丁 辰，薛凯喜，李 炀，田兴华，白细民，李向辉，陈国房

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；

2.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 100001；

3.江西省勘察设计研究院，江西 南昌 330001)

0 引 言

江西地处江南山地丘陵区[1]，在全国地质灾害数量统计中位居前列[2]。其中，滑坡发生频次高，是最主要的灾种，因而边坡稳定性问题一直以来备受关注[3]，尤其是鄱阳湖地区生态经济区域内层状土质边坡分布范围广，近年来受极端气候、人类工程活动及地震等因素的影响，滑坡、崩塌、泥石流等各类地质灾害频发[4-8]，今后仍是地质灾害的增长期[6]。虽然国内外众多学者[9-14]在普通边坡稳定性及非饱和土相关研究领域颇有建树，但对层状土质边坡的研究成果较少。郑开欢等[15]研究了层状碎石土边坡在持续暴雨条件下的入渗过程及稳定性，推导了土体天然含水率、天然容重与天然体积含水量的换算公式，建立有限元分析模型，进行降雨条件下层状土边坡稳定分析得出，层状碎石土边坡持续暴雨作用下容易在降雨中后期失稳；李世钰等[16]依托道路工程实例，总结层状高边坡施工经验，针对性地采用一系列开挖和支护等技术措施，取得了良好的治理效果；曾江波等[17]考虑层状各层土体的渗透性能差异，基于Green-Ampt模型建立层状边坡入渗模型，推导了考虑滑面抗剪强度动态变化的层状边坡稳定性方程，提出了降雨入渗临界时间概念；马吉倩等[18]研究降雨条件下坡积土-强风化岩质边坡的渗流特征表明，降雨入渗深度与坡积土层厚度成正比，且边坡坡比越大，其底部截面的降雨入渗深度越大。

江西省层状土质边坡分布广泛，然而有关江西省域范围内层状土边坡的研究仍然处于空白阶段，因此明晰江西省域内层状土质边坡失稳灾变的机理具有重要意义。为此，本文以鄱阳湖流域层状土质边坡为研究对象，利用自行研发的滑坡模拟设备和可调式降雨装置，结合Geostudio2018数值软件，并对数值模拟和模型试验结果进行对比，揭示不同倾向、不同互层状态边坡在持续性强降雨条件下优先入渗层、十字板剪切强度、孔隙水压力以及安全系数的变化规律，为地质灾害防治提供理论支持。

1 层状土边坡概况

江西省位于我国东南偏中部，属于亚热带季风气候，年均降水量为1 400～1 900 mm，年平均气温16～20 ℃。全省的典型地貌类型以山地、丘陵为主，土壤以红壤和黄壤为主[19-20]。本试验依托江西省信江八字嘴航电枢纽工程，勘察报告显示，大坝主体施工过程中需对因开挖出现的粉土、黏土、砂土层状土质边坡进行临时加固防护，并对坝周生态边坡予以加固。本文对研究区的粉土、砂土、黏土进行采样，以3类土互层状态下的边坡为研究对象。影响层状土质边坡的主要因素有土体强度、坡型、沉积层面产状与坡面的组合关系，层状土质边坡坡型以成层作为分类依据，根据实际工况将研究区层状土质边坡主要分为顺倾倾层和水平倾层。

本试验采用的颗粒分析法是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法。经过严密的筛分和水分之后得到土样颗粒级配，试验用的3种土样的颗粒级配曲线见图1。此外，通过一系列室内土工试验，确定研究区土样基本物理性质，见表1。土-水双相特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve)是描述非饱和土中的基质吸力与土体含水率之间关系的曲线，反映的是土体在该吸力作用下的持水能力[20]。参照Geostudio2018软件中的粒径数据及样本函数2种估算方法，根据容重、粒径分布、颗粒密度等参数估算3种土的土-水特征曲线，见图2。

图1 3种土的颗粒级配曲线

表1 土样物理和渗透相关参数

图2 3种土的土-水特征曲线

2 层状土质边坡降雨入渗与稳定性数值模拟分析

2.1 模型的构建与初始条件

Geostudio2018软件主要由边坡稳定性分析(Slope/W)、地下水渗流分析(Seep/W)、应力变形分析(Sigma/W)等9个子模块组成。在实际工程中，层状土质边坡往往几何外形不规则，地层厚度不均匀。结合研究区实际的地形地貌，对实际的层状土质边坡进行简化处理，设定边坡为粉土、黏土、砂土3种土的互层边坡。数值模型的几何形态见图3。

图3 边坡的几何形态(单位：m)

本文根据实际工况分析设计了顺倾倾层和水平倾层2种层状边坡模型，在模型中设置7个监测点(D1～D7)，分散于坡顶、坡肩、坡面、坡脚、坡底面，以考察边坡内部各物理参量随时间的变化规律，见图4。事先对所有的边坡均进行了加密处理，全局单元尺寸为0.5 m，顺倾倾向边坡模型有2 270个节点，2 160个单元；水平倾向边坡模型有2 266个节点，2 148个单元。

