堆填分层与降雨入渗条件下渣土边坡稳定性研究

2019-11-15龙1敏1

人民长江 2019年10期

杨龙1，姚文敏1，曾江波，肖林超

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北武汉 430074； 2.深圳市勘察测绘院有限公司，广东深圳 518028)

渣土边坡是城市建设过程产出的废土废渣经受纳场填筑形成的人工边坡，合理地开展渣土边坡设计与稳定性评价，对于保证人民生命与财产安全具有十分重要的意义，这也是城市岩土工程关注的热点问题。

滑坡地质灾害诱发因素众多，其中降雨是诱发滑坡的重要因素之一，尤其在我国东南沿海地区，经常遭遇强降雨情况，极易引发边坡失稳问题。例如，2015年12月，深圳光明新区红坳渣土场边坡由于前期的降雨积水未有效排出致使土体软化引发灾难性滑坡，直接经济损失高达8.8亿元[1-2]。边坡经历降雨入渗作用，在坡体非饱和区域内形成了暂态饱和区以及暂态孔隙水压力，引起非饱和土基质吸力降低，进而削弱了土体的抗剪强度，导致边坡的失稳破坏。国内外学者对于非饱和土边坡在降雨入渗下的稳定性开展了大量研究，李兆平等[3-5]采用非饱和渗流理论与刚体极限平衡原理，认为非饱和土基质吸力的降低是诱发滑坡的重要原因。徐晗等[6-7]利用非饱和土流固耦合有限元计算模型，发现降雨会引起边坡表层产生较大的塑性破坏从而诱发浅部滑坡。在实际的边坡工程中，土质边坡出现分层的现象十分常见，其降雨入渗规律不同于均质边坡，而将具有明显分层的土质边坡假定为均质边坡将造成稳定性评价的不可靠。曹平[8]利用FLAC3D强度折减法结合大量算例分析，对多层土质边坡的破坏模式进行了研究，但未考虑降雨入渗对边坡稳定性的影响。对于多层非饱和土入渗研究，Huat[9]利用入渗试验发现不同覆盖层对降雨入渗效果有显著影响。韩同春[10]基于Moore水质量分数模型，初步揭示了降雨入渗引起双层土质边坡破坏的机制。石振明等[11-12]根据改进的Green-Ampt入渗模型，提出降雨入渗下多层非饱和土边坡稳定性的计算方法，但未考虑入渗导致的地下水位升降以及渗流的变化。以学者从试验、解析、数值分析等不同角度研究了降雨入渗对非饱和土质边坡稳定性影响，其中部分学者考虑到了坡体分层结构。对于渣土边坡，因受纳场处理来自不同地区的建筑渣土，边坡往往会出现土体性质上的分层；此外，不同的堆填顺序会导致分层结构上的差异，从而影响边坡在不同工况下的整体稳定性，这是实际渣土边坡工程设计施工需要考虑的问题。而目前关于渣土边坡的堆填顺序以及考虑降雨工况下稳定性响应规律的相关研究较少。

本文结合渣土堆填分层的特性，首先分析了不同性质渣土堆填顺序对边坡稳定性影响，然后以深圳某多层渣土边坡为背景，概化出多层边坡计算模型，研究了不同分层结构的渣土边坡在强降雨入渗作用下孔隙水压力以及稳定性的变化过程。研究成果旨在为渣土边坡堆填顺序设计与在降雨入渗作用下考虑堆填分层的稳定性评价提供指导。

1 理论背景

1.1 非饱和渗流方程

渣土边坡的水分主要接受大气降雨以及周围的地表径流补给，地下水埋深较大，大部分为非饱和土。在降雨入渗作用下，遵循Richards饱和-非饱和渗流控制方程，此方程是在饱和渗流的Darcy定律基础上推导而来，与Darcy定律不同的是，渗透系数并不为常数，而是随体积含量的变化而变化，其二维瞬态平衡微分方程[13]为

(1)

式中,h为总水头，kx，ky为水平与垂直方向的渗透系数，q为边界流量，ρw为水的密度，mw为储水系数。

1.2 非饱和土抗剪强度

根据土体的破坏特征，通常认为土体的破坏模式是受剪切作用而破坏，遵循Mohr-Coulomb破坏准则；而对于非饱和土，则采用扩展的Mohr-Coulomb破坏准则，其中Fredlund双应力抗剪强度理论应用最为广泛[14]，公式为

τf=(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb+c′

(2)

式中,τf为极限抗剪强度，σ为法向应力，ua为孔隙气压力，uw为孔隙水压力，ua-uw为基质吸力，φb为与基质吸力相关的摩擦角，c′、φ′为有效凝聚力与内摩擦角，后两项可用等效凝聚力表示，即为c″=(ua-uw)tanφb+c′。

