地震- 降雨作用下邊坡防護(hù)數(shù)值分析

馬磊

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京100048）

1 引言

近年來(lái)，由于山體失穩(wěn)導(dǎo)致的自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅該地區(qū)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1，2]。邊坡高度、坡角、邊坡各個(gè)土層自身的物理性質(zhì)、降雨、地震、工程爆破、車(chē)輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)等因素均會(huì)構(gòu)成對(duì)邊坡的失穩(wěn)因素[3~5]，降雨和地震等自然因素均是使邊坡失穩(wěn)的主要原因。降雨和地震的耦合作用下的邊坡穩(wěn)定性研究難度，比單獨(dú)降雨或地震的研究影響大。蔣清明[6]的研究認(rèn)為，先降雨后地震耦合作用比先地震后降雨耦合作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響更大。盧玉林等[7]根據(jù)極限平衡理論和浸潤(rùn)線的位置，研究了滲流和地震雙重工況下砂土邊坡的穩(wěn)定性，推導(dǎo)出了穩(wěn)定性解析式，并驗(yàn)證了解析式的合理性。李曉蓮[8]經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，降雨和地震共同作用下邊坡穩(wěn)定性更差。田松何[9]等認(rèn)為對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用的是地震峰值加速度大小，在降雨和地震共同作用下，對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成的損傷更大。趙志敏[10]研究了降雨入滲和地震綜合作用下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在地震強(qiáng)度相同的條件下，降雨強(qiáng)度的增大，會(huì)使邊坡內(nèi)部的位移和剪切應(yīng)力也隨之增大，同時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低，降雨強(qiáng)度相同的條件下，隨著地震烈度的增加，邊坡的位移與最大剪應(yīng)力逐漸增大。陶連金[11]等對(duì)汶川-九寨溝段高速公路邊坡進(jìn)行了降雨和降雨-地震共同作用下邊坡穩(wěn)定性分析，并且給出了相應(yīng)的支護(hù)方案。研究表明，強(qiáng)降雨作用下黏土與碎石土交界面處易發(fā)生滑動(dòng)且滑動(dòng)面為平面型，而降雨-地震共同作用下邊坡破壞范圍更大且滑動(dòng)面也轉(zhuǎn)變?yōu)閳A弧型滑動(dòng)面。欒樹(shù)洋等[12]的研究認(rèn)為，降雨作用下，邊坡的內(nèi)摩擦角和黏聚力減小，地震和降雨的耦合作用會(huì)使得邊坡內(nèi)更加易出現(xiàn)拉剪破壞。

綜上所述，降雨和地震共同作用下邊坡極易失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害。因此，對(duì)邊坡提前進(jìn)行加固，可以最大限度地降低因邊坡失穩(wěn)破壞給人民群眾可能帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失，基于此，本文對(duì)降雨入滲及地震作用下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究，并根據(jù)分析結(jié)果提出可行的邊坡設(shè)計(jì)方案。

2 工程概況

霍托村位于四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣，居民居住在河流山區(qū)間，人口稠密。該地區(qū)經(jīng)常會(huì)有暴雨或者是持續(xù)降雨，雨季為每年的5~7 月份，年降雨量656.8mm，年均相對(duì)濕度68.8%。2017 年8 月8 日，四川省北部阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0 級(jí)地震，距若爾蓋縣90km，地震最大烈度9 度，受災(zāi)8 個(gè)縣，若爾蓋縣是其中之一。地震的破壞和影響都非常巨大，如若雨季期發(fā)生地震，會(huì)成倍增加危害，研究地區(qū)防護(hù)的預(yù)判性和有效的加固措施，可降低災(zāi)害的影響。

若爾蓋縣境內(nèi)主要大斷層是東昆侖斷裂帶，曾多次發(fā)生自然災(zāi)害如滑坡、地震等，是地震頻發(fā)區(qū)域，若爾蓋霍托村附近一帶有著很厚的松散的風(fēng)化層，且斷層較多，地層較為松散，滑坡發(fā)生概率較高。

本文是以在若爾蓋縣境區(qū)域內(nèi)山體邊坡受到降雨和地震共同作用下的失穩(wěn)防護(hù)為研究對(duì)象，同時(shí)以黑河流經(jīng)的霍托村為例，研究山體滑坡的形態(tài)以及發(fā)生這種自然災(zāi)害的機(jī)理。

3 霍托村邊坡穩(wěn)定性防護(hù)模型

3.1 模型建立

由于霍托村附近邊坡構(gòu)成主要是由砂巖夾板巖、碎石土、軟塑性黏土和硬塑性黏土組成，邊坡地質(zhì)成分比較復(fù)雜。依據(jù)霍托村邊坡的巖層特征、地形地貌，建立霍托村簡(jiǎn)化的邊坡三維計(jì)算模型，如圖1 所示，最大高度設(shè)置為220m，橫截面長(zhǎng)度設(shè)置為400m。加抗滑樁后模型如圖2 所示。各巖層材料均采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。

3.2 參數(shù)設(shè)置

受降雨入滲影響，各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。以現(xiàn)場(chǎng)鉆孔勘探、地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)對(duì)礫石土邊坡做的室內(nèi)降雨模型的試驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)，當(dāng)巖土層含水率較大（9.91%）時(shí)，各地層基本巖體物理力學(xué)參數(shù)，如表1 所示。

