许四法,姜伙军,孙昌一,冯益潘

(1.浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023;2.浙江省第一地质大队,浙江 杭州 310007)

降雨诱发的滑坡灾害是我国最常见的地质灾害。众多学者利用数值模拟、现场试验以及模型实验等方式对降雨诱发滑坡的机理开展了大量的研究。李龙起等[1]、李焕强等[2]构建了边坡地质力学模型试验并利用人工喷洒技术模拟降雨过程,得到了降雨入渗作用下边坡关键点的变化特征和边坡应力应变发展模式。简文彬等[3]自行设计了土体入渗装置,现场实地开展原状土柱一维降雨入渗试验,考察了东南沿海地区代表性土体的渗透特性。李宏儒等[4]、邓喜等[5]和杨煜等[6]基于非饱和渗流方程,探究降雨强度、土性参数等对边坡渗流及稳定性的影响规律。吴顺川等[7]、许宝田等[8]通过数值模拟建立了含软弱夹层的边坡模型,再现了大变形条件下坡体应力及变形变化的全过程。苏培东等[9]基于软弱夹层的应变软化特性,从理论角度认识了含软弱夹层顺层岩质滑坡的渐进破坏过程。张令非等[10]认为分区滑动破坏是含软弱层岩石边坡的典型破坏模式,软弱层倾角是影响稳定区、欠稳区和失稳区3区分布的决定性因素。但是,上述研究对象都是单一地层边坡,事实上,自然边坡多为岩石风化沉积而形成的多层地层边坡,并且多层地层边坡的稳定性往往由岩体中软弱夹层的物理力学性质所决定。

笔者针对某边坡工程,运用迈达斯GTS NX数值模拟方法,探究降雨强度对双层软弱夹层边坡中渗流场、位移场及安全系数影响规律,以揭示含双层软弱夹层降雨型滑坡的孕灾机制。

1 工程地质概况

建德市某山体边坡发生滑坡,经调查发现,险情发生前当地3 d累计降雨量达到175 mm。主滑方向295°,坡面平均坡度14°,滑坡前后缘形成的高差30 m。滑坡平均厚度11 m,体积约9.02×104m3,为小型中层岩质滑坡。

坡体内主要地层为第4系残坡积层(Qel+dl),奥陶系上统长坞组(O3c)粉砂质泥岩。地层岩性自上而下如图1所示:1) 含碎石粉质黏土;2) 强风化粉砂质泥岩,该层含有两层软弱夹层,软弱夹层从埋深较浅到埋深较深可分为P1,P2两层,主要成分为粉质黏土,厚度为2～3 m,软弱夹层在边坡内呈带状倾斜分布,夹层倾角为16°;3) 中风化粉砂质泥岩。

图1 边坡工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological profile of slope

2 参数选取和模型建立

为了分析不同降雨工况下含双层软弱夹层边坡的失稳机制,首先,基于饱和-非饱和渗流理论[11],采用GTS NX中的渗流模块建立不同降雨强度下的分析模型,研究降雨强度对含双层软弱夹层边坡软弱夹层处水的体积分数的变化规律;其次,利用室内试验探究软弱夹层水的体积分数与抗剪强度指标之间关系,并将软弱夹层抗剪强度指标应用于边坡稳定分析;最后,基于摩尔-库伦破坏准则[12],利用有限元强度折减法[13]分析含双层软弱夹层边坡位移场和安全系数变化规律。

有限元强度折减法[13]认为,边坡岩土体发生剪切破坏的原因是其所受剪应力达到极限抗剪强度,计算中将坡体的真实抗剪强度除以折减系数F,以达到强度折减的目的。当达到极限破坏状态时,此时的F即为边坡的稳定安全系数,其计算式为

(1)

(2)