2 强度参数对边坡稳定性的贡献

如图1所示的渣土边坡，潜在滑坡体剖面形态通常具有“中间厚两边薄”的特点，而滑动面处的法向应力大小主要取决于上覆土体厚度。根据扩展的Mohr-Coulomb破坏准则，土体的抗剪强度主要由摩擦力与凝聚力二者提供，摩擦力在较大的法向应力作用下才能发挥作用，而凝聚力的强度发挥并不受法向应力的影响。因此，可定义抗剪贡献率来表征内摩擦角与凝聚力在潜在滑面不同部位抗剪切贡献权重，凝聚力与摩擦角的抗剪贡献率可表示为

(3)

显然，ηc与ηθ之和为1，可根据搜索出的最危险滑面确定滑面不同位置处的法向应力，计算出抗剪贡献率，作出如图1所示的抗剪贡献率曲线。

图1 潜在滑面不同部位抗剪贡献率Fig.1 Shear strength contribution rate of different parts on potential sliding surface

由图1可知，滑体剪出口a区与剪入口c区滑面上覆的厚度小，相应的法向应力σ较低，凝聚力抗剪贡献率高；而中部b区法向应力σ较大，摩擦角抗剪贡献率高。因此，可将此性质应用在渣土堆填的顺序中，c区对应渣土①填筑凝聚力较大的渣土，如黏土，而b区对应渣土②填筑内摩擦角较大的渣土，如碎石土、砖渣等，此组合能够充分发挥渣土的抗剪强度。

3 堆填方式对双层渣土边坡稳定性的影响

3.1 模型与参数选取

不同类型渣土填筑后形成多层边坡，合理的填筑方式能够充分发挥渣土的抗剪强度，提高边坡稳定性。堆填方式主要考虑了堆填顺序与层厚比，结合渣土类型以及水平堆填施工特点[15]，概化出如图2所示的双层边坡模型，该边坡高度h为10 m，长度L为32 m，边坡模型左侧为临空面，底部为基岩，采用砂土与黏土两种类型的渣土进行填筑，保持坡高h一定，参数取值见表1[16]。

图2 双层渣土边坡模型(单位：m)Fig.2 Two-layered construction solid waste slope model

土体类型容重/(kN·m-3)内摩擦角/(°)凝聚力/kPa砂土213010黏土191030

3.2 稳定性计算与结果分析

当边坡底部填筑砂土，上部填筑黏土时，此顺序下的层厚比d黏∶d砂为正，反之为负。方案设计了层厚比为+∞，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1以及与之相反顺序下共计20种组合边坡，其中，比值为+∞与0分别代表均质黏土、砂土。利用Morgenstern-Price刚体极限平衡原理对边坡进行稳定性计算，得到稳定性系数与层厚比之间的关系，计算结果见图3。

计算结果表明，堆填方式对边坡的整体稳定性有显著的影响，稳定性系数最大相差25%，且黏-砂型边坡稳定性均要高于砂-黏型边坡。在黏-砂型边坡中，稳定性随着层厚比增大先增大后减小；而砂-黏型边坡中，稳定性随着层厚比增大先减小后增大。

图3 不同堆填顺序与层厚比下渣土边坡稳定性Fig.3 Slope stability of construction solid waste slope model with different landfilling sequences and thickness ratio

如图4所示，利用SLOPE/W模块搜索均质黏土、砂土以及两种渣土层厚1∶1等边形的最危险滑面，并作出相应的凝聚力抗剪贡献率曲线，见图5。

从图中看出，黏土的滑动面深度大于砂土，且均质黏土的凝聚力抗剪贡献率均在50%以上，表明此类型边坡的稳定性主要由凝聚力控制，均质砂土边坡则主要由内摩擦角控制。黏-砂型边坡对比均质砂土边坡，凝聚力抗剪贡献曲线在右侧发生陡升，说明凝聚力抗剪强度大幅提高，此组合利用了砂土深部抗剪切与黏性土浅部抗剪切的性质，此时边坡的稳定性会大于均质的砂土。反之，砂-黏型边坡相比均质黏性土，曲线右侧出现陡降，即使含有砂土，稳定性也要低于均质的黏性土。其他不同的层厚比，这种特性发挥效果不同，导致稳定性有差异。因此，在渣土边坡填筑工程中，应充分利用内摩擦角较大的硬质渣土在深部抗滑效果好以及凝聚力较大的软质渣土浅部抗滑效果好的性质，按照“上软下硬”顺序的原则进行堆填。

