

(1) 工況一：選取月平均降雨量為617.4 mm/月，為2007年6月整月降雨工況；

(2) 工況二：選取單日最大降雨量為335 mm/d，為2010年5月7日整日降雨工況。

此外，根據(jù)公式(3)和公式(5)，分別計(jì)算出兩種工況下贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡濕潤(rùn)鋒形成的臨界深度和臨界時(shí)刻如下：

(1) 工況一：Zp=0.43 m,tp=7.56×104s；

(2) 工況二：Zp=0.006 m,tp=24.5 s。

4. 2 理論計(jì)算與數(shù)值模擬

本文采用FLAC3D軟件自帶的強(qiáng)度折減模塊進(jìn)行了該花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算模型選取摩爾-庫(kù)侖模型。在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，邊坡濕潤(rùn)鋒以上選取飽和狀態(tài)下邊坡巖土體的重度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，邊坡濕潤(rùn)鋒以下選取天然狀態(tài)下邊坡巖土體的重度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到在不同降雨條件下贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的折減系數(shù)、破壞方式和潛在滑動(dòng)面，以強(qiáng)度折減系數(shù)作為該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

4.2.1 工況一條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

(1) 根據(jù)贛南地區(qū)花崗巖全風(fēng)化帶巖土體的水力特性參數(shù)(見(jiàn)表1)和公式(6)，可得到工況一條件下該贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡濕潤(rùn)鋒深度隨降雨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖6。

圖6 工況一條件下贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡 濕潤(rùn)鋒深度隨降雨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curve of slope wetting front depth of the rock and soil in grantic weathing zone with rainfall time under working condition 1 in Southern Jiangxi Province of China

(2) 根據(jù)贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體的強(qiáng)度參數(shù)(見(jiàn)表2)和工況一條件下該邊坡濕潤(rùn)鋒深度隨降雨時(shí)間的變化曲線(見(jiàn)圖6)，選取降雨時(shí)間分別為1 d、3 d、5 d、10 d、15 d和20 d時(shí)的邊坡濕潤(rùn)鋒深度，將濕潤(rùn)鋒處作為潛在的滑動(dòng)面，滑動(dòng)面以上邊坡巖土體的重度和強(qiáng)度參數(shù)選取飽和狀態(tài)參數(shù)，利用剛體極限平衡法計(jì)算工況一條件下該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并繪制邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖7。

圖7 工況一條件下極限平衡法計(jì)算該邊坡穩(wěn)定性 系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Variation curve of stability coefficient calculated by limit equilibrium method with rainfall time under working condition 1

由圖7可見(jiàn)，降雨第10 d時(shí)該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，而降雨第15 d時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.97，以邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1作為邊坡失穩(wěn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，該贛南花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡在此時(shí)工況下會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

本文建立的FLAC3D邊坡模型包括11 670個(gè)單元和13 970個(gè)節(jié)點(diǎn)，左右邊界采取水平方向0位移邊界，底部邊界采取水平與垂直方向均為0位移邊界，拉伸方向即Y軸方向亦采取0位移邊界。為了更好地展示邊坡的破壞模式，本文所有剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D均在水平方向即X軸方向旋轉(zhuǎn)20°進(jìn)行展示，這樣可以方便觀察到邊坡坡腳以及臺(tái)階處的變形破壞情況。

本文選取降雨時(shí)間分別為0 d、1 d、3 d、5 d、10 d、15 d和20 d時(shí)的邊坡濕潤(rùn)鋒深度，濕潤(rùn)鋒以上分別選取飽和狀態(tài)下邊坡巖土體的重度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，濕潤(rùn)鋒以下分別選取天然狀態(tài)下邊坡巖土體的重度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，利用FLAC3D軟件采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到工況一條件下不同降雨時(shí)長(zhǎng)時(shí)該邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖8和圖9。

通過(guò)分析圖8和圖9可知，贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化

圖8 工況一條件下不同降雨時(shí)長(zhǎng)時(shí)該邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.8 Cloud map of shear strain increment of the slope with different rain fall time under working condition 1

圖9 工況一條件下該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的 變化曲線Fig.9 Variation curves of slope stability coefficient with rainfall time under working condition 2

帶巖土體邊坡在工況一的強(qiáng)降雨入滲作用下，在降雨20 d時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)小于1，會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞；極限平衡法與強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本一致，但在降雨初期，由于極限平衡法選取濕潤(rùn)鋒處為邊坡的潛在滑動(dòng)面會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)偏高，使其與強(qiáng)度折減法計(jì)算所得的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有一定的差異，體現(xiàn)為極限平衡法在初期的計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏高。

