江西省域范圍持續性強降雨誘發層狀土質邊坡滑坡災變機理研究

丁 辰，薛凱喜，李 煬，田興華，白細民，李向輝，陳國房

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；

2.中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 100001；

3.江西省勘察設計研究院，江西 南昌 330001)

0 引 言

江西地處江南山地丘陵區[1]，在全國地質災害數量統計中位居前列[2]。其中，滑坡發生頻次高，是最主要的災種，因而邊坡穩定性問題一直以來備受關注[3]，尤其是鄱陽湖地區生態經濟區域內層狀土質邊坡分布范圍廣，近年來受極端氣候、人類工程活動及地震等因素的影響，滑坡、崩塌、泥石流等各類地質災害頻發[4-8]，今后仍是地質災害的增長期[6]。雖然國內外眾多學者[9-14]在普通邊坡穩定性及非飽和土相關研究領域頗有建樹，但對層狀土質邊坡的研究成果較少。鄭開歡等[15]研究了層狀碎石土邊坡在持續暴雨條件下的入滲過程及穩定性，推導了土體天然含水率、天然容重與天然體積含水量的換算公式，建立有限元分析模型，進行降雨條件下層狀土邊坡穩定分析得出，層狀碎石土邊坡持續暴雨作用下容易在降雨中后期失穩；李世鈺等[16]依托道路工程實例，總結層狀高邊坡施工經驗，針對性地采用一系列開挖和支護等技術措施，取得了良好的治理效果；曾江波等[17]考慮層狀各層土體的滲透性能差異，基于Green-Ampt模型建立層狀邊坡入滲模型，推導了考慮滑面抗剪強度動態變化的層狀邊坡穩定性方程，提出了降雨入滲臨界時間概念；馬吉倩等[18]研究降雨條件下坡積土-強風化巖質邊坡的滲流特征表明，降雨入滲深度與坡積土層厚度成正比，且邊坡坡比越大，其底部截面的降雨入滲深度越大。

江西省層狀土質邊坡分布廣泛，然而有關江西省域范圍內層狀土邊坡的研究仍然處于空白階段，因此明晰江西省域內層狀土質邊坡失穩災變的機理具有重要意義。為此，本文以鄱陽湖流域層狀土質邊坡為研究對象，利用自行研發的滑坡模擬設備和可調式降雨裝置，結合Geostudio2018數值軟件，并對數值模擬和模型試驗結果進行對比，揭示不同傾向、不同互層狀態邊坡在持續性強降雨條件下優先入滲層、十字板剪切強度、孔隙水壓力以及安全系數的變化規律，為地質災害防治提供理論支持。

1 層狀土邊坡概況

江西省位于我國東南偏中部，屬于亞熱帶季風氣候，年均降水量為1 400～1 900 mm，年平均氣溫16～20 ℃。全省的典型地貌類型以山地、丘陵為主，土壤以紅壤和黃壤為主[19-20]。本試驗依托江西省信江八字嘴航電樞紐工程，勘察報告顯示，大壩主體施工過程中需對因開挖出現的粉土、黏土、砂土層狀土質邊坡進行臨時加固防護，并對壩周生態邊坡予以加固。本文對研究區的粉土、砂土、黏土進行采樣，以3類土互層狀態下的邊坡為研究對象。影響層狀土質邊坡的主要因素有土體強度、坡型、沉積層面產狀與坡面的組合關系，層狀土質邊坡坡型以成層作為分類依據，根據實際工況將研究區層狀土質邊坡主要分為順傾傾層和水平傾層。

本試驗采用的顆粒分析法是測定干土中各種粒組所占該土總質量的百分數的方法。經過嚴密的篩分和水分之后得到土樣顆粒級配，試驗用的3種土樣的顆粒級配曲線見圖1。此外，通過一系列室內土工試驗，確定研究區土樣基本物理性質，見表1。土-水雙相特征曲線(Soil-Water Characteristic Curve)是描述非飽和土中的基質吸力與土體含水率之間關系的曲線，反映的是土體在該吸力作用下的持水能力[20]。參照Geostudio2018軟件中的粒徑數據及樣本函數2種估算方法，根據容重、粒徑分布、顆粒密度等參數估算3種土的土-水特征曲線，見圖2。

