強降雨作用下某水庫邊坡穩定性分析與治理評價

潘蘇鋒，徐 康，張慧穎，黃海燕，嚴劉偉

(1.云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

0 引言

降雨是很多滑坡甚至大型滑坡的直接誘發因素，尤其是強降雨引發的滑坡，頻度最高[1]。中國南方雨水充足降雨時間長，這種條件為滑坡的形成提供了潛在條件。2008年北川縣持續不斷地強降雨造成多處山體產生滑坡，導致老縣城一半以上被土體掩埋，造成了重大的經濟損失。2013—2014年，凱羊高速公路在施工過程中，因降雨等因素先后誘發多次滑坡變形，引起二級大型滑坡。如何對降雨豐富的地區進行滑坡防治，對于研究人員來說既是難點也是熱點，朱蕾等[2]以白家包滑坡為例采用數值模擬方法，得出降雨與庫水位升降組合作用，水位下降速率越大，滑坡變形程度越大。孫云龍等[3]基于赤水河谷旅游公路K93+203～K93+496段在施工過程中發生的降雨誘發型滑坡，解釋了邊坡穩定性系數與強降雨時間有一定相關性，邊坡失穩發生在不透水邊界上。李光明等[4]利用FLAC3D軟件研究滑坡加載前后邊坡應力位移變化影響，并給出“應急工程先行，防止惡化；永久治理，不留后患”的加固處理方式，結果良好。張社榮等[5]基于ABAQUS軟件實現滲流與應力耦合作用下的破壞接近度(FAI)評價方法，多角度綜合探究強降雨特性對邊坡失穩機制及穩定性的影響。汪磊等[6]采用GeoStudio數值模擬軟件對不同的降雨條件和坡體初始水位進行模擬，得出部降雨和瞬態承壓水的產生和發展對堆積層滑坡的產生有重要的影響作用，降低了坡體的穩定性。目前，對強降雨作用下混合抗滑措施是否有效可行、是否可以進一步優化問題還不能有效判斷。因此本文結合現有研究成果，以某水庫邊坡為研究對象，利用有限元數值模擬計算軟件對強降雨作用下滑坡穩定性以及設置抗滑裝置后的加固效果進行數值模擬研究，為水庫后續的安全運行和其他類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

某小型水庫，控制流域徑流面積6.6 km2，總庫容為365.62萬立方米。壩址分山嶺最高2122.30～2054.88 m，河床高程1688～1723 m，河床及階地寬4.20～4.50 m。左岸地形坡度為30°～45°，1729.43m高程以上地形坡度15°～25°。具體水庫平面布置圖見圖1。

圖1 水庫平面布置圖Fig.1 Layout plane map of the reservoir

滑坡區域出露地層的巖性，第四系沖洪積層(Qalp)，為灰褐色砂、卵、礫石夾漂石，砂粒充填，中密，厚度為1.20～1.80 m，主要分布在兩岸支流沖溝及主河床。第四系殘坡積層(Qeld)，為褐黃色粉質黏土、黏土夾碎石，厚度為1.8～2 m，分布于沖溝及河床兩岸寬緩山坡。新元古界滄群九道河組(Pt3j)為灰巖，地層巖體較完整為中厚層狀結構巖體，巖層產狀210°∠35°～40°。

1.2 水文地質

研究區域地下水類型為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。第四系孔隙含水層分布于兩岸山坡中上部，厚度較薄，中等透水。基巖裂隙水層分布于主河床及兩岸一級階地、各支流沖溝，厚度為1.2～1.8 m，強—中等透水，富水性中等—強。地下水受大氣降水補給，經第四系孔隙含水層、基巖裂隙含水層，向河床及兩岸沖溝、支流排泄。基巖巖體比較完整，巖體透水性弱，降雨形成的地下水主要以徑流的形式在基巖表面流動。

研究區域處于中亞熱帶低緯山地季風氣候區，具有冬春干燥、夏秋濕潤、冬無嚴寒、夏無酷暑、干濕季分明的氣候特點，多年平均降水量為1603 mm，最大降雨量為1834.2 mm，最小年降雨量為1459.3 mm。每年5月初進入雨季，至10月中旬，其中5—10月的降雨量占了全年雨量的87%。年平均降雨天數不少于220.4天，日降雨量大于6 mm的天數為57.2天，暴雨天為10天，大暴雨天為2天，最大日降雨量119.8 mm。根據當地統計的降雨資料，將降雨強度分為小雨、中雨、暴雨三個階段，降雨強度分別為12 mm/d、23 mm/d、107 mm/d。由于本文研究強降雨條件下水庫邊坡穩定性，因此降雨強度取值107 m/d進行分析。