图4 层状土边坡模型

2.2 优先入渗层

对2种不同倾向及6种不同成层顺序的边坡进行数值分析，降雨量设定为490 mm，时间设定为14 d。通过强降雨工况下耦合和非耦合分析得出，在降雨强度、降雨历时及边坡几何外形不变时，不同倾向、不同成层结构状态下的边坡优先入渗层是一致的。非耦合分析、耦合分析各倾层在不同成层结构下的优先入渗层分别见表2、3。从表2、3可知，砂土层渗透性最好，然而不是所有类型的成层结构边坡的优先入渗层都为砂土层，这体现了层状土坡雨水入渗的复杂性，而非耦合分析与耦合分析下，不同倾层、不同成层结构边坡的分析结果不一致。

表2 各倾层在不同成层结构下的优先入渗层(非耦合分析)

表3 各倾层在不同成层结构下的优先入渗层(耦合分析)

2.3 层间互渗规律

经过Seep/W模块耦合分析和非耦合分析，可知各类层状土质边坡的层间互渗规律、互渗模式是大致相同的。非耦合分析、耦合分析下各倾层在不同成层结构下的层间互渗模式分别见表4、5。当雨水入渗至边坡内部，并在浅层土达到饱和后，会发生向其他土层渗透的情况，倾向、成层结构是影响层间渗透规律的因素之一。

表4 各倾层在不同成层结构下的层间互渗模式(非耦合分析)

表5 各倾层在不同成层结构下的层间互渗模式(耦合分析)

在顺倾层中，雨水渗透方向大致沿从左往右的方向，并缓慢向下方土层渗透，由优先入渗层向其他土层入渗；在水平倾层中，层间入渗大致由上至下垂直入渗，也由渗透性较高的土层向渗透性较低的土层入渗。

2.4 安全系数响应问题

利用Seep/W模块模拟计算的结果，即持续强降雨条件下非耦合及耦合分析，将其导入Slope/W模块中进行相应的层状土质边坡稳定性分析。不同倾层、不同成层结构边坡的安全系数随时间变化规律见图5、6。从图5、6可知，非耦合分析和耦合分析下，顺倾层中粉黏砂、粉砂黏、黏粉砂和砂粉黏互层边坡的安全系数在降雨初期都会随时间的增加而减小，在降雨7 d后安全系数逐渐上升至初始状态后不再变化。水平倾层中黏砂粉和砂粉黏互层边

图5 不同倾层边坡安全系数随时间变化规律

坡的安全系数不断减小。从整体来看，2种不同成层结构边坡的非耦合分析结果与耦合分析结果均有差异，其中顺倾层中黏砂粉互层边坡安全系数差异达到15.62%，水平倾层中砂粉黏互层边坡变化差异也达到了4.956%，这2种差异最为显著。2种分析方法的差异主要是由于边坡的变形以及降雨入渗导致的边坡不均匀膨胀。

图6 不同成层结构边坡安全系数随时间规律

3 层状土质边坡滑坡灾变物理模型试验

3.1 试验装备与监测方案

根据数值模拟中边坡比例大小研制了降雨诱发滑坡灾变模拟试验平台以及土压可调式雨水渗透模拟试验系统，该系统可进行不同的降雨强度及不同成层状态下层状土质边坡滑坡模拟试验，每个土坡的坡面选定9个监测点，用于监测十字板剪切强度和降雨后含水率，观察两者之间的相关性及规律。滑坡灾变模型试验平台及可调式雨水渗透模拟系统见图7。

图7 滑坡灾变模型试验平台及可调式雨水渗透模拟系统

本次试验针对研究区内的粉土、砂土、黏土进行试验，并且增加逆倾倾层和竖直倾层2种坡型，观察层状土质边坡的坡面和坡体的变形破坏情况。本次模型试验设定降雨量为70 mm/d，降雨历时7 d。试验采用十字板头规格：板头尺寸为800 mm2，量程为0～130 kPa。上述板头为标准板头，刻度圈示数分有0～13刻度，刻度单位为10 kPa，刻度每大格内分有5小格，即最小分度0.2；实际剪切强度值等于刻度圈示数乘以对应的板头系数。

3.2 坡体含水率与土体抗剪强度衰减规律

含水率和十字板剪切强度是衡量土体工程性质的重要指标，也是衡量边坡稳定性的重要参数，两者之间存在一定的相关性[21]。利用十字板剪切仪和室内试验检测并统计3种土的参数，多次测量取平均值，分析粉土、黏土、砂土在持续性降雨工况下十字板剪切强度和含水率的变化规律。持续性强降雨条件下各土层十字板剪切强度与含水率的关系见图8。

图8 各土层十字板剪切强度与含水率的关系

从图8可知，3类土的十字板剪切强度与含水率之间并非简单的线性相关，在特定含水率区间内，呈现出线性，而超出一定区间之后则呈现非线性关系。黏土层的十字板剪切强度随含水率的增加而减小；当粉土层的含水率在15%～26%时，十字板剪切强度随着含水率的增加而减小，超出该范围时，该规律不复存在；当砂土层的含水率在0～2%时，十字板剪切强度随含水率的增加而增加，当含水率大于2%左右时，十字板剪切强度随含水率的增加而减小。