圖1 3種土的顆粒級配曲線

表1 土樣物理和滲透相關參數

圖2 3種土的土-水特征曲線

2 層狀土質邊坡降雨入滲與穩定性數值模擬分析

2.1 模型的構建與初始條件

Geostudio2018軟件主要由邊坡穩定性分析(Slope/W)、地下水滲流分析(Seep/W)、應力變形分析(Sigma/W)等9個子模塊組成。在實際工程中，層狀土質邊坡往往幾何外形不規則，地層厚度不均勻。結合研究區實際的地形地貌，對實際的層狀土質邊坡進行簡化處理，設定邊坡為粉土、黏土、砂土3種土的互層邊坡。數值模型的幾何形態見圖3。

圖3 邊坡的幾何形態(單位：m)

本文根據實際工況分析設計了順傾傾層和水平傾層2種層狀邊坡模型，在模型中設置7個監測點(D1～D7)，分散于坡頂、坡肩、坡面、坡腳、坡底面，以考察邊坡內部各物理參量隨時間的變化規律，見圖4。事先對所有的邊坡均進行了加密處理，全局單元尺寸為0.5 m，順傾傾向邊坡模型有2 270個節點，2 160個單元；水平傾向邊坡模型有2 266個節點，2 148個單元。

圖4 層狀土邊坡模型

2.2 優先入滲層

對2種不同傾向及6種不同成層順序的邊坡進行數值分析，降雨量設定為490 mm，時間設定為14 d。通過強降雨工況下耦合和非耦合分析得出，在降雨強度、降雨歷時及邊坡幾何外形不變時，不同傾向、不同成層結構狀態下的邊坡優先入滲層是一致的。非耦合分析、耦合分析各傾層在不同成層結構下的優先入滲層分別見表2、3。從表2、3可知，砂土層滲透性最好，然而不是所有類型的成層結構邊坡的優先入滲層都為砂土層，這體現了層狀土坡雨水入滲的復雜性，而非耦合分析與耦合分析下，不同傾層、不同成層結構邊坡的分析結果不一致。

表2 各傾層在不同成層結構下的優先入滲層(非耦合分析)

表3 各傾層在不同成層結構下的優先入滲層(耦合分析)

2.3 層間互滲規律

經過Seep/W模塊耦合分析和非耦合分析，可知各類層狀土質邊坡的層間互滲規律、互滲模式是大致相同的。非耦合分析、耦合分析下各傾層在不同成層結構下的層間互滲模式分別見表4、5。當雨水入滲至邊坡內部，并在淺層土達到飽和后，會發生向其他土層滲透的情況，傾向、成層結構是影響層間滲透規律的因素之一。

表4 各傾層在不同成層結構下的層間互滲模式(非耦合分析)

表5 各傾層在不同成層結構下的層間互滲模式(耦合分析)

在順傾層中，雨水滲透方向大致沿從左往右的方向，并緩慢向下方土層滲透，由優先入滲層向其他土層入滲；在水平傾層中，層間入滲大致由上至下垂直入滲，也由滲透性較高的土層向滲透性較低的土層入滲。

2.4 安全系數響應問題

利用Seep/W模塊模擬計算的結果，即持續強降雨條件下非耦合及耦合分析，將其導入Slope/W模塊中進行相應的層狀土質邊坡穩定性分析。不同傾層、不同成層結構邊坡的安全系數隨時間變化規律見圖5、6。從圖5、6可知，非耦合分析和耦合分析下，順傾層中粉黏砂、粉砂黏、黏粉砂和砂粉黏互層邊坡的安全系數在降雨初期都會隨時間的增加而減小，在降雨7 d后安全系數逐漸上升至初始狀態后不再變化。水平傾層中黏砂粉和砂粉黏互層邊