式中:Ctrial为折减后的黏聚力;φtrial为折减后的内摩擦角;Ftrial为折减系数。

2.1 降雨条件

分析工况为在保证累积降雨量为180 mm不变条件下,拟定4种降雨强度和降雨历时,分析不同降雨条件对边坡稳定性的影响,具体降雨强度方案如表1所示。

表1 降雨强度方案

2.2 计算参数

由于岩体十分破碎,岩体采用与软弱夹层土体相同的Mohr-Coulomb本构模型。该边坡钻孔信息表明:软弱夹层为粉质黏土,遇水力学性能差,为潜在滑动面。两条软弱夹层物质成分相同,软弱夹层力学参数根据室内固结快剪试验确定,粉砂质泥岩力学参数在现场勘察和室内试验的基础上确定。岩层物理力学参数如表2所示。

表2 岩层物理力学参数

为描述降雨入渗在含双层软弱夹层边坡内的渗流特性,利用压力板仪试验得到边坡软弱夹层的饱和水的体积分数为29.6%,残余水的体积分数为12%,以及基质吸力与水的体积分数对应关系,采用Cho[14]模型拟合软弱夹层土水特征曲线;并在测得软弱夹层饱和渗透系数为8×10-7cm/s情况下,基于Van Genuchte-Mualem渗透模型反演软弱夹层渗水渗透函数曲线。其余各地层水力特性参照类似工程,拟合曲线如图2,3所示。

图2 土水特征曲线Fig.2 Soil water characteristic curve

图3 渗透系数曲线Fig.3 Permeability coefficient curve

2.3 分析模型

采用GTS NX软件建立三维边坡模型。模型位移边界:左右边界施加法向约束,底部边界施加轴向约束;渗流边界:模型左右两侧采用与地下水位高度相等的常水头边界,边坡表面采用与降雨强度相等的流量边界。为避免模型尺寸影响有限元强度折减法计算精度,采用张鲁渝等[15]建议的模型边界尺寸,其中,模型右侧高度为60 m,左侧高度为32 m,总长度为235 m,宽度为80 m;初始地下水位:左侧水头为19.5 m,右侧水头为45.5 m,边坡表面流量边界根据降雨强度设置不同曲面流量值。最后,在分析工况中设置时间步骤模拟降雨时长。计算模型如图4所示。

此外,在模型中设置了如图5所示的观测点1～3及流量截面Ⅰ-Ⅰ,其中,监测点1～3分别位于坡体坡脚、腰部和坡顶表面位置。

图5 数值模拟模型观测点布置Fig.5 Layout of observation points of numerical simulation model

3 坡体水的体积分数和基质吸力变化规律

3.1 坡体水的体积分数变化规律

降雨结束时截面Ⅰ-Ⅰ的水的体积分数如图6所示。由图6可知:在同一降雨条件下,软弱夹层P1以上坡体水的体积分数随深度增加而增加,在软弱夹层处土体水的体积分数较高,峰值水的体积分数达到28.8%,两层软弱夹层中间坡体水的体积分数略低于软弱夹层处。分析其原因为降雨结束后,雨水入渗与降雨历程相比具有一定“滞后性”,并且坡面土体与强风化岩体渗透性相差不大,故雨停后坡面土体一方面失去水分补给;另一方面雨水持续下渗,因此坡面水的体积分数低。由于软弱夹层渗透性远小于强风化岩体,雨水入渗受到“阻滞”,坡体水的体积分数不断增大,并在软弱夹层P1上表面形成暂态饱和区。由于软弱夹层渗透性差,具有一定的保水和隔水作用,因此两层软弱夹层水的体积分数都较高,而两层软弱夹层之间岩体渗透性好,持水性差,因此水的体积分数略有下降。

图6 截面Ⅰ-Ⅰ水的体积分数变化规律Fig.6 Variation law of water content in section Ⅰ-Ⅰ

在不同降雨强度下,降雨强度大、历时短的降雨坡体水的体积分数上升速度快于降雨强度小历时长的降雨,这是由于降雨对坡体水的体积分数的影响主要与土体的孔隙结构以及岩体的节理裂隙发育程度有关,当土体孔隙大且岩体破碎时,降雨强度小、历时长的降雨雨水渗入坡体后又迅速渗出,所以地下水位以上坡体水的体积分数较低。

