強降雨環境下堆積層滑坡穩定性研究

鄒 建

（貴州正業工程技術投資有限公司，貴州 貴陽 550001）

亞熱帶地區和熱帶地區的堆積層滑坡較多，強降雨環境下堆積層滑坡引發的自然災害問題較多，對人身安全及財產造成威脅。為了減少滑坡問題帶來的影響，需要對強降雨環境下的堆積層滑坡穩定性進行分析，根據穩定性分析結果，采取一些應對措施做好防范工作。在進行降雨滑坡穩定性分析時，除了降雨入滲分析以外，還需要對穩定性評價方法進行深入探究。目前，GA模型（Green-Ampt模型）降雨滑坡穩定性分析方法應用較多，該模型雖然能夠反映雨水重分布狀況，分析降雨量對邊坡穩定性造成的影響，但是未能考慮濕潤鋒以上飽和帶平行坡比表條件下引發滲漏而導致的水分流失問題，且缺少降雨入滲導致的土體抗剪強度變化分析。為了彌補該模型存在的不足，該文嘗試提出新的滑坡降雨入滲模型研究，利用該模型分析堆積層滑坡穩定性。

1 滑坡降雨入滲模型的構建

1.1 模型假設

堆積層滑坡穩定性分析，需要獲取滑坡降雨入滲信息，通過分析入滲特點，判斷滑坡穩定性。通過整理大量文獻資料發現，強降雨環境下，斜坡淺表層土體狀態發生改變，待其達到飽和狀態后，隨著降雨量的增加逐漸擴展，該過程可以從2個方面進行分析：1）飽和帶隨著雨水滲入補給的增加而逐漸擴大。2）水力梯度、坡體幾何條件容易對滑坡降雨入滲造成較大影響，飽和帶水分沿著坡表向下的方向排出，以滲透力方式作用于滑坡。基于這些分析，探究滑坡強降雨入滲過程，提出以下假設。1）滑坡結構分為2個部分，均質土體分布在上部，不透水基巖分布在下部。2）根據滑坡結構特點可知，坡表徑流環境下，坡面不會產生積水。3）土體含水率分布均勻，去除地下水作用指標展開分析，基質吸力水頭參數為固定值。4）沿著豎直向下的方向降雨，產生的強度不低于土體飽和滲透系數。

1.2 模型的構建

滑坡非飽和土體受地表水滲入影響，導致表層土體結構發生變化，逐漸達到飽和狀態。在該過程中，基質吸力和重力的作用下，入滲持續期間，濕潤鋒隨之向下擴展。按照GA模型結構和特點，分析表面傾斜邊坡結構變化。表層土體受強降雨影響形成飽和帶，計算入滲速率，如公式（1）所示。

式中：為斜坡表面傾角；H為濕潤鋒位置的基質吸力水頭；λ為飽和滲透系數；為降雨入滲速度；D為沿著坡表垂直方向的濕潤鋒深度。

由于降雨初期，表層土體沒有達到飽和狀態，此時未產生濕潤鋒。上述模型適用條件有限，待形成濕潤鋒以后，或者表層土體達到飽和狀態后，才可以使用該模型進行分析。為了較為全面地探究滑坡降雨入滲問題，將入滲過程分為2個階段，分別是濕潤鋒形成前階段、濕潤鋒形成后階段。

與降雨強度相比，坡表土體雨水滲透能力更強，處于非飽和狀態，陰雨天氣所降雨水皆滲入土體。當降雨持續一段時間達到臨界時刻t，便形成濕潤鋒。假設降雨強度為q，根據入滲率與強度之間的關系，設定降雨入滲速率為cos。將這2個參數代入公式（1）中，得到關系式（2）。