2 數值模擬結果分析

2.1 模型建立

模型利用三維建模軟件，依據水庫左岸邊坡工程的平面布置圖構建三維模型。該模型坡表地形坡向206°，坡腳33°～40°。模型內部邊界條件依據巖土體特征確定，邊坡表層分布第四系沉積物，通過對該邊坡表層土體相關參數與降雨入滲深度的研究，對土層含水率變化產生影響的最大入滲深度是2 m，所以將該表層土體按照雨水滲透土層速度大小分為兩層：表層土體0～1 m為第一層，該層土體為降雨接觸砂土層；表層土體1～2 m為第二層，該層土體1～1.8 m為入滲砂土層，1.8～2 m為入滲黏土層。第四系沉積物下部為基巖體，巖石類型是灰巖，根據巖體風化程度不同將基巖體分為三層：第三層為基巖強分化巖層，巖層產狀210°∠35°～40°；第四層為基巖弱風化巖層；第五層為基巖微風化巖層。

將水庫左岸邊坡地形圖及巖土體特征參數導入Rhino軟件，通過Grassshopper插件形成三維實體模型，然后利用Griddle軟件對左岸邊坡三維模型進行網格劃分對模型進行網格劃分，共劃分單元37 491個，網格節點8063個，具體計算模型見圖2。

2.2 參數條件取值

隨著降雨量及降雨強度不斷增加，雨水沿坡面滲入坡體內導致巖土體顆粒飽和度增大，一方面土體含水率變大使得坡體自重增加，導致坡體發生產生向下滑移；另一方面邊坡土體滑面因雨水浸泡土體顆粒的內摩擦力以及黏聚力等導致物理參數不斷降低，從而使得邊坡土體的抗剪強度不斷減小。通過以上分析，本次數值模擬將降雨工況下的數值模型簡化，采用折減表層土體黏聚力(c)及內摩擦角(φ)的方式來建立降雨強度不斷增大的邊坡模型。通過實驗得到折減后邊坡表層土體物理力學參數見表1。

圖2 邊坡數值計算三維模型圖Fig.2 Three-dimensional numerical calculation model of the slope

2.3 邊界條件設置

根據邊坡的實際情況對其邊界條件進行合理的簡化，以達到合理且便捷的目的。根據本次分析降雨工況下的穩定性分析，將水庫模型在模擬軟件默認條件下設置為不透水邊界條件，通過命令apply quiet在模型的四周施加法向位移約束，在模型底部施加豎向位移約束。

表1 強降雨強度和持時條件下土層參數Table 1 Soil layer parameters under conditions of heavy rainfall intensity and duration

2.4 結果分析

圖3是邊坡在強暴雨條件下最大主應力和最小主應力分布圖。根據模擬圖3可知，邊坡在強降雨條件下坡體內部應力均處于負值，由此可以反應內部不存在拉應力，第一主應力最大為-3.8 MPa，第三主應力最大為-2.1 MPa，最大應力主要集中在底部和中部小范圍區域。應力的整體變化相對而言比較均勻，小部分出現應力的突變很大可能是這部分的土體處在土層交界處在雨水的浸泡下變得松散，在沒有支護措施下容易產生位移。

圖3 邊坡最大主應力分布圖(a)與最小主應力分布圖(b)Fig.3 Maximum principal stress distribution map (a) and minimum principal stress distribution map of the slope (b)

圖4a是邊坡在強降雨條件下Z方向位移分布圖，最大位移為0.28 m，此時的安全系數為1.08。最大位移主要分布邊坡的中部，并且位移隨邊坡深度的變化而變小，由坡體內部向坡面的位移出現了很大幅度的增加，位移變化總趨勢是由內向外逐漸增大。這說明在降雨過程中，邊坡內部出現破壞的機率低于表層，表面土體出現破壞滑移狀態情況會逐漸引起內部變化從而導致整體穩定性下降。圖4b是強降雨條件下邊坡塑性區分布圖，表明水庫左岸邊坡表層土體塑性區域不斷增多，塑性面積存在集中現象，貫穿滑坡體內部，主要集中在邊坡中部偏下區域，且出現零星拉張的區域。

圖4 Z向位移云圖(a)與強降雨條件下塑性區分布圖(b)

通過數值分析可知，在降雨滲流作用下，邊坡體內的滲流強度不斷加強，導致邊坡土體孔隙水壓力增大以至于有效應力不斷減小，使得邊坡巖土體可塑性不斷增強。同時由于強降雨作用，大量無法滲透進邊坡土體的雨水在坡體表層會形成地表徑流，由于徑流在邊坡表面對護坡物質的沖刷作用，導致邊坡表面發生破壞，從而促進了雨水的滲透強度，加速邊坡的變形破壞。

綜上，工程區的滑坡體處于失穩狀態。在旱雨季分明的氣候條件下，滑體巖土在旱季失水，表層孔隙、裂隙張開；在雨季因強降雨造成雨水沿孔隙、裂隙下滲，使滑體巖土飽水或含水量增大，致使滑體重量加大，下滑力增大，從而激發滑坡的形成。所以對該滑坡進行加固處理就顯得很重要。