3.2 基质吸力变化规律

随着雨水入渗,观测点1～3基质吸力变化如图7所示。由图7可知:在不同降雨条件下,观测点1基质吸力随降雨历时增加而逐渐消散,降雨强度大、历时短的降雨基质吸力消散幅度和消散速度均大于降雨强度小、历时长的降雨,在雨停时刻,工况1基质吸力减小到-12.9 kPa,工况2基质吸力减小到-5.3 kPa,工况3孔隙水压力达到2.6 kPa,工况4孔隙水压力达到21.0 kPa。减小幅度的顺序为:工况4>工况3>工况2>工况1;观测点2,3表现为在降雨初期基质吸力迅速减小,在达到峰值后基质吸力逐渐增大并最终稳定在-7.8 kPa,观测点2工况4于历时14 h时,孔隙水压力达到4.0 kPa,其余工况于历时36 h时基质吸力达到最小值,并且吸力均小于0 kPa,观测点3各工况下峰值基质吸力均在0 kPa左右。由于观测点1位于坡脚,当降雨强度大于土体入渗能力时,坡面形成径流并于坡脚产生积水,坡脚吸力持续下降,并且降雨强度越大,基质吸力减小幅度越大,观测点2,3与观测点1基质吸力变化规律不同正是径流“补给”作用所造成的。在入渗初期观测点2,3的基质势起主导作用,入渗的水分被土颗粒吸附为薄膜水,形成了湿润锋,随后随着降雨和入渗过程持续,雨水在坡体内做不稳定渗流,此时湿润锋迅速下移,基质吸力随之迅速下降,当基质势和重力势达到平衡,雨水也在坡体中形成稳定渗流,基质吸力稳定在定值。

图7 基质吸力随降雨历时变化规律Fig.7 Variation law of matrix suction with rainfall duration

4 降雨入渗对边坡变形和稳定系数影响

4.1 边坡变形变化规律

为探明软弱夹层水的体积分数与力学参数之间关系,以最优水的体积分数为基准,配制不同水的体积分数重塑土样进行固结快剪试验,以残余强度作为软弱夹层的抗剪强度指标,试验结果如表3所示。由表3可知:随着水的体积分数增加,软弱夹层土体内摩擦角显著降低,黏聚力规律性并不明显。

图8为含双层软弱夹层(P1+P2)、仅软弱夹层P1和仅软弱夹层P2时边坡在各降雨工况下坡体各测点的位移变化特征图。由图8可知:从降雨类型角度分析,对于观测点1,对于含双层软弱夹层(P1+P2)的工况,降雨强度分别为30,40,50 mm/d,坡体位移基本无殊,约为9.3 cm,降雨强度为60 mm/d,坡体位移最大,达到了13.2 cm;对于仅软弱夹层P1的工况,4种降雨强度下坡体位移约为9 cm;对于仅软弱夹层P2的工况,4种降雨强度下坡体位移约为8 cm。对于观测点2,含双层软弱夹层(P1+P2)、仅软弱夹层P1以及仅软弱夹层P2等3种工况坡体位移均随降雨强度增加而增加。含双层软弱夹层(P1+P2)的工况坡体最大位移达到了13.1 cm,仅软弱夹层P1的工况坡体最大位移达到了12.3 cm,仅软弱夹层P2的工况坡体最大位移达到了12.6 cm。对于观测点3呈现的规律与观测点2类似,含双层软弱夹层(P1+P2)的工况坡体最大位移达到了13.0 cm,仅软弱夹层P1的工况坡体最大位移达到了11.2 cm,仅软弱夹层P2的工况坡体最大位移达到了11.4 cm。结合上文中基质吸力和水的体积分数变化特征可知:降雨强度越强,坡体水的体积分数增加速率越快,基质吸力消散速率也越快,雨水越易入渗至坡体内增加坡体自重、产生渗透力,这些都不利于边坡稳定;雨水入渗最终使地下水位显著抬升,降雨强度越大,坡脚处地下水位抬升效果越明显,位于水位以下软弱夹层越容易泥化导致抗剪强度降低,最终坡脚处潜在滑动带下滑力大于抗滑力而发生“牵引型”滑坡,因此降雨强度越强,坡体位移越大,并且降雨诱发的含软弱夹层滑坡多为“牵引型”滑坡。