图4 不同渣土边坡的最危险滑动面Fig.4 Potential sliding surfaces of different CSW slopes

图5 凝聚力抗剪贡献率Fig.5 Shear strength contribution rate to cohesion

4 强降雨入渗作用下的多层渣土边坡稳定性

4.1 模型建立与参数的确定

大量研究表明，强降雨是触发滑坡地质灾害的重要原因。对于多层渣土边坡，各层渣土的力学性质与渗透性均有差异，而堆填顺序会导致分层不同，其在降雨入渗作用下稳定性的响应规律需进一步开展研究。笔者分析的多层渣土边坡模型源于深圳西北部某渣土场，属于亚热带海洋性季风气候，6月到9月出现台风型暴雨。原始地形为低丘夹冲沟，经渣土堆填，地形已发生较大改变。此渣土边坡坡高9 m，坡度约30°，概化出边坡模型如图6所示，具有分层结构，各层厚度均为3 m。根据钻孔资料揭示，底部为中风化的花岗岩，自下到上分为3层渣土：① 褐红色、紫红色黏土，较湿，略光滑；② 褐黄色含砂粉质黏土，含砂量8%～15%，干强度高；③ 褐灰色含黏性土粉砂，夹有少量碎石，未充分压实。

图6 多层渣土边坡示意(尺寸单位：m)Fig.6 Schematic diagram of multilayered CSW slope

依据室内试验资料，渣土的力学参数与渗透系数取值见表2。含黏粉砂、粉质黏土、黏土的土水特征曲线与渗透系数函数分别见图7与图8。为了分析渣土边坡不同分层组合在降雨入渗的孔隙水压力与稳定性变化规律，将3种渣土按不同顺序等厚度堆填，共6种方案，采用岩土软件GEOSTUDIO的SEEP/W与SLOPE/W模块分别进行孔隙水压力与稳定性的计算。

对于入渗的边界条件，由于地面以下为中风化的花岗岩，渗透系数相对土体较小，且重点是研究降雨对于土质边坡的影响，因此可不考虑基岩。其中AD、CD为不透水边界，AB、BC为降雨入渗的透水边界。对于初始条件，Rahimi认为较小雨强进行稳态分析可确定初始条件[17]，本文采用此方法首先进行稳态分析来确定边坡天然含水情况，并根据深圳最大日降雨量，然后模拟2 d 240 mm/d强降雨入渗与雨停后8 d内孔隙水压力消散瞬态过程。

4.2 强降雨下的多层边坡地下水位分布

为分析方便，将黏土、粉质黏土、含黏粉砂分别简称为黏、粉、砂。6种多层渣土边坡经历强降雨后地下水位分布情况见图9。

表2 不同渣土的参数取值Tab.2 Parameters of different CSW

图7 渣土土水特征曲线Fig.7 Soil-water characteristic curves of the CSW

图8 渣土渗透系数函数Fig.8 Permeability function of the CSW

图9 降雨入渗下不同多层边坡地下水位分布Fig.9 Groundwater level distribution of different multilayered slopes under infiltration

图9中实线和虚线分别代表降雨期间与降雨后的地下水位线。从总体趋势来看，随着降雨持续入渗，坡脚处首先积水，水位抬升最为明显，坡体内部水位变化明显要滞后于坡脚，这是因为靠近坡脚，一方面由地表降雨入渗补给，另一方面受上部的侧向补给。但这种双向补给作用，随着远离坡表，渗透路径变长而减弱，地下水位的变化就会产生空间上滞后效应。此外，不同分层组合下，地下水位变化情况也不同。如图9(b)、9(e)所示，当边坡底部为黏土时，在降雨期间地下水位抬升明显，雨后仅靠近坡表处的水位出现下降，而内部的水位仍持续上升，此种边坡入渗强而疏水差，为积水型的多层边坡。当底部为砂土时，见图9(a)、9(c)，降雨期间水位抬升不明显，在雨停后渗出量大于补给量，水位回落，此种边坡入渗弱而疏水能力强，为排水型的多层边坡。对比9(d)与9(f)，上部的黏土能有效减小降雨入渗量，使得降雨停止后水位能够较快下降。因此，可根据强降雨工况下坡体的排水能力，认为粉-黏-砂型、黏-粉-砂型、黏-砂-粉型为排水型边坡，而粉-砂-黏型、砂-粉-黏型、砂-黏-粉型为积水型的边坡。

4.3 强降雨下的多层边坡孔隙水压力变化

根据扩展的抗剪强度理论，孔隙水压力的上升是土体抗剪强度降低的重要原因。为了进一步分析降雨入渗作用下边坡内部孔隙水压力变化情况，如图6所示，在潜在滑体中部设置一系列纵向监测点，得到降雨前后孔隙水压力变化。