圖1 邊坡模型及網(wǎng)格劃分

圖2 抗滑樁- 坡體模型

表1 含水率為9.91%時(shí)各地層的基本巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 地震波

根據(jù)JTG B02—2013《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，在進(jìn)行模擬中，邊坡的邊界條件設(shè)置分別是：邊坡模型與X軸垂直的面僅約束X方向，其他方向設(shè)置為自由，邊坡模型的底部為自由面，并且在該面上加載豎向的地震波，在進(jìn)行地震波加載時(shí)采取加速度加載，加載的豎向地震波加速度如圖3 所示，可知該段地震波加速度的峰值為0.2g，動(dòng)載模擬時(shí)長(zhǎng)為23s，在進(jìn)行動(dòng)載模擬時(shí)在軟件中設(shè)置了四周為自由區(qū)域。

圖3 地震波加速度

3.4 抗滑樁支護(hù)方案

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)情況，樁的位置在坡中處在模型中為X=210m 處。依據(jù)抗滑樁設(shè)計(jì)規(guī)范，樁截面最小邊寬度為b，不宜小于1.25m，另一邊h為b的1.5~2 倍，樁間距設(shè)置為6~10m。根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)了4 種不同的支護(hù)方案，如表2 所示。

表2 抗滑樁設(shè)計(jì)方案

4 數(shù)值計(jì)算與分析

在降雨和地質(zhì)作用下，通過(guò)動(dòng)荷載模擬得到的邊坡模型（未加抗滑樁），邊坡的X方向最大位移為0.325×10-1m，Y方向最大位移為0.0519×10-2m，邊坡模型塑性區(qū)如圖4 所示。在降雨-地震作用下，邊坡水平位移較大，大面積的塑性區(qū)出現(xiàn)在坡腳處，邊坡已產(chǎn)生破壞，即失穩(wěn)，極易導(dǎo)致滑坡。

圖4 邊坡塑性區(qū)

在地震-降雨作用下，對(duì)比4 種抗滑樁設(shè)計(jì)方案對(duì)邊坡的防護(hù)效果。分析4 種方案抗滑樁的模擬結(jié)果，邊坡X方向位移和樁X方向位移對(duì)比如表3 所示。從表3 可以看出，與未采用抗滑樁時(shí)邊坡位移相比，4 種抗滑樁設(shè)計(jì)方案對(duì)邊坡的支護(hù)效果均是十分明顯的，但是在這4 種方案之間它們存在很大的區(qū)別，根據(jù)邊坡中間截面X處的位移可以看出，在加載的加速度為0.2g（相當(dāng)于8 級(jí)烈度設(shè)防）方案3 的支護(hù)效果最好（邊坡和樁水平位移最小，樁所受的剪應(yīng)力最小）。

表3 不同抗滑樁設(shè)計(jì)方案結(jié)果對(duì)比

采用方案3 的抗滑樁設(shè)計(jì)，加大地震波加速度為0.3g（相當(dāng)于9 級(jí)烈度設(shè)防），計(jì)算分析抗滑樁對(duì)邊坡的防護(hù)效果，模擬結(jié)果如圖5 所示。與地震加速度0.2g時(shí)的坡體相比（見(jiàn)表4），邊坡的位移，樁的位移及剪力都均增大，但是增加量極小，即在0.3g的加速度作用下，邊坡的防護(hù)效果仍然很好。

圖5 坡體及樁位移和應(yīng)力

表4 地震加速度0.2g 與0.3g 時(shí)方案3 防護(hù)效果對(duì)比

5 結(jié)論

本文基于霍托村附近邊坡防護(hù)工程項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)霍托村的地理位置、區(qū)域流域、氣候和地質(zhì)的調(diào)查，采用Flac 3D 5.0 建造了霍托村附近邊坡簡(jiǎn)化三維模型，數(shù)值計(jì)算分析了降雨與地震波作用下邊坡的穩(wěn)定性，同時(shí)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的抗滑樁作用下邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析了不同設(shè)計(jì)方案對(duì)邊坡的防護(hù)效果。得到如下主要結(jié)論：

1）當(dāng)含水率為9.91%時(shí)，邊坡位移增大較為明顯，X方向的最大位移為32.5cm，同時(shí)，在邊坡的坡底處出現(xiàn)了大面積的塑性區(qū)，此時(shí)邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。

2）降雨+地震+抗滑樁的邊坡防護(hù)，設(shè)計(jì)的4 種抗滑樁邊坡防護(hù)時(shí)，邊坡中間面X方向最大位移分別為4.98cm、2.19cm、0.38cm、0.122cm；而對(duì)用的樁身在X方向的最大位移分別為3.8mm、2.0mm、0.684mm 和3.13mm。4 種不同的抗滑樁的支護(hù)效果均是十分明顯的，但是根據(jù)邊坡中間截面X處的位移和樁身位移可以看出，方案3 的支護(hù)效果最好。

3）與0.2g（8 級(jí)烈度）時(shí)的加速度地震波時(shí)抗滑樁邊坡防護(hù)相比，方案3 在0.3g（9 級(jí)烈度）的加速度動(dòng)載模擬X方向位移略有增加，僅增加約為5mm，方案3 在0.3g的加速度作用下對(duì)邊坡的加固效果仍然很好。因此，霍托村附近邊坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)建議采用方案3。