3 加固措施

邊坡加固實質上是改變邊坡的力學平衡條件，通過增大邊坡的抗滑力和減少邊坡的下滑力，來提高邊坡的穩定性[7]。對于邊坡加固的處理方式總體上分為直接加固法和間接加固法。直接加固法主要有擋墻、抗滑樁、錨索等，間接加固法主要有放緩邊坡、注漿加固、防排水工程等。在順層巖質邊坡加固設計中，常常采取兩種或多種加固方法混合使用，以確保邊坡在建設期和運營期處于穩定狀態。

通過對強降雨條件下邊坡穩定性的相關分析后發現，該處邊坡容易在表層土體發生滑移，土層交界處容易發生移動，特對該左岸邊坡制定以下加固處理措施，對于淺層地表使用土釘加固，長度3 m，共布設土釘22根；深層土體使用錨桿加固，共布設錨桿13根，長度為30 m；同時表層土體使用不透水混凝土噴護加固。具體加固模型見圖5。

圖5 邊坡加固模型圖Fig.5 Slope reinforcement model diagram

根據規范要求，在邊坡土體表層噴混凝土其強度一般工程不得低于C15，重要工程不低于C20，在此選取噴射混凝土C20噴射于邊坡表面進行防護。土層參數見表1，同時結合相應的參考文獻，錨桿、土釘及混凝土單元參數取值見表2。

表2 錨桿等參數取值Table 2 Values of anchor rod and other parameters

4 加固后穩定性分析

圖6a是加固處理后最大主應力圖，加固后邊坡的內部應力分布明顯變得復雜，主要因為加固措施改變了原有的應力場分布。圖6b是加固后邊坡最小主應力圖，可以看出加固措施對最小主應力的影響不是很明顯。同加固前相比，邊坡內部均沒有拉應力出現，基本上都是壓應力為主。

圖6 加固后最大主應力圖(a)與最小主應力圖(b)Fig.6 Maximum principal stress map (a) and minimum principal stress map after reinforcement (b)

由圖7a可以明顯看出加固后位移的分布變得均勻，并且明顯有所減小。最大位移量降低為0.07 m，這種變化主要是因為抗滑裝置在內部相對于土體產生滑移，抗滑裝置為了抵抗滑移產生了抵抗力，從而進一步影響土體內部應力的分布，土體內部的應力重分布使得土體位移受到限制，土體處于一個相對穩定的狀態，此時的安全系數變為1.11，說明治理措施起到了加固的作用。由圖7b可知，加固后塑性區域變得比較均勻，有效的減少塑性區域貫穿坡體內部，塑性區主要集中在邊坡表層中部及中部偏下區域，邊坡表層塑性零星擴張區域大量減少，抗滑裝置有效減少了坡體塑性區域的分布面積以及應力集中現象，表明加固效果明顯。

圖7 加固后Z向位移圖(a)與塑性區分布圖(b)Fig.7 Z-direction displacement map (a) and distribution map of plastic zone after reinforcement (b)

5 加固效果分析

在強降雨作用下，設置多種混合加固方式前后滑坡的最大豎向位移、塑性分布以及安全系數對比表見表3。由表3知，強降雨作用下，該滑坡體采用多種混合加固方式有效約束滑坡的滑動，減少豎向位移，塑性區域減少變形得到相應控制，滑坡加固后整體上是處于穩定的狀態，加固效果比較明顯。

表3 加固前后對比分析Table 3 Comparative analysis before and after reinforcement

綜上，該邊坡在失穩狀態下通過多種加固方式混合使用，改變了坡體內部的應力分布，減少坡體應力集中，塑性區域分布面積大大減少。同時錨桿及土釘約束住了邊坡的豎向位移，與治理前相比位移減少了0.2 m，加固方案合理可行，效果明顯，滿足工程實際要求。

6 結論

以某水庫左岸邊坡為研究對象，數值模擬計算為主要研究手段，在考慮抗滑裝置與滑坡土體之間的相互作用的基礎之上，對強降雨作用下滑坡體穩定性以及設置抗滑裝置的加固效果進行研究。結果表明：強降雨作用下，滑坡體內部主要以壓應力為主，不存在拉應力；滑坡產生的最大豎向位移為0.27 m，位于滑坡體的中下部；塑性區域面積存在集中現象貫穿滑坡體內部，安全系數為1.08，顯示滑坡可能處于不穩定狀態。設置抗滑裝置加固處理后，滑坡產生的最大豎向位移相比設抗滑裝置前滑坡滑動位移量明顯減小，最大豎向位移為0.07 m，滑坡變形有效控制；塑性區域相比設置裝置前，面積明顯減少，應力集中明顯減弱。此時安全系數提高為1.11，表明加固處理后，在強降雨作用下滑坡整體處于穩定狀態，治理效果明顯。

綜上，在強降雨作用下，多種加固處理方式的結合使用對滑坡變形控制起到一定的防治作用，并且效果較明顯。