圖5 不同傾層邊坡安全系數隨時間變化規律

坡的安全系數不斷減小。從整體來看，2種不同成層結構邊坡的非耦合分析結果與耦合分析結果均有差異，其中順傾層中黏砂粉互層邊坡安全系數差異達到15.62%，水平傾層中砂粉黏互層邊坡變化差異也達到了4.956%，這2種差異最為顯著。2種分析方法的差異主要是由于邊坡的變形以及降雨入滲導致的邊坡不均勻膨脹。

圖6 不同成層結構邊坡安全系數隨時間規律

3 層狀土質邊坡滑坡災變物理模型試驗

3.1 試驗裝備與監測方案

根據數值模擬中邊坡比例大小研制了降雨誘發滑坡災變模擬試驗平臺以及土壓可調式雨水滲透模擬試驗系統，該系統可進行不同的降雨強度及不同成層狀態下層狀土質邊坡滑坡模擬試驗，每個土坡的坡面選定9個監測點，用于監測十字板剪切強度和降雨后含水率，觀察兩者之間的相關性及規律?；聻淖兡Ｐ驮囼炂脚_及可調式雨水滲透模擬系統見圖7。

圖7 滑坡災變模型試驗平臺及可調式雨水滲透模擬系統

本次試驗針對研究區內的粉土、砂土、黏土進行試驗，并且增加逆傾傾層和豎直傾層2種坡型，觀察層狀土質邊坡的坡面和坡體的變形破壞情況。本次模型試驗設定降雨量為70 mm/d，降雨歷時7 d。試驗采用十字板頭規格：板頭尺寸為800 mm2，量程為0～130 kPa。上述板頭為標準板頭，刻度圈示數分有0～13刻度，刻度單位為10 kPa，刻度每大格內分有5小格，即最小分度0.2；實際剪切強度值等于刻度圈示數乘以對應的板頭系數。

3.2 坡體含水率與土體抗剪強度衰減規律

含水率和十字板剪切強度是衡量土體工程性質的重要指標，也是衡量邊坡穩定性的重要參數，兩者之間存在一定的相關性[21]。利用十字板剪切儀和室內試驗檢測并統計3種土的參數，多次測量取平均值，分析粉土、黏土、砂土在持續性降雨工況下十字板剪切強度和含水率的變化規律。持續性強降雨條件下各土層十字板剪切強度與含水率的關系見圖8。

圖8 各土層十字板剪切強度與含水率的關系

從圖8可知，3類土的十字板剪切強度與含水率之間并非簡單的線性相關，在特定含水率區間內，呈現出線性，而超出一定區間之后則呈現非線性關系。黏土層的十字板剪切強度隨含水率的增加而減小；當粉土層的含水率在15%～26%時，十字板剪切強度隨著含水率的增加而減小，超出該范圍時，該規律不復存在；當砂土層的含水率在0～2%時，十字板剪切強度隨含水率的增加而增加，當含水率大于2%左右時，十字板剪切強度隨含水率的增加而減小。

3.3 坡體的變形與失穩響應

持續強降雨工況下不同傾層結構邊坡的坡面及坡體破壞情況見圖9。從圖9可以看出，順傾傾向和水平傾向2種層狀土質明顯破壞部位主要位于邊坡的坡腳，這與Geostudio2018常用層狀土邊坡模型有效滑移面模擬結果基本一致，表明坡頂及坡腳應為滑坡防治的重點部位。

圖9 邊坡坡面及坡體降雨前后對比

2種邊坡在7 d持續性降雨侵蝕下并未發生大面積整體滑坡，但坡體和坡面都不同程度受到侵蝕，順傾傾層邊坡的坡體破壞更為嚴重，坡面土體大量流失，坡肩附近土體受雨水沖刷和入滲影響最為顯著，有大量凝結成塊狀的土體掉落，還在坡頂附近發現縱向和橫向的張拉細小裂縫。水平傾向邊坡雖然沖蝕破壞沒有順傾邊坡嚴重，但坡面形成了大面積的沖溝，伴隨有大量裂隙的出現，坡表的土體松弛，坡體內軟弱的結構面開始擴展。2種坡面出現不同程度的徑流，順傾傾層邊坡徑流最明顯。在水平傾層中，表層為砂土層，表層隨雨水流失嚴重，說明強降雨容易對砂性土邊坡沖蝕破壞。

