不同降雨类型对边坡稳定性影响的研究

蔡欣育任旭华,2张继勋郁舒阳

(1.河海大学 水利水电学院,南京210098；2.河海大学 水安全与水科学协同创新中心,南京210098)

边坡失稳是一种常见的地质灾害,发生频率高,危害极大[1],其中降雨是影响边坡稳定性的重要因素之一.我国由于降雨引起的滑坡事故较高,占总滑坡数量的90%[2],许多学者对降雨引起的边坡渗流特性及稳定性变化进行了大量研究.唐栋等[3]以均质边坡为例研究土-水特征曲线参数a和n对边坡稳定的影响.林鸿州,于玉贞,李广信,等[4]通过模型试验研究得出低雨强长历时的降雨会使深层土体的孔隙水压力增加,从而造成滑动型破坏且滑坡体规模较大的结论.杨煜,何忠明,王保林,等[5-6]研究了大雨、暴雨、大暴雨3种降雨条件对含软弱夹层边坡孔隙水压力变化的影响程度大小顺序及在不同降雨工况下安全系数和塑性区的变化规律.周家文,徐卫亚,邓俊晔,等[7]通过计算表明在降雨入渗过程中,边坡安全系数不断减小,而在停雨后,边坡安全系数还会进一步降低.徐全,谭晓慧,沈梦芬[8]基于饱和-非饱和渗流理论及强度折减法对土质边坡进行分析,表明渗透性较好的土体,随着降雨强度的增加,安全系数变化幅度也越大.王宁伟,颜克顺,梁家豪[9]结合饱和-非饱和渗流理论研究不同降雨类型下边坡渗流场的变化规律,及边坡安全系数随降雨循环次数的变化.以上研究均将土体材料的力学参数设置为定值,未考虑土体材料的空间变异性.

随着对边坡研究地深入,人们渐渐意识到边坡所处地质条件复杂,土体参数具有不确定性和变异性,利用传统方法求出的边坡安全系数不能客观真实地反映出边坡真实的安全水平.边坡的可靠度分析是在传统定值分析基础上建立起来的,考虑边坡工程中实际存在的种种情况,利用概率的方法对边坡进行评价,其结果与传统方法相比更加准确可靠,得到了学者们的青睐,但降雨对边坡可靠度影响的研究较少,也未涉及在不同降雨强度条件下,不同类型降雨对于边坡失效概率的影响.因此,基于以上研究的不足,本文利用Geo-studio软件,研究云南省某边坡在不同降雨类型条件下的渗透稳定性规律,得到边坡内部不同监测点的孔压.安全系数及失稳概率的变化,研究成果可为边坡的防护及治理提供参考.

1 降雨入渗下边坡可靠度计算原理

1.1 非饱和计算原理

降雨入渗过程可以认为是一个从非饱和到饱和的过程,其渗流本构模型符合达西定律.非饱和土渗流微分方程表达式为:

1.2 非饱和土体抗剪强度

Fredlund[10]在Mohr-coulomb 强度准则基础上提出非饱和土体抗剪强度公式为:

式中:c′和φ′为有效粘聚力和内摩擦角；σn为法向应力；(ua-uw)为基质吸力.Vanapalli提出φb与体积含水率之间的关系为:

式中:θ 为体积含水率；θs为饱和体积含水量；θr为残余含水量.

1.3 计算步骤

降雨条件下边坡可靠度分析可以概括为以下步骤:首先在Seep/W中进行稳态分析确定初始状态下边坡的孔隙水压力空间分布状况；再使用Seep/W进行瞬态分析,获得在不同降雨类型及不同降雨强度条件下的孔隙水压力变化；然后用Seep/W 计算出不同时刻对应的边坡安全系数；最后在Slope/W模块利用软件自带的蒙特卡洛试验方法计算边坡失效概率.