此外，根據(jù)圖8和圖9的模擬結(jié)果可見(jiàn)，未降雨時(shí)，該花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的初始穩(wěn)定性系數(shù)為2.72，該邊坡應(yīng)變?cè)隽恐饕谄履_出現(xiàn)集中；隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，該邊坡的潛在滑動(dòng)面在坡體表面逐漸貫通，并在降雨3 d左右時(shí)完全貫通，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)明顯下降；降雨期間該邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽孔畲筇幨冀K出現(xiàn)在坡腳位置，破壞區(qū)域呈現(xiàn)逐步向上的發(fā)展趨勢(shì)；在降雨5 d后該邊坡臺(tái)階處開(kāi)始呈現(xiàn)高剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)，邊坡各臺(tái)階處很可能會(huì)出現(xiàn)剪切破壞；在降雨20 d時(shí)，該邊坡的強(qiáng)度折減系數(shù)低于1，認(rèn)定為該邊坡出現(xiàn)破壞，破壞面在淺層坡表貫通，此時(shí)很可能發(fā)生坡面沖刷破壞，而高剪應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)在邊坡淺層臺(tái)階和坡腳處，可認(rèn)為邊坡臺(tái)階處、坡腳處以及整個(gè)坡表都是容易發(fā)生滑移破壞的地方。

綜上所述，贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡在工況一的降雨作用下，坡表很可能發(fā)生沖刷破壞，而坡腳處和臺(tái)階處均呈現(xiàn)一定程度的剪切滑移，且坡腳處的破壞程度更大；該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)和強(qiáng)度折減系數(shù)也隨著降雨的持續(xù)而下降，直到邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞(邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和強(qiáng)度折減系數(shù)均小于1)。

4.2.2 工況二條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

(1) 根據(jù)贛南地區(qū)花崗巖全風(fēng)化帶巖土體的水力特性參數(shù)(見(jiàn)表1)和公式(6)，可得到工況二條件下贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡濕鋒峰深度隨降雨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖10。

圖10 工況二條件下贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡 濕潤(rùn)鋒深度隨降雨時(shí)間的變化曲線Fig.10 Variation curve of slope wetting front depth of the rock and soil in grantic weathing zone with rainfall time under working condition 2 in Southern Jiangxi Province of China

(2) 根據(jù)贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體的強(qiáng)度參數(shù)(見(jiàn)表2)和工況二條件下該邊坡濕潤(rùn)鋒深度隨降雨時(shí)間的變化曲線(見(jiàn)圖10)，選取降雨時(shí)間分別為1 h、3 h、6 h、12 h、18 h和24 h時(shí)的邊坡濕潤(rùn)鋒深度，將濕潤(rùn)鋒處作為潛在的滑動(dòng)面，滑動(dòng)面以上邊坡巖土體的重度和強(qiáng)度參數(shù)選取飽和狀態(tài)參數(shù)，利用極限平衡法計(jì)算工況二條件下該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并繪制邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖11。

圖11 工況二條件下極限平衡法計(jì)算該邊坡穩(wěn)定性系 數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Variation curve of slope stability coefficient calculated by limit equilibrium method with rainfall time under working condition 2

由圖11可見(jiàn)，在降雨12 h時(shí)該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.03，在降雨18 h時(shí)該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.98，即小于1，說(shuō)明贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡在此工況下會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

本文選取降雨時(shí)間分別為1 h、3 h、6 h、12 h、18 h和24 h時(shí)的邊坡濕潤(rùn)鋒深度，濕潤(rùn)鋒以上分別選取飽和狀態(tài)下邊坡巖土體的重度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，濕潤(rùn)鋒以下分別選取天然狀態(tài)下邊坡巖土體的重度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，利用FLAC3D采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到工況二條件下不同降雨時(shí)長(zhǎng)時(shí)該邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖12和圖13。

圖12 工況二條件下不同降雨時(shí)長(zhǎng)時(shí)該邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.12 Cloud curves of slope shear strain increment with rainfall time under working condition 2

圖13 工況二條件下該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時(shí)間的 變化曲線Fig.13 Variation curves of slope stability coefficient with rainfall time under wording condition 2

通過(guò)分析圖12和圖13可知，贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡在工況二的強(qiáng)降雨入滲作用下，邊坡坡腳處剪應(yīng)變?cè)龃筝^快，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低并在降雨18 h之后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1，可認(rèn)為邊坡即將發(fā)生失穩(wěn)破壞；與工況一相似的是，極限平衡法與強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本一致，但在降雨初期，由于極限平衡法選取濕潤(rùn)鋒處為邊坡潛在的滑動(dòng)面會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)偏高，使其與強(qiáng)度折減法所得的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有一定的差異，體現(xiàn)為極限平衡法在初期的計(jì)算結(jié)果偏高。