图10表明，在降雨入渗作用下，浅部的非饱和土基质吸力迅速降低，表层甚至接近饱和状态，出现暂态饱和区，并随着湿润峰向下迁移，逐步向深部扩展，降雨停止后，孔隙水压力逐渐消散，基质吸力逐渐恢复。在此过程中，不同分层结构的边坡，孔隙水压力变化过程有差异。当底部渣土透水性较差时，见图10(b)～(f)，在降雨1 d后，曲线整体右移，孔隙水压力会急剧增大，尤其10(b)与10(e)对应的边坡类型，上升幅度十分显著，这是因为底部黏土透水性较差，降雨期间补给量大于排泄量，积水不断增加，使得水位抬升引起曲线整体移动。当底部为砂土，见图10(a)与10(c)，降雨期间未出现明显的积水，雨后孔隙水压力消散较快。综上可知，将透水性强的渣土堆填在透水性差的渣土下部，一方面能减小降雨入渗补给，另一方面也能促进坡体水分的排出，提高边坡的稳定性。

4.4 强降雨入渗下多层边坡稳定性分析

基于以上分析，不同多层结构的渣土边坡在降雨前后渗流场的变化情况有差异，以此作为条件，进行稳定性分析。图11给出了降雨历时2 d与降雨停止后8 d的稳定性变化曲线。

从图11看出，不同多层结构的边坡稳定性存在较大差异，总体上，上软下硬型结构的边坡稳定性始终要高于上硬下软型边坡。其中砂-粉-黏型、黏-砂-粉型边坡稳定性系数分别为1.818、2.087，二者相差近15%。对于黏-砂-粉型边坡，其砂土位于潜在滑坡中部厚层处能够发挥摩擦力抗剪强度，而黏土位于滑坡端部浅层处能发挥其凝聚力抗剪强度，故边坡的稳定性较高。

图10 不同多层边坡降雨入渗下孔隙压力变化Fig.10 Pore water pressure of different multilayered slopes under rainfall infiltration

图11 强降雨前后边坡稳定性系数历时变化曲线Fig.11 Variation curves of slope stability factor during and after rainfall

边坡稳定性系数最小的时刻与下降幅度是工程中最关注的问题。从图11看出，在降雨入渗作用下，边坡稳定性逐渐下降，但因分层结构差异，最易失稳的时刻出现不同程度的滞后和下降幅度。对于排水型边坡，例如，黏-粉-砂型、黏-砂-粉型、粉-黏-砂型边坡，稳定性最低的时刻出现在雨后的半天内，滞后性不明显，下降幅度较小。而积水型边坡，如砂-粉-黏、粉-砂-黏型、砂-黏-粉型边坡最小稳定性系数则出现在降雨后3 d以后，滞后性较明显，降幅大，且降雨停止后，稳定性的恢复较慢。

综合以上分析，多层渣土边坡因各层的物理力学性质与渗透性等差异，在不同层序组合下，稳定性表现出不同的响应规律，上硬下软型边坡稳定性要低于上软下硬型。降雨工况下，多层边坡最易失稳时刻会出现不同程度的滞后性，当边坡底层渗透性大，上层渗透性小，能起到“上层隔水与底层排水”的效果，稳定性下降幅度较小，同时雨后能较快恢复，此种多层结构为最优多层组合类型。

5 讨论

结合前面结论，当渣土边坡为“上层隔水底层透水”的多层结构时，在强降雨条件下能保持较高的稳定性。因此，考虑在渣土填筑前，在底层预埋一定厚度的粗粒渣土，比如建筑砖渣、碎石土等渗透性好强度高的材料作为疏水层，理论上能够提高边坡排水能力，从而提高边坡整体稳定性。笔者选用粉-砂-黏积水型多层边坡进行分析，考虑底部预埋厚度为0.5 m的碎石土，研究其在降雨入渗下孔隙水压力分布与稳定性变化规律。

监测点的孔隙水压力分布情况见图12。对比图10(b)，可知底部设置疏水层后，降雨期间边坡底部未出现明显的积水，降雨停止后，孔隙水压力消散较快。稳定性的计算结果见图13，最小稳定性系数在降雨后由4.2 d缩短到0.5 d，且稳定性下降的幅度减小，并以较快速率恢复。结果说明，在渣土边坡填筑前，底部铺垫一定厚度透水性强的渣土，也能有效促进坡体水分的排出，提高边坡在强降雨工况的长期稳定性。