2 工程实例

2.1 工程概况

为满足云南省用电负荷增长和“云电送粤”的需要,拟在云南省东北部、昭通市的白鸟村及小擢魁村东部修建机组工程.其中拟建公路位于厂址台地东部边缘边坡上,相对高差约50 m.初始地下水位条件为左侧上游水位标高25 m,右侧下游标高5 m.其公路场地土主要由呈褐黄、褐灰、绿灰色,局部绿黄色的粘土构成,整体呈硬塑状态,局部坚硬状态,厚度大约为20 m.上部粘土为含碎石的粉质粘土,厚度为30 m左右.在近期连续暴雨作用下坡体有较大变形,影响了电厂场地及进厂公路安全,需对边坡进行稳定性分析.边坡模型如图1所示.BC、EF为左右水头边界,分别为25 m 和5 m；AB、DE、CF为不透水边界；AD为降雨流量边界.网格共剖分为2 841个节点,2 713个单元.

图1计算模型及模型网格

2.2 计算参数

2.2.1 土体参数

根据地质勘查,土体共分为两层,依次为含碎石粉质粘土和粘土,各地层土体参数见表1,材料的土-水特征曲线如图2所示.土-水特征曲线是体积含水率与基质吸力的关系曲线,可通过实验得出,但实验操作复杂,因此一般通过经验公式得出.常用的模型有Van Genuchten模型和Fredlun&Xing模型.本文采用的是Fredlun&Xing模型,其基本原理是根据Fredlun&Xing提出的的体积含水量的闭合解法,geo-slope中seep/w模块设定了相应的控制方程[11],已知土体的饱和体积含水量θs,便可估算出渗透系数函数为:

式中:kw为含水量或者负的孔隙水压力计算所得的渗透系数；ks为边坡土的饱和渗透系数；N为最终函数所描述的最大负孔隙水压力；ψ对应于第j 步的负孔隙水压力；y代表负孔隙水压力算法的虚拟变量；i为j 到N之间的数值间距:j 为最终函数所描述的最小负孔隙水压力；θ0为方程的起始值.

表1各土层参数

图2土水特征曲线

2.2.2 降雨参数

本工程缺乏降雨资料,故参考文献[12]的降雨情况,降雨类型选择为平均型、前锋型、中锋型和后锋型4种类型,总降雨量为0.15 m,降雨天数为5 d,同时考虑停雨5 d的情况,总历时10 d,降雨过程如图3所示.

图3降雨类型

3 计算结果分析

3.1 初始状态下

初始状态下孔隙水压力分布状态如图4所示.可见孔隙水压力等势线平行于地下水位线,水位线以下为饱和土,其孔隙水压力大于零,水位线以上为非饱和土,孔隙水压力小于零.此时边坡安全系数为1.058,大于允许最小安全系数,认定边坡是稳定的.

图4初始状态孔隙水压力

3.2 不同类型降雨下孔压变化

随着降雨时间的增加,雨水不断入渗,坡体内孔隙水压力发生明显变化,分别在坡体的上、中、下部布置监测点来探究不同类型降雨下坡体内部不同监测点孔压变化,结果如图5所示.

图5不同降雨类型下孔压变化

由图5可知,在4种不同类型降雨条件下,坡体内各个监测点的孔隙水压力均随着降雨历时的增加而增加.在同一降雨强度下,前锋型降雨情况下的3个监测点的孔隙水压力的变化幅度要远大于其他3种类型降雨,4种类型降雨的孔隙水压力变化幅度从大到小排序为:前锋型＞平均型＞中锋型＞后锋型.对于不同监测点来说,上部监测点的孔隙水压力的增长幅度是最小的,在第5 d停雨后,孔隙水压力依然随着时间的增加而增大.中部监测点的孔隙水压力增长幅度次之,停雨后孔隙水压力增长速率逐渐减小并趋于稳定.下部监测点的孔隙水压力增长幅度最大,在降雨初期孔压随着降雨时间的增加而增加,停雨后随着入渗雨水的不断消散而逐渐减小.

3.3 不同降雨类型条件下压力水头云图

根据以往研究,降雨过程可分为4个区域,即饱和区、过渡区、传导区和湿润区.由最危险孔压图可知在不同降雨类型条件下,前锋型和平均型的浸润线下凸程度大于其他两种降雨类型；随着降雨的入渗,边坡深层土体的孔隙水压力要明显大于上部土体.

图6最危险孔压图

3.4 不同雨强条件下孔压变化规律

对边坡分别施加不同强度的降雨(总降雨量分别为0.05 m、0.1 m、0.15 m、0.2 m),观察其孔压变化规律.由于篇幅限制,本文仅给出前锋型降雨情况下的孔压变化图,如图7所示.