除參數(shù)外，F(xiàn)LAC3D計(jì)算前后的處理方式如工況一，由圖12和圖13的模擬結(jié)果可見(jiàn)，未降雨時(shí)，該邊坡的初始強(qiáng)度折減系數(shù)也為2.72，隨著降雨的進(jìn)行，該邊坡的潛在滑動(dòng)面從坡腳應(yīng)變集中逐漸由坡腳向上擴(kuò)展；在降雨達(dá)到3 h左右時(shí)邊坡的潛在滑動(dòng)面完全貫通，邊坡強(qiáng)度折減系數(shù)也快速下降，且邊坡剪應(yīng)變?cè)隽孔畲筇幊霈F(xiàn)在坡腳位置，破壞區(qū)域也隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加而增大，邊坡各臺(tái)階處也均出現(xiàn)了潛在的剪切破壞區(qū)；在降雨達(dá)到24 h時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅為0.92，可認(rèn)為此時(shí)邊坡已發(fā)生失穩(wěn)破壞。

相對(duì)于工況一，工況二的降雨速率更大，因此該邊坡的濕潤(rùn)鋒下移速率加快，邊坡相應(yīng)的淺層破壞區(qū)域快速成型貫通，且剪應(yīng)變?cè)隽枯^大，邊坡有很大的整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。整體而言，在工況二條件下，贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡的破壞模式為從坡腳往上延伸的淺層剪切滑移破壞以及各個(gè)臺(tái)階處的局部剪切破壞，各破壞區(qū)逐漸貫通后，最終引起該邊坡的整體失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)論與建議

本文以安遠(yuǎn)至定南高速公路定南段的K196+380左側(cè)花崗巖風(fēng)化帶路塹邊坡為例，采用現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)等方法，對(duì)研究區(qū)的花崗巖風(fēng)化帶巖土體進(jìn)行了風(fēng)化分帶，整理得到贛南地區(qū)花崗巖風(fēng)化帶巖土體強(qiáng)度特征，再通過(guò)邊坡地質(zhì)模型的建立與降雨資料的搜集整理，采用考慮排水的改進(jìn)Green-Ampt降雨入滲模型，分別采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬方法，計(jì)算得到在強(qiáng)降雨作用下該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)和變形破壞模式隨降雨時(shí)間的變化情況，得到如下主要結(jié)論：

(1) 已經(jīng)開(kāi)挖的K196+380花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡可分為三層，從地表往下依次為全風(fēng)化花崗巖層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層和中風(fēng)化花崗巖層。通過(guò)室內(nèi)TRA三軸剪切滲流試驗(yàn)和巖體壓縮試驗(yàn)，結(jié)合工程勘察資料，得到了贛南地區(qū)花崗巖各風(fēng)化帶巖土體的力學(xué)強(qiáng)度和水力特征參數(shù)。

(2) 研究區(qū)定南縣暴雨頻繁，近30年的月平均降雨量最大值為617.4 mm(工況一)，單日最大降雨量為335 mm(工況二)。引入Green-Ampt降雨入滲模型，并考慮降雨與排水的共同作用，參考達(dá)西定律對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)，使邊坡濕潤(rùn)鋒的下降速率等于降雨入滲率減去飽和帶平行于坡面的水分排出率。

(3) 理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著降雨的持續(xù)，該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐步降低，體現(xiàn)在工況一條件下降雨20 d后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)小于1，工況二條件下降雨18 h后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)小于1；該邊坡的坡體破壞從坡腳逐步向上延伸，并在坡體表面形成潛在的滑動(dòng)面，而后臺(tái)階處也逐漸破壞；整體而言，工況一條件下該邊坡的破壞模式以坡面沖刷和淺層剪切滑移破壞為主；工況二條件下，該邊坡的高應(yīng)力區(qū)集中在坡腳處和臺(tái)階處，邊坡的破壞模式由淺層剪切滑移逐步轉(zhuǎn)為整體失穩(wěn)。

基于上述研究結(jié)果，建議雨季在該區(qū)域進(jìn)行花崗巖風(fēng)化帶巖土體邊坡開(kāi)挖施工時(shí)，須考慮極端降雨條件的影響，并做好坡面沖刷和坡體滑移的防護(hù)工作。