图8 边坡位移随降雨强度变化规律Fig.8 Variation law of slope displacement with rainfall intensity

从边坡软弱夹层数量角度分析,在同一降雨条件下,含双层软弱夹层(P1+P2)边坡变形量最大,其次是仅软弱夹层P2,仅软弱夹层P1边坡变形量最少。所以岩体边坡变形性状由软弱夹层数量及埋深所决定,软弱夹层数量越多,边坡沿软弱夹层发生局部屈服概率越高,当屈服区贯通,边坡位移逐渐增大,边坡失稳概率也大大增加;软弱夹层埋深在边坡面出露处一定范围内,边坡位移与软弱夹层埋深呈正相关。究其原因:对于深层滑坡,降雨导致水位上升,埋深较深的软弱夹层长期饱水泥化,强度大幅下降,最终使边坡滑移拉裂破坏;而埋深较浅的软弱夹层则不受地下水位影响,边坡也保持稳定。

4.2 边坡稳定系数变化规律

在降雨入渗条件下,计算得到的不同软弱夹层数量的边坡稳定系数(表4)变化规律如图9所示。由图9可知:在降雨总量一致条件下,边坡稳定系数随降雨强度增大而逐渐减小。当降雨强度从50 mm/d增加到60 mm/d时,含双层软弱夹层(P1+P2)边坡稳定系数从1.1减小到0.975,降低了11%;仅软弱夹层P1边坡稳定系数从1.3减小到0.98,降低了25%;仅软弱夹层P2边坡稳定系数从1.23减小到1,降低了19%。并且软弱夹层数量也对边坡稳定系数有一定影响,在相同降雨条件下,含双层软弱夹层(P1+P2)的工况稳定系数最小,其次为仅软弱夹层P2的工况,仅软弱夹层P1的工况稳定系数最大。从上述稳定系数分析中可以看出:当降雨强度达到特定阈值时,边坡将从稳定状态变为不稳定状态,这种转变具有“突变性”,同时软弱夹层的数量也同样影响着边坡稳定状态,双层软弱夹层边坡稳定性明显低于单一软弱夹层边坡,下层软弱夹层更易受地下水位抬升而软化、泥化,因此仅含下层软弱夹层工况相较于仅含上层软弱夹层工况更易失稳破坏;仅含上层软弱夹层工况边坡也出现不稳定状态是因为降雨增加了坡体自重以及渗透力作用导致了边坡失稳[16]。

表4 滑坡稳定系数分类表

图9 边坡稳定系数随降雨强度变化规律Fig.9 Variation law of slope safety factorwith rainfall intensity

5 结 论

结合工程实例,基于GTS NX有限元分析软件,对降雨条件下双层软弱夹层边坡渗流及稳定性进行了分析,主要分析了降雨强度与软弱夹层数量对边坡岩土体基质吸力、水的体积分数以及位移、稳定系数的影响规律,得出:1) 不同降雨强度下,坡体水的体积分数变化规律一致。由于软弱夹层渗透性差,保水性强,故软弱夹层水的体积分数高于周围岩体,易于泥化,抗剪强度大幅下降,最终形成滑动带。2) 在降雨入渗条件下,降雨对边坡坡面基质吸力影响较大。降雨强度越大,基质吸力消散速率越快,基质吸力的消散使坡体抗剪强度降低,不利于边坡稳定。3) 对于降雨条件下含软弱夹层滑坡,当降雨总量恒定、软弱夹层位于滑坡中层时,降雨强度越强,软弱夹层数量越多,软弱夹层埋深越深,边坡变形越剧烈,边坡也越易从“稳定”状态转变为“不稳定”状态,且具有“突变性”。