库水和降雨耦合作用下公路滑坡研究

沈秋池，苏 燕

（1．福建船政交通职业学院道路工程系，福州350007；2．福州大学土木工程学院，福州350116）

库水和降雨耦合作用下公路滑坡研究

沈秋池1，苏 燕2

（1．福建船政交通职业学院道路工程系，福州350007；2．福州大学土木工程学院，福州350116）

以福建山区库岸公路滑坡为对象，采用室内模型试验和有限元数值模拟方法，研究库岸公路降雨滑坡形成机理，探讨库水位下降与降雨联合作用下导致临水边坡发生失稳的模式和原因。研究表明库水位变动与降雨的联合作用将改变沿坡体内的渗流场，降低滑坡土体的力学强度，使得滑坡前缘由于浮力减重和浸泡软化作用导致抗滑力减小，滑坡中后部下滑力增大，产生滑坡现象。

水位降落；降雨；滑坡；模型试验；有限元

边坡失稳是目前发生频率较高的地质灾害之一，水库库区时常有库水位涨落和降雨发生往往会导致库岸公路滑坡失稳，从而造成的人员伤亡和经济损失巨大［1］。如何科学地确定在降雨和库水涨落作用下的边坡稳定性问题，是工程中亟需解决的问题。

目前，国内外学者在库岸公路降雨边坡的渗流理论、数值模拟分析、模型试验、危险性评价等方面取得了一定的研究成果，但还有许多需要深入研究和改进的地方［2－4］。本文拟通过模型试验和数值分析结合的方法，模拟临水边坡在水位降落和降雨联合作用下的失稳情况，通过数码摄像、动态应变采集仪来记录水位下降和降雨联合作用下边坡产生裂缝的形成发展过程、滑动面的形态、滑坡失稳过程，揭示临水边坡在水位下降和降雨联合作用下的失稳方式和原因。

1 试验装置及模型边坡

福建山区滑坡体多为基岩表面的浅层覆盖土体，本试验据此将滑坡地质结构设置为基岩型边坡，在模型箱底部铺设混凝土以模拟基岩。试验模型包括滑坡模型箱、人工降雨系统、动态应变采集仪。模型箱尺寸为285×100×130cm3，坡度为30°，模型箱底座和骨架采用钢板和型钢，为便于观察，四周采用有机玻璃（图1）。模型箱底部设有排水阀门，通过控制阀门开度，可以满足库水位下降速率的要求。人工降雨系统采用农用喷头雨滴发生器，距离试验坡面4m，能够达到模拟天然降雨终极速度的要求［3］。降雨喷头组采用直径20mm的PVC管进行串联，由蓄水池通过水泵供水，并利用阀门和分流管道来调节降雨强度。动态应变采集仪包括孔隙水压力计、土壤水分计，分别用于监测库水下降和降雨联合作用下边坡内部孔隙水压力、含水量的变化，其布置如图2所示。

图1 滑坡模型试验装置

图2 孔隙水压力计和土壤水分计布置图

边坡模型试验采用福建山区残积亚黏土，天然重度为18．8kN／m3，根据三轴试验测得其黏聚力为11．2kPa，内摩擦角为19．6°，由变水头渗透试验测得其渗透系数k＝6．7×10－6cm／s。边坡成型采用击实法，分层铺土，每层厚度为5cm。每分层铺好夯实后，用环刀取样，测其干密度和含水量，保证每层土密实度一致。当夯实至所需埋设土壤水分计和孔隙水压力计的分层时，按照布置图缓慢插入仪器，并整理固定好仪器线路，避免滑坡过程中仪器损毁。模型边坡填筑完成后，静置72h，使边坡自然沉降成型。

2 试验过程及结果分析

2．1 水位和降雨变化过程

开始试验前，缓慢匀速地向边坡水库内注水，使库水位逐渐上升至34cm。库水上涨使坡面含水量升高，非饱和土基质吸力降低；同时，涉水前缘土体孔隙水压力增大，有效应力降低，导致边坡涉水前缘出现局部崩塌现象。坡体中部土体在库水的浸泡作用下软化，导致黏聚力和内摩擦角减小，土体抗剪强度降低而产生局部变形。当模型边坡达到饱和稳定后，开启排水闸门，使坡外库水位按0．08cm／min匀速下降，历时425min。随着排水孔水头的降低，水库流量也不断减少。在库水位下降过程中降雨，分为2次，每次降雨历时7min，分别从第47分钟至54分钟、147分钟至154分钟，降雨强度均为110mm／h。

