降雨条件下风化石英片岩边坡稳定性分析

李 超，刘 策，关天冶

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012)

我国是世界上最大的发展中国家，在近30年的迅猛发展中，也带动了工程基础建设的步伐，但我国2/3的国土为山地，特别是西部地区受青藏高原隆起的影响，地形变化大，地质构造复杂。因此在这一地区开展大规模水电工程、公路工程等建设活动，不免需要经常地开挖岩土体，形成大量的人工边坡，可见岩质边坡的稳定性问题事关工程建设和运行期间的安全和经济价值。山田刚二认为[1- 4]：滑坡是以岩性、地质构造、地形和风化状态等为内因，以降雨、融雪等气象条件和挖方填土引起的应力变化等为外因而综合生成的极复杂地质现象。这一定义指出风化作用及岩体岩性是引发滑坡的内因之一，而降雨是引发滑坡的主要外在因素。因此本文通过考虑岩土体的非饱和作用来分析降雨入渗条件下石英片岩渗透特征，并在涉及到岩体强度的各向异性前提下分析边坡稳定性的滞后作用。

1 饱和-非饱和渗流理论

土的导水能力在饱和-非饱和条件下，可以通过渗透系数函数来直观反映。饱和状态下，颗粒间所有孔隙被水充填；而在非饱和状态下，孔隙中包含部分空气，气体所占据的体积为渗流的非传导通道，导致渗流路径更加曲折，使整体渗透系数减小。因此可以断定，含水量是渗透系数的主要影响因素之一。加拿大专家Fredlund通过测量和估算的体积含水量函数和饱和渗透系数，来预测非饱和渗透系数函数[7- 10]。该方法控制方程如下：

(1)

式中，ks—测得的饱和渗透系数，m/s；kw—计算所得的非饱和渗透系数，m/s；θs—饱和体积含水量；e—自然对数的底2.71828；i—j到N之间的数值间距；y—代表负孔隙水压力计算方法的虚拟变量；j—最终函数描述的最小负孔隙水压力；N—最终函数描述的最大负孔隙水压力；ψ—对应第j步的负孔隙水压力；θ′—方程起始值。

2 裂隙岩体饱和-非饱和渗流理论

事实上，Narasimhan就曾假定了裂隙中流动沟槽均互相平行，并假设裂隙壁面接触点引起的水流弯曲远小于气泡水流弯曲，推导出单裂隙饱和度-毛管压力关系如下[5]：

(2)

(3)

(4)

式中，S—单裂隙饱和度；bmax—裂隙最大开度；b—裂隙开度；f(b)—裂隙开度分布函数。

周创兵[6]在研究裂隙岩体的非饱和渗流时假定裂隙开度服从Ganna分布，并最终推导出节理饱和度-毛管压力关系式如下：

(5)

(6)

f(x)=β2xe-βx

(7)

此时，ξ，s可分别表示如下：

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(8)

(9)

ξ=e-βbs(βbs+1)-e-βbmax(βbmax+1)

(10)

(11)

通过现场勘测资料，野外所测得的200余条结构面统计数据，研究区风化石英片岩的裂隙宽度如下：

全风化层：饱和渗透系数4.219m/s；裂隙宽度2～5mm。

强风化层：饱和渗透系数1.086m/s；裂隙宽度0.5～5mm。

因研究区中风化层及微风化层渗透系数很小，且预计降雨入渗达不到中风化层，因此在采用有限元分析计算时中风化层和微风化层采用饱水渗透系数，因此本文仅以全风化层和强风化层为计算对象。通过数据的计算拟合，所获取非饱和渗透系数函数和体积含水量函数如图1所示。

图1 渗透系数函数及体积含水量函数

3 岩块直剪试验分析

片理面的存在是石英片岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因，本文展开了平行于片理面、斜交片理面和垂直于片里面方向的岩块直剪试验，并为后续的各向异性岩质边坡的应力分析提供参数依据，通过室内的直剪试验，获取结果见表1。

