降雨對滑坡的穩定性影響及排水措施建議

童 欣 方 燃 李 虹

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

0 引言

滑坡作為一種常見、多發的地質災害，在水利、交通、土木、礦山等工程建設中較為普遍。國內外專家一致認為，降雨是導致山體滑坡的主要誘因，尤其是長時間強降雨極易導致滑坡災害[1]。在我國西南地區，山區較多、地形復雜、雨季較長、雨量較大，含軟弱夾層的滑坡在降雨入滲作用下，極易造成軟弱夾層軟化，抗剪強度迅速降低，誘發滑坡災害[2]。對西南地區某含軟弱夾層滑坡開展研究，采用ABAQUS有限元軟件，研究降雨入滲對滑坡穩定性的影響，并對其排水措施提出建議。

1 工程概況

該滑坡位于成都市雙流區，場內人字型骨架護坡樁號為：西側DK0+120—DK0+440，東側檢修庫外DK0+340—DK0+440為填方段，西側一級邊坡坡比為1∶1.75，二級邊坡1∶1.5，東側邊坡為1∶1.5。當邊坡高度H<3 m時采用灌草護坡，H≥3 m時采用人字形截水骨架護坡，骨架梁內栽種紫穗槐、夾竹桃，路塹邊坡采用噴播植草間植灌木。場地區域發育龍泉驛斷層，該斷層為區域性逆斷層，位于龍泉山大背斜西翼，地表因第四系掩蓋而斷續出露。斷層走向近南北，傾向東，傾角66°，斷層破碎影響帶寬度約150～200 m。由于該斷層壓扭性作用極強，導致灌口組地層巖體呈壓碎結構，破碎帶物質為全—強風化泥巖、砂巖，局部泥巖風化嚴重，對工程有一定影響。滑坡所在地成都市屬中亞熱帶濕潤氣候區，四季分明，氣候溫和，雨量充沛。多年平均降雨量947.0 mm，年降雨日104天，最大日降雨量195.2 mm，降雨主要集中在5—9月，占全年的84.1%。

2 降雨對滑坡穩定性影響的數值分析

2.1 計算軟件及模型

由于降雨入滲是一種典型的非飽和流固耦合現象，可采用滲流與應力耦合的計算方法，通過ABAQUS軟件對降雨條件下的滑坡滲流問題進行有限元分析[3-5]。根據現場實際情況，選擇如圖1所示的滑坡數值計算三維模型，模型從上至下依次為土1(滑體)、軟弱夾層(滑帶)、土2(滑床)，其中錨桿、框架梁等參數均根據實際情況確定。

圖1 滑坡數值三維模型剖面圖(單位：m)

2.2 參數選擇

模型中的所有土體均遵循摩爾-庫侖屈服準則，設置框架梁、錨桿單元為彈性材料，框架梁與滑坡接觸采用庫侖摩擦模型，錨桿與滑坡、框架梁之間采用嵌入接觸。數值模擬計算中所用土體的基本參數見表1，錨桿、框架梁基本參數見表2。

表1 土體基本物理力學參數表

表2 錨桿、框架梁基本參數表

2.3 降雨條件及施工工序

在整個降雨入滲的瞬態滲流分析中，滑坡上表面都受到降雨作用，并排除降雨所造成的地表積水現象。假定降雨強度為0.02 m/h(特大暴雨)，則坡面降雨入滲強度為0.02×cos45°=0.014 m/h，降雨持續時長為72 h。在對降雨條件下邊坡的滲流場進行分析時，首先進行靜水位作用的分析，然后將穩態流的計算結果作為瞬態流計算的初始條件[6-8]，基于以上所設置的參數進行瞬態流的計算分析，其計算流程如圖2所示。

圖2 降雨入滲作用數值計算流程圖

2.4 計算說明

計算模型選擇C3D8P單元，采用中等的網格密度對土體單元、框架梁單元、錨桿單元等進行網格劃分。結合實際支護方案，分別建立原始滑坡模型和有支護結構的滑坡的模型，并與有支護和降雨入滲作用滑坡模型進行對比，利用有限元強度折減法進行有限元數值計算[9-12]，得出三種模型的塑性區、水平位移云圖和邊坡穩定安全系數計算結果。

3 滑坡穩定性計算結果分析

3.1 塑性區和水平位移

無支護結構滑坡強度折減后的塑性區和水平位移見圖3、圖4。從圖中可以看出，對于無支護結構的滑坡，強度折減后在滑帶上形成明顯的塑性區，即滑坡最終沿軟弱夾層(滑帶)失穩。從水平位移云圖可以看出，主要是滑體和滑帶有水平位移，滑床水平位移基本為零，因此該滑坡屬于牽引式滑坡。