4 數值模擬與物理模型試驗對比

4.1 優先入滲層與層間互滲規律對比

統計物理模型試驗的入滲和互滲結果，與Geostudio2018數值模擬結果進行對比分析，不同成層結構下的優先入滲層見表6。入滲層與數值模擬結果大體一致，略有不同的是，在物理模型試驗中，水平傾層下6種成層結構邊坡的優先入滲層取決于表層土，順傾傾層下各成層結構邊坡的優先入滲層為滲透性較好的砂土層。不同成層結構下的層間互滲規律見表7，該結果與數值模擬結果一致。

表6 不同成層結構下的優先入滲層

表7 不同成層結構下的層間互滲規律

4.2 坡肩、坡面、坡腳處含水率對比

將物理模型試驗與數值模擬的坡肩、坡面、坡腳處的含水率變化情況進行對比，對比結果分別見圖10、11、12。從圖10、11、12可知，物理模型試驗與Geostudio2018數值模擬試驗中非耦合、耦合分析下含水率變化情況的差異不大，偏差均小于4%，軟件分析的結果可與模型試驗實現相互印證。非耦合分析與耦合分析下層狀土質邊坡坡肩、坡面、坡腳處含水率相差不大，由于蒸發、雨水流失等原因，物理模型試驗所得含水率均小于數值模擬試驗所得數據。

圖10 坡肩坡面含水率對比

圖11 坡面含水率對比

圖12 坡腳含水率對比

5 結 語

本文利用Geostudio2018模擬和物理模型試驗研究江西省域范圍內層狀土質邊坡雨水入滲特征及邊坡穩定性，得出以下結論：

(1)不同傾向層狀土質邊坡在降雨條件下的安全系數的響應規律有較大差異，且不同成層結構邊坡安全系數非耦合與耦合分析結果均有差異，其中順傾層中黏砂粉互層邊坡和水平傾層中砂粉黏互層邊坡的變化差異最為顯著，分別為15.62%、4.956%。傾向和成層結構也是影響層狀邊坡穩定性的重要因素，順傾層狀土質邊坡在持續性強降雨條件下更容易發生滑坡、崩塌。

(2)在降雨強度、降雨歷時及邊坡幾何外形不變時，不同成層結構狀態下的邊坡優先入滲層是一致的。滲透性較好的砂土層并不是所有層狀土質邊坡的優先入滲層。而非耦合分析與耦合分析下不同傾向、不同成層結構邊坡的優先入滲層不一樣，尤以水平傾層邊坡的變化最為明顯。

(3)在物理模型試驗中，2類邊坡都遭到雨水侵蝕，然而沖蝕情況不同，順傾傾層受強降雨沖刷影響最大，坡體和坡面破壞最嚴重，坡頂及坡腳應為滑坡防治的重點部位。砂土、粉土的十字板剪切強度與土體含水率之間具有復雜的關聯性，但并非簡單的線性相關，只會在一定含水率區間呈現線性關系，超過區間范圍則線性關系不復存在。

(4)傾向、成層結構是影響邊坡層間滲透規律的因素之一。在順傾層中，滲透方向大致沿從左往右的方向慢慢向下方土層滲透，由優先入滲層向其他土層入滲；在水平傾層中，層間入滲大致由上至下垂直入滲，也由滲透性較高的土層向滲透性較低的土層入滲。

(5)將物理模型試驗與Geostudio2018數值模擬試驗進行對比，兩者模擬的層狀土質邊坡優先入滲層、層間互滲規律、含水率變化特征都大體相同，表明該軟件分析的結果可與模型試驗相互印證，適用于層狀土質邊坡研究。