2．2 滑坡渐进破坏

当试验进行到第40分钟时，边坡距水面约50cm处出现平行于坡肩的张拉裂缝，裂缝长度约50cm；距水位10cm处出现与水平方向呈45°的剪切裂缝，如图3所示。随着库水位持续下降和降雨的联合作用，裂缝的深度和宽度不断增大。第一场人工降雨结束后，滑坡尚未启动。在库水下降和水分蒸发的作用下，试验进行到第70分钟时滑坡启动，剪切裂缝和张拉裂缝下方土体向下运动，运动范围为1～3cm，滑坡体在坡脚处堆积，支撑住上部土体，阻挡滑坡的进一步发展，坡体暂时达到稳定。当试验进行到第152分钟，即第2场雨第2分钟时，由于孔隙水压力骤然增大导致土体抗剪强度急剧降低，坡体再次滑动，土体沿张拉裂缝产生向下块体滑动。此时滑动土体上方的土体失去支撑，产生滑坡临空面，在自身重力和水体渗透力的作用下，在斜坡上部再次出现张拉裂缝，促使土体再次发生块体滑动，如此重复破坏产生渐进向后滑动破坏。边坡破坏的最终形态如图4所示。

图3 坡面上的张拉裂缝和剪切裂缝

2．3 含水量和孔隙水压力变化

图4是边坡中部CH2土壤水分计随时间变化的过程图，库水刚开始下降时，含水量基本不变，分析原因是坡内水位降落速率滞后于库水位的下降和蒸发作用。经历第一场降雨（7min），土体含水量迅速增加，向饱和状态靠拢，降雨结束后，由于水向下渗入和蒸发作用，含水量缓慢下降。当遭遇第二场降雨（7min）时，在第152分钟，土体沿张拉裂缝产生向下块体滑动，体积含水量急剧下降，这时由于边坡失稳后土壤水分计露出土体（如图5所示），无法继续测量。

图4 坡外水位CH2含水量随时间变化过程

图5 滑坡最终形态

图6是边坡中部CH5土壤孔隙水压力随时间变化过程图，在库水下降初期，孔隙水压力随着库水的下降而减小，在第一场降雨3min后，孔隙水压力由0．3kPa突增到0．8kPa，而边坡出现裂缝破坏，随着降雨和库水的作用，裂缝越来越大，这验证了孔隙水压力的增大会使土体有效应力减小，进而坡体产生破坏。在第二场降雨中，孔隙水压力从－0．3kPa突增到0．7kPa，此时坡体从裂缝处开始发生渐进向后的滑动破坏。试验过程中，孔隙水压力实测结果和试验现象都显示出土体表面逸出点有明显的坡内指向坡外的渗流，这是导致发生滑坡的重要原因。并且水位降落过程中，坡内水位降落速度滞后于坡前水位降落速度，这会引起坡体内水向外排除，这种渗流力和库水降落差造成的压力卸载对库水边坡的稳定性非常不利。

图6 坡外水位CH5孔隙水压力随时间变化过程

3 数值模拟

3．1 有限元模型的建立

基于物理模型试验的尺寸，建立了Seep／w渗流分析的有限元模型，数值模型尺寸和有限元划分的网格如图7所示。有限元单元采用结构化四边形单元，单元尺寸为0．02m×0．02m，共1 675个节点，1 576个单元组成。

图7 数值模型及网格划分示意图

在数值模拟中，参数选取的正确性直接决定了分析结果的合理与否，而这些参数主要是通过岩土体的物理力学实验、渗透实验、工程地质类比以及经验值等综合确定的。本数值模拟的渗流和稳定性计算过程中涉及到的滑坡岩土体的参数主要根据模型试验确定：天然重度取18．8kN／m3，黏聚力C＝11．2kPa，内摩擦角φ＝19．6°，渗透系数K＝6．7× 10－6cm／s，饱和含水量为68%。

在渗流分析中，非饱和材料参数主要有土水特征曲线和渗透系数函数。采用上述模型参数，由Fredlund＆Xing模型拟合得到非饱和土渗透系数与基质吸力的关系，如图8所示。根据土体的渗透系数与体积含水量有关特性，并假定土体的残余体积含水量为饱和含水量的10%，通过Van Genuchten模型对整个土体体积含水量方程进行积分［5］，得到土的体积含水量与基质吸力的关系，如图9所示。根据图8～9可知，土体的体积含水量越小，基质吸力越大，致使渗透系数越低，这是土体内部的空气气泡阻碍水体在土体内部流动的结果。

图8 渗透系数和基质吸力的关系

图9 含水量和基质吸力的关系

在Seep／w模块中，在一个节点上，只能给定水头或流量边界条件。Seep／w对流量边界的假定是：若边界流量小于土体渗透系数，采用流量边界条件；若边界流量大于土体渗透系数，坡面有径流产生，则采用水头边界条件。本次数值分析中，根据降雨入渗强度为110mm／h和表层单元网格长度，换算成边界流量为6．11×10－5cm／s，大于土体渗透系数，因此采用水头边界条件。在库水下降和降雨过程中，渗流表面和降雨表面的水头边界条件是动态变化的，采用水位变化函数来表示，函数设置与模型试验一致，另外底部基岩设为不透水边界。