3.3 坡体的变形与失稳响应

持续强降雨工况下不同倾层结构边坡的坡面及坡体破坏情况见图9。从图9可以看出，顺倾倾向和水平倾向2种层状土质明显破坏部位主要位于边坡的坡脚，这与Geostudio2018常用层状土边坡模型有效滑移面模拟结果基本一致，表明坡顶及坡脚应为滑坡防治的重点部位。

图9 边坡坡面及坡体降雨前后对比

2种边坡在7 d持续性降雨侵蚀下并未发生大面积整体滑坡，但坡体和坡面都不同程度受到侵蚀，顺倾倾层边坡的坡体破坏更为严重，坡面土体大量流失，坡肩附近土体受雨水冲刷和入渗影响最为显著，有大量凝结成块状的土体掉落，还在坡顶附近发现纵向和横向的张拉细小裂缝。水平倾向边坡虽然冲蚀破坏没有顺倾边坡严重，但坡面形成了大面积的冲沟，伴随有大量裂隙的出现，坡表的土体松弛，坡体内软弱的结构面开始扩展。2种坡面出现不同程度的径流，顺倾倾层边坡径流最明显。在水平倾层中，表层为砂土层，表层随雨水流失严重，说明强降雨容易对砂性土边坡冲蚀破坏。

4 数值模拟与物理模型试验对比

4.1 优先入渗层与层间互渗规律对比

统计物理模型试验的入渗和互渗结果，与Geostudio2018数值模拟结果进行对比分析，不同成层结构下的优先入渗层见表6。入渗层与数值模拟结果大体一致，略有不同的是，在物理模型试验中，水平倾层下6种成层结构边坡的优先入渗层取决于表层土，顺倾倾层下各成层结构边坡的优先入渗层为渗透性较好的砂土层。不同成层结构下的层间互渗规律见表7，该结果与数值模拟结果一致。

表6 不同成层结构下的优先入渗层

表7 不同成层结构下的层间互渗规律

4.2 坡肩、坡面、坡脚处含水率对比

将物理模型试验与数值模拟的坡肩、坡面、坡脚处的含水率变化情况进行对比，对比结果分别见图10、11、12。从图10、11、12可知，物理模型试验与Geostudio2018数值模拟试验中非耦合、耦合分析下含水率变化情况的差异不大，偏差均小于4%，软件分析的结果可与模型试验实现相互印证。非耦合分析与耦合分析下层状土质边坡坡肩、坡面、坡脚处含水率相差不大，由于蒸发、雨水流失等原因，物理模型试验所得含水率均小于数值模拟试验所得数据。

图10 坡肩坡面含水率对比

图11 坡面含水率对比

图12 坡脚含水率对比

5 结 语

本文利用Geostudio2018模拟和物理模型试验研究江西省域范围内层状土质边坡雨水入渗特征及边坡稳定性，得出以下结论：

(1)不同倾向层状土质边坡在降雨条件下的安全系数的响应规律有较大差异，且不同成层结构边坡安全系数非耦合与耦合分析结果均有差异，其中顺倾层中黏砂粉互层边坡和水平倾层中砂粉黏互层边坡的变化差异最为显著，分别为15.62%、4.956%。倾向和成层结构也是影响层状边坡稳定性的重要因素，顺倾层状土质边坡在持续性强降雨条件下更容易发生滑坡、崩塌。

(2)在降雨强度、降雨历时及边坡几何外形不变时，不同成层结构状态下的边坡优先入渗层是一致的。渗透性较好的砂土层并不是所有层状土质边坡的优先入渗层。而非耦合分析与耦合分析下不同倾向、不同成层结构边坡的优先入渗层不一样，尤以水平倾层边坡的变化最为明显。

(3)在物理模型试验中，2类边坡都遭到雨水侵蚀，然而冲蚀情况不同，顺倾倾层受强降雨冲刷影响最大，坡体和坡面破坏最严重，坡顶及坡脚应为滑坡防治的重点部位。砂土、粉土的十字板剪切强度与土体含水率之间具有复杂的关联性，但并非简单的线性相关，只会在一定含水率区间呈现线性关系，超过区间范围则线性关系不复存在。

(4)倾向、成层结构是影响边坡层间渗透规律的因素之一。在顺倾层中，渗透方向大致沿从左往右的方向慢慢向下方土层渗透，由优先入渗层向其他土层入渗；在水平倾层中，层间入渗大致由上至下垂直入渗，也由渗透性较高的土层向渗透性较低的土层入渗。

(5)将物理模型试验与Geostudio2018数值模拟试验进行对比，两者模拟的层状土质边坡优先入渗层、层间互渗规律、含水率变化特征都大体相同，表明该软件分析的结果可与模型试验相互印证，适用于层状土质边坡研究。