试验的结果表明：岩体抗剪强度不仅与岩体所受法向应力有关，而且与岩体含水量有关；饱和状态下岩体的抗剪强度比天然状态时的抗剪强度平均减小20%；与天然状态相比，黏聚力c、内摩擦角够的变化也比较明显，c平均下降71.4%这充分说明在降雨条件下，尤其是大降雨发生时，岩体失稳的可能性会大大增加，这也正是地质灾害经常在降雨后发生的主要原因。

4 渗流场有限元分析及稳定性评价

本文采取研究区风化程度高，裂隙发育完全，较大坡高的坡段作为计算剖面，并在该基础上分析在特定降雨条件下该高切坡的渗流场在降雨过程中的渗流趋向特点及考虑强度各向异性的稳定性分析。

该所建立的剖面模型高程以坡角(高程620.2m)以下20m为模型底边界，并设置模型底高程为0m，岩层从上到下为残坡积土、全风化层、强风化层、中风化层、微风化层，如图2所示。

表1 点荷载试验成果表

表2 计算参数表

图2 计算剖面简化模型图

4.1 计算参数的选取

依据现场的渗水试验、点荷载试验、及岩体直剪试验等，确定了不同岩土层的渗透系数、强度各向异性情况，各种岩土层的基本物理性质参数见表2。

4.2 初始条件和边界条件的确定

在计算饱和-非饱和渗流的过程中，将切坡表面的边界条件设置为单位流量边界q=7.375mm/h，左右边界设置为不透水边界Q=0，本文采用当地区域历史平均降雨强度7.4mm/h，降雨持续时间为6h，计算时间至64h剖面边界条件如图3所示。

图3 剖面边界条件设置图

渗流场计算采用GEO-STUDIO的SEEP/W模块，该模拟计算软件基于有限元理论分析方法对岩土体渗流问题进行计算，可以得到饱和-非饱和的渗流数值计算结果，如图4所示。

5 考虑各向异性边坡稳定性分析

研究区边坡稳定性计算采用GEO-STUDIO中的SLOPE模块，并考虑平行于片理方向和垂直于片理方向物理强度的各向异性，从而求得相对客观的稳定性系数，如图5、6所示。

图4 剖面边界条件设置图

图5 不同历时边坡最危险滑动面

图6 降雨条件下稳定性系数曲线

主要内容和结论如下：

(1)通过计算可得出降雨引起的入渗导致岩土体含水量增加，孔隙水压力上升，基质吸力下降，加大了岩土体的容重，并导致了岩土体抗剪强度的降低。而在降雨过程中坡肩表层的残坡积土孔隙水压力变化最为显著，全风化次之，强风化层孔隙水压力变化较小。在降雨初期残坡积层最先形成暂态饱和区，在降雨6h停止后，暂态饱和区不断下移，并在残坡积土层形成了孔空隙水压力区，随着雨后坡内渗流的继续进行，高孔隙水压力区由降雨6h时的大范围连接区域变成数块分割断裂的小区域，并所属高孔隙水压力区不断下移到强风化层。

(2)在考虑到风化石英片岩物理强度的各向异性情况下，运用Geostudio有限元软件的SLOPE模块设置该高切坡各向异性物理参数，分析在降雨过程中其稳定性的动态变化，通过计算显示，由于在降雨停止后坡内渗流继续进行，因此在边坡的稳定性分析上反映出了稳定性系数的滞后性，在降雨6h停止后边坡稳定性系数持续降低，在大约14h时降为最低1.107，并在后期有所回升，到计算的62h时回升到1.172，由此也反映出了坡体渗流的排干作用。并且通过与刚体极限平衡方法综合分析边坡的稳定性可分析出该高切坡在天然状态下稳定性良好，在该特定降雨条件下历时降雨2h时边坡稳定性尚且满足安全要求，2h以后边坡稳定性在安全储备上稍显不足。