3．2 数值模拟结果分析

图10给出了在库水下降速率为0．08cm／min，降雨强度110mm／h时的浸润线变化图。由图10可知，滑坡体浸润线的弯向由滑坡体内向滑坡体外弯曲，说明随着库水位的下降，岸坡地下水位也在逐渐下降，滑坡体内地下水位的下降存在滞后现象。且随着降雨时间的延续，滑坡土体内非饱和区域变小，饱和区域变大，土壤含水率变大，因而浸润线不断上升。随着降雨的进行，坡体浅层的基质吸力逐渐减小，并随着降雨的停止逐渐趋于稳定值。基质吸力的丧失会导致滑坡的非饱和抗剪强度的降低，进而影响边坡的稳定性，发生局部滑坡。在降雨进行的过程中和结束后的一段时间内，雨水都在缓慢地入渗到滑坡体内，浅层坡体基质吸力逐渐丧失，并局部饱和，以至于出现滑坡现象。

图10 浸润线变化图

通过对库水下降孔隙水压力等值线云图（图11）分析发现：在库水下降过程中叠加降雨的作用，边坡前缘出现较大的孔隙水压力，导致基质吸力降低，引起坡体前缘变形增大。同时在浅层形成暂态饱和区和局部积水，增加坡体自重，加之边坡上存在的张拉裂隙，降雨入渗至裂隙，使滑带土含水量增加甚至局部饱和，导致抗剪强度降低，发生滑坡破坏。

将上述模拟结果导入slope／w模块进行边坡稳定性计算，得到：随着水位降落与降雨的持续作用，边坡的安全系数不断降低，且在降雨初期变化速率较快，分析原因可能由于在库水下降前期，坡前水压力的卸载，致使坡内和坡外形成的孔压差对边坡的不利影响大于坡内摩擦力增加的有利影响，所以安全系数呈现骤降现象。

图11 孔隙水压力分布图

4 结语

本文通过物理模型试验和有限元模拟了水位降落与降雨联合作用下对临水边坡稳定性的影响，得到的结论如下：

1）坡体在库水和降雨的联合作用下，由于坡内的水位降落值滞后于库水位下降值，坡体出现45°的剪切裂缝和平行于坡肩的张拉裂缝。随着库水位的下降和降雨作用，裂缝的深度和宽度越来越大，同时坡体前缘产生局部破坏，使其上方土体产生滑坡临空面，进而发生进一步失稳破坏现象。

2）由于降雨渗透使土体含水量增大，导致土体的容重增加和孔隙水压力增大，基质吸力降低，抗剪强度降低。滑坡前缘主要表现为由于浮力减重和浸泡软化作用使抗滑力减小，滑坡中后部下滑力增大使边坡安全系数降低，边坡出现失稳现象。

［1］卿笃干．五强溪库岸滑坡稳定性特征与信息系统研究［D］．长沙：中南大学，2011．

［2］Borga M，Dalla Fontana G，Da Ros D，et al．Shallow landslide hazard assessment using aphysically based model and digital elevation data［J］．Environmental Geology，1998，2：81－88．

［3］罗先启，刘德富，吴剑，等．雨水及库水作用下滑坡稳定模型试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2476－2483．

［4］贾官伟，詹良通，陈云敏．水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2009，28（9）：1798－1803．

［5］Genuchten MTh Van．A closed－form equation for predicting for the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］．Soil Science Society of America Journal，1980，44：892－898．

The Research on Highway Landslide Influenced by Reservoir Water and Rainfall

SHEN Qiu－chi，etc．
（Department of Road Enieerning，Fujian Chuanzheng Communication College，Fuzhou350007，China）

Taking mountainous rainfall－induced landslide in Fujian province as the study subject，combining indoor artificial rainfall landslide experiment with finite element numerical simulation method，the mechanism of rainfall－induced landslide of highway bank slope has been studied in this article．The water slope failure mode and causes of stability have been discussed with the effect of reservoir water level fluctuation and the changes of rainfall intensity on highway bank slope．The research shows that the seepage field along the slope body has been changed，and the mechanical strength of soil has been reduced．The anti－slide force in front of slope will decrease with the sliding force increasing caused by buoyancy weight loss and soaking softening，and the sliding force in the rear of the slope will increase．This will lead to landslide．

reservoir water level；rainfall；landslide；model test；finite element method

TU46

A

1009－8984（2016）02－0010－04

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．003

2016－04－08

福建省自然科学基金项目（2014J01186）

沈秋池（1973－），男（汉），福建诏安，副教授主要研究滑坡灾害。