圖3 無支護的滑坡強度折減后的塑性區圖

圖4 無支護的滑坡強度折減后的水平位移云圖

有支護結構的滑坡和考慮降雨入滲時的滑坡在強度折減后的塑性區、水平位移以及支護結構水平位移見圖5—圖10。可以看出，對于有支護結構的滑坡，降雨入滲后強度折減形成的塑性區和水平位移相比不考慮降雨時更大、更明顯，且考慮降雨入滲后的強度折減達到破壞狀態時相比不考慮降雨時的支護結構的水平變形也更為明顯。

圖5 有支護有降雨滑坡強度折減后的塑性區圖

圖6 有支護無降雨滑坡強度折減后的塑性區圖

圖7 有支護有降雨滑坡強度折減后的水平位移云圖

圖8 有支護無降雨滑坡強度折減后的水平位移云圖

圖9 有支護有降雨滑坡支護結構水平位移云圖

圖10 有支護無降雨滑坡支護結構水平位移云圖

3.2 滑坡穩定性系數

進一步作出上述3種情況下穩定系數隨水平位移的變化曲線。從圖11可以看出，無支護結構的原始滑坡穩定系數約為1.5，采用框架梁+錨桿支護后其穩定系數約為2.7，經過降雨入滲后其穩定系數約為2.0。由此可見，采用支護結構后滑坡的穩定系數提高了約1.2，經過降雨分析后，其穩定系數降低了0.7，穩定系數隨水平位移的變化曲線呈陡變型。不考慮降雨入滲的有支護結構滑坡，其安全系數隨水平位移的變化曲線基本呈緩變型，由此可知，降雨入滲的瞬態滲流會在一定程度上降低巖土體的抗剪強度，使滑坡災害發生得更加突然，加劇滑坡的不良影響。

圖11 不同情況下安全系數隨水平位移的變化曲線

3.3 降雨入滲對滑坡穩定性的影響

由上述分析可知，當降雨強度為0.02 m/h，即坡面降雨入滲強度為0.014 m/h時，其穩定系數由2.7降為2.0，降低了26%。為進一步探究降雨入滲對滑坡穩定性的影響，使其坡面雨水入滲強度分別減小25%、50%、75%、95%，其它條件仍保持不變，數值模擬計算結果見表3，并作出雨水入滲強度降低量對滑坡安全系數的影響曲線如圖12所示。

表3 滑坡安全系數的數值計算結果表

圖12 雨水入滲強度降低量對滑坡安全系數的影響

從表3和圖12可以看出，隨著雨水入滲強度的減少，其滑坡穩定系數相應增加，可以用線性關系較好地表征，相關系數R2=0.9893。相比無降雨情況下，其穩定系數降低程度也隨雨水入滲強度降低量的減小而減小。

經過上述分析可知，該滑坡安全性系數受降雨影響較大，在做好支護措施的同時應對滑坡采取設計合理的排水措施。

4 排水措施建議

針對水是誘發此滑坡災害的重要因素，現場排水措施以排水溝、截水溝、泄水孔為主，實行泥、砂巖地層邊坡表層水、坡體深層孔隙水綜合防治的方法，快速排出地表水和孔隙水，從而降低降雨入滲量，減小雨水對邊坡抗剪強度的弱化等不良影響，從而提高支護結構的可靠性能[13-15]。

4.1 排水溝設計

在該滑坡后側布置一條截水溝，將其上方坡體地表水引入兩側沖溝；在下方布設兩條排水溝，與周邊市政排水系統相連；在強變形區布設一條排水溝，將坡體地表水導入市政道路排水溝。周邊截水宜在邊坡開挖及支護前施工完成，保證截水溝出口將水引排至相應排水溝或溝渠內，同時注意減少污水對河流的污染，做好污水處理。截水溝和排水溝應盡可能平順，要求溝底滿足坡度要求，斷面不小于設計斷面，以便排水通暢，必要時可采用溝底加厚墊層或局部淺層開挖方式來確保截水溝和排水溝溝底縱坡。

4.2 泄水孔設計

泄水孔采用φ76塑料盲溝管，與水平成5°～10°仰角，每級排水孔距相應馬道高程0.5 m起布置，間距3.0 m×3.0 m，梅花型布置。排水管采用先鉆孔、后插管的工藝，坡面排水孔均為上傾仰孔，角度為5°，鉆孔孔徑為75 mm。鉆孔設備及清孔設備均采用錨桿施工設備，孔口布置為間、排距為3 m。

5 結論

以西南地區某含軟弱夾層滑坡為例，通過對滑坡應力應變、塑性區的變化情況以及支護結構的受力變形進行模擬，對比分析了原始滑坡、有支護結構無降雨作用、有支護結構有降雨作用的滑坡的穩定安全系數。在此基礎上，進一步研究不同降雨入滲強度作用下滑坡的穩定性，綜合評價降雨入滲的瞬態滲流作用對含軟弱夾層滑坡的穩定性的影響規律，為滑坡排水優化設計提供建議。