由图7可以看出,不同降雨强度下的孔隙水压力均随着降雨历时的增加而增加,其中高强度降雨情况下的孔隙水压力的增长幅度要明显大于低强度降雨.而随着降雨强度的增加,3个监测点的孔隙水压力变化速率逐渐增大,在降雨强度较低的情况下,下部监测点法孔压变化幅度均大于上部和中部监测点,而当降雨强度增大到0.08 m/d,即总降雨量为0.2 m时,下部监测点法孔压变化幅度小于中部监测点,这是由于降雨在坡面入渗的过程中,由于降雨强度超过土体入渗能力,从而坡表径流,部分雨水从坡面排走,故下部监测点的孔隙水压力变化幅度较小.

图7不同雨强条件下孔压变化

3.5降雨作用下边坡可靠度分析

利用蒙特卡罗法分析不同降雨类型对边坡可靠度的影响.利用Geo-studio中的Seep/W和Slope/W模块进行计算,以含碎石粉质黏土的粘聚力和内摩擦角作为随机变量,各参数服从正态分布,参数取值见表2,正态概率密度分布函数如图8所示,试验次数设置为2 000.

表2土层取值参数

图8参数概率密度分布函数

3.5.1 不同降雨类型条件下边坡稳定性分析

边坡在不同降雨类型条件下计算结果见表3.

表3分析结果图

安全系数变化如图9所示.

图9安全系数变化图

由图9可以看出在同一降雨强度下,安全系数随着降雨的时间的增加而不断下降,降雨初期的安全系数变化较降雨后期剧烈,在第5 d停雨后随着雨水的不断蒸发,安全系数逐渐趋于稳定.对于4种不同类型降雨来说,孔隙水压力变化幅度越大,边坡安全系数下降的幅度也越大,前锋型降雨条件下的安全系数变化幅度最大为6.46%.在第10 d,4种类型降雨的安全系数从小到大排序为:前锋型＜平均型＜中锋型＜后锋型,最小安全系数为1.001 6.

概率分布函数如图10所示.

图10概率分布函数

3.5.2 不同雨量条件下边坡稳定性分析

边坡在不同雨强条件下(总降雨量分别为0.05 m、0.1 m、0.15 m、0.2 m)的失效概率及变化规律如图11所示.稳定性等级评价指标见表4.

图11失效概率

表4稳定性等级评价指标

由图11可见在同一类型降雨条件下,随着降雨强度的不断增加而增加,边坡的失效概率不断增大,以前锋型降雨情况为例,失效概率由2.85%增长到56.35%,增长了53.5%.前锋型和平均型降雨条件下的边坡失效概率要大于中锋型降雨和后锋型降雨.边坡在低雨强情况下的最大失效概率为2.85%,在较高雨强情况下的最大失效概率为边坡最大失效概率56.35%.根据边坡稳定性评价指标[13]可知,边坡在低雨强情况下失效概率远小于5%,边坡处于稳定状态,在中等雨强条件下的失效概率小于30%,边坡处于低危险状态,在较高雨强条件下失效概率在30%以上,处于中等危险状态,需对边坡进行相关加固措施.

4 结论

1)在同一降雨强度下,孔隙水压力随着降雨历时的增加而增大,在前锋型降雨模式下的孔压增大速率要大于其他3种类型降雨,下部监测点的增长速率要大于上部和中部监测点的增长速率.随着雨强的增加,孔隙水压力的增长速率明显增大,高强度降雨的增长速率远大于低强度降雨的增长速率.

2)安全系数随着降雨时间的增加而减小,且降雨初期的增长速率大于降雨后期,在第5 d停雨后安全系数逐渐趋于稳定,并在第10 d达到了最小值.在4种类型降雨模式下,前锋型降雨的变化幅度最大,最小安全系数为1.001 6.

3)对于降雨强度相同的情况,4种类型降雨的失效概率从小到大排序为:后锋型＜中锋型＜平均型＜前锋型,此时边坡最大失效概率为45.8%,边坡处于中等危险状态.而在不同强度降雨条件下,边坡失效概率随着雨强的增加而增加,前锋型降雨模式下的失效概率最大,需在边坡防治过程中进行重点关注.