式中：D為t時刻對應的濕潤鋒深度，為降雨強度。

假設t時刻降雨入滲累計量為Q，該參數計算公式如下。

式中：θ為土體天然體積含水率，θ為土體飽和體積含水率。按照質量守恒定律，土體水分增加量與降雨量相等，由此可以推導臨界時刻的計算方法，如公式（4）所示。

滑坡表層土體達到飽和狀態的同時，部分區域產生表層徑流，這些區域雨水入滲能力不高于降雨強度。其中，關于表層入滲速率可以利用公式（1）展開計算。另外，水力梯度、斜坡幾何條件皆對雨水入滲性能造成一定影響，濕潤鋒以上飽和帶水分沿著坡表向下的方向流動，以坡腳作為雨水排出區域。以往關于斜坡降雨問題的探究，利用GA模型展開分析。該研究方法缺少飽和帶與坡表層平行方向的降雨滲流問題，這與實際情況不符。為了彌補GA模型的不足，本研究構建了新的濕潤鋒計算模型，如圖1所示。

圖1 GA模型與新模型濕潤鋒的比較

將GA模型與新模型濕潤鋒進行對比，根據模型關系，對濕潤鋒形成后階段的降雨入滲采取補給處理。關于降雨入滲問題的分析，可以利用公式（1）進行計算，得到降雨累計入滲量，參數計算公式如下。

累計降雨入滲量對時間展開求導計算，得到降雨入滲速率。采用求導計算方法，對公式（5）求導，所得結果代入公式（1）中。對計算結果進行整理，獲取濕潤鋒速率。另外，考慮到飽和帶平行于坡表滲流，排除一些水分，導致濕潤鋒深度減少。引入達西定律，分析濕潤鋒減少速率和實際深度擴展速率，對2個參數進行積分計算，將積分計算結果代入初始條件，獲取濕潤鋒動態變化規律。由此可以推斷，土體性質、滑坡幾何參數等多個因素與濕潤鋒深度實際參數密切相關。與GA模型相比，新的濕潤鋒模型能夠較為顯著地體現降雨入滲滑坡尺寸效應。因此，該模型更貼合實際，可以作為滑坡穩定性分析工具。

2 基于強降雨環境的堆積層滑坡穩定性分析

2.1 整體抗剪強度

該研究對持續降雨過程中滑坡穩定性的分析，在土體抗剪強度基礎上，運用極限平衡法求解。其中，強度的選取非常重要。

土體在天然環境中呈現非飽和狀態，按照相互獨立雙應力狀態變量求解方法，計算該狀態的強度，如公式（6）所示。

式中：γ代表摩擦角，用于描述基質吸力增加程度；代表總正應力；F代表孔隙水壓力；F代表孔隙氣壓力；'代表有效內摩擦角；'代表土體有效黏聚力；F-F代表基質吸力。

正應力與基質吸力之間相互獨立，所以，該研究將黏聚力貢獻用基質吸力來描述，由此對表觀黏聚力進行定義，用基質吸力貢獻與有效黏聚力之和描述。考慮到滑坡土體的含水率在降雨過程中分布不均勻，加大了土體物料狀態分析難度。為了簡化問題，該研究用公式（7）描述抗剪強度。

式中：代表試驗參數（通常取值3.4）；代表飽和層高度比，計算方法為=h/。其中，代表土體條塊高度；h代表沿著豎向的飽和層高度，計算方法為h=z/cos；c代表表觀黏聚力。

由此推斷整體土層抗剪強度的計算公式，如公式（8）所示。

2.2 模型穩定系數計算

關于穩定系數的計算，取一豎直土條塊作為分析對象，假設坡體滑面與表面處于平行狀態，受力情況如圖2所示。

圖2 土體條塊受力

其中，土條重力的計算如公式（9）所示。

式中：σ代表土體的飽和重度，代表天然重度，代表沿著坡表面方向的土條塊長度。

土條塊受飽和帶水體滲透影響，沿著坡表面平行方向產生滲透力，該參數的求解公式如下。

式中：σ代表水重度。

假設穩定性系數為Φ，利用該系數評價滑坡穩定性。其中，Φ為抗滑力與下滑力的比值，通過計算Φ，分析土條塊受力情況。以下為系數Φ的計算公式。

式中：當Φ＞1時，滑坡處于穩定狀態；當Φ＜1時，滑坡處于不穩定狀態。利用該公式計算穩定性系數，能夠獲取土體整體強度在降雨過程中發生的變化特征信息，可以將其作為土體滲透力分析參考依據，所得分析結論與實際情況更加貼合。

3 結果分析

3.1 降雨時間推移下的不同坡長時濕潤鋒深度變化規律

該研究在GA模型基礎上，構建斜坡強降雨入滲分析模型。該模型中融入了飽和帶平行坡表條件下的滲透作用，解決了邊坡長度分析不足的問題。本次測試設定滑坡模型的傾角為30°，厚度為3.9 m的粉質黏土覆蓋在滑坡表面，各項參數分別如下。σ=19.4kN/m，=16.4kN/m，λ=110m/s，'=28°，=5kPa，H =50cm，θ=0.44，θ=0.14（F-F）tanγ=10kPa。取不同坡長，計算降雨時間推移下的濕潤鋒深度數值，分析其變化規律。其中，坡長取值5 m、10 m、30m以及60 m，計算結果見表1。本次統計以時間為0~10×10s的不同坡長的濕潤鋒深度作為統計指標，設定時間間隔為1×10s。

表1 降雨時間推移下的不同坡長的濕潤鋒深度變化

表1中，持續降雨過程中，濕潤鋒深度逐漸增加，并且隨著坡長的增加數值逐漸變大。GA模型的濕潤鋒深度從0.00 m增加至4.00 m，當降雨時間不足4×10s時，濕潤鋒深度增加幅度較大。當降雨時間超出4×10s后，濕潤鋒深度增加幅度發生變化較大，增加幅度先變大而后變小，再次變大。不同降雨時間為1×10s時，=5m條件下的濕潤鋒深度最小，隨著降雨時間的推移，濕潤鋒深度逐漸增加，但是小于其他取值條件下的濕潤鋒深度數值。當不同降雨時間超過2×10s后，=60m條件下的濕潤鋒深度最大。從整體來看，滑坡的坡長越小，濕潤鋒擴展受飽和帶滲流的影響越小，造成的影響作用逐漸增加。當坡長趨于無限大時，飽和帶滲流不考慮其中，可以簡化該模型結構，看作GA模型。相比之下，該模型的濕潤鋒深度特性分析更加全面。

3.2 降雨時間推移下的不同方法計算穩定性系數變化規律

該研究以傳統分析方法、“整體強度+不考慮滲透力”分析方法作為參照，檢驗該文提出的“整體強度+考慮滲透力”分析方法在穩定性系數變化規律分析中的可靠性。關于不同方法計算穩定性系數在降雨時間推移下的變化統計結果見表2。本次統計以時間為0~8×10s的不同方法計算穩定性系數作為統計指標。

表2 降雨時間推移下的不同方法計算穩定性系數變化

表2中，傳統方法應用下的穩定系數計算結果幾乎沒有受到降雨時間推移的影響，隨著降雨時間的推移，穩定性系數下降幅度較小，從1.55下降至1.44，該變化現象與降雨邊坡穩定性實際情況完全不符。在不考慮滲透力影響的情況下，分析滑坡整體強度，統計降雨滑坡穩定性數據，持續8×10s降雨，穩定性系數從1.55下降至1.05。由此推斷，“整體強度+不考慮滲透力”方法應用產生結果受降雨影響不是很顯著。而考慮滲透力影響的情況下，分析滑坡整體強度，統計獲取的降雨滑坡穩定性數據受降雨影響較為顯著，持續8×10s降雨，穩定性系數從1.55下降至0.65，穩定性系數統計結果與實際情況相符。因此，該研究構建的“整體強度+考慮滲透力”模型可以作為滑坡穩定性分析工具。

4 結語

該文圍繞強降雨環境下堆積層滑坡穩定性分析方法進行探究，在GA模型基礎上進行優化，構建新的分析模型。將考慮滲透力影響、滑坡整體強度分析綜合到一起，優化滑坡穩定性模型。應用結果表明，該模型不受滑坡坡長限定影響，能夠較為全面地分析濕潤鋒深度特性，并且計算所得降雨滑坡穩定性數據與實際情況相符程度更高，可以作為滑坡穩定性分析工具。