基于降雨—地震耦合作用土质边坡稳定性研究

2020-06-07朱和玲张新光

有色金属（矿山部分） 2020年3期

朱和玲，张新光

(中铝广西有色稀土开发有限公司，南宁 530012)

在以往文献中，单因素造成滑坡灾害研究较多[1-3]，而对多因素作用下的滑坡灾害研究较少[4]。在我国西部地震频发地区，在地震和强降雨共同作用下引发滑坡灾害的案例较多，例如：在汶川大地震发生后，北川县原有因地震引发的滑坡在强降雨的作用下再次产生滑坡，灾害影响范围增大[5]。可见降雨—地震的耦合作用对滑坡灾害起到了叠加放大效应[6]，且对耦合作用下的滑坡灾害演化过程认识尚且不足。因此，在降雨—地震耦合作用下的滑坡灾害演化机理与过程急需开展相关研究工作。

目前，有部分学者开展了降雨—地震耦合作用下滑坡灾害研究工作。王海伦[7]以降雨—地震耦合作用下的滑坡为研究对象，得到了耦合作用会降低滑坡抗剪强度，造成边坡失稳垮塌的结论。王玉斌[8]研究了降雨—地震耦合作用下的铰链式砌块生态边坡稳定性，得到了降雨—地震耦合作用下，铰链式砌块生态边坡稳定性优于土质边坡。肖桐[9]开展了降雨—地震作用下的罐滩滑坡破坏数值模拟研究，得到了降雨作用加剧了滑坡灾害产生的结论。朱文会[10]以数值模拟与室内试验为研究手段，开展了降雨—地震共同作用下坡体失稳及诱发泥石流产生的机理研究，揭示了降雨—地震共同作用下泥石流形成机理。

以广西壮族自治区岑溪市三堡镇蒙冲村广西稀土矿山二车间二采区内的土质边坡为研究背景。矿区属典型亚热带季风气候区，雨量充沛，年平均降水量1 450 mm，山体含水量长时间处在饱和状态，且该地区地震频发，易引发采场滑坡灾害。采用数值模拟软件Geo-studio、ANSYS和FLAC3D建立了考虑降雨入渗和地震力的三维计算模型，研究了基于降雨—地震耦合作用下土质边坡的稳定性。研究结果可为相似边坡稳定性研究提供参考。

1 数值模拟

1.1 计算模型

依据矿山地质图资料，经过一系列处理后获得了工程地质剖面图，导入ANSYS软件中生成边坡计算模型并划分网格，利用自编ANSYS-to-FLAC3D转换程序生成如图1所示的边坡计算模型，模型四周加底部采用约束边界，上部坡面采用自由边界。图中编号1～6分别对应粉质黏土、黏性土、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩6个不同的地层。

图1 边坡计算模型Fig.1 Slope calculation model

1.2 计算参数

在边坡位置进行工程勘察，对采取的岩、土试料依据国家、行业及地方相关规范规程进行室内分析试验，测试各岩土层的物理力学性质。岩土体力学参数见表1。

表1 岩土体力学参数

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016版)与《中国地震动参数区划分》(GB18306—2015)规定，矿区建筑抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速度值为0.05 g。

设计降雨历时10 d，降雨流量如表2所示。

表2 降雨流量Table 2 Rainfall discharge

2 结果分析

2.1 降雨入渗作用

采用数值模拟软件Geo-studio建立边坡剖面模型，借助Geo-weep获取降雨入渗条件下，边坡每日地下水位变化情况及安全系数。计算第一天的结果如图2所示，第一天到第七天安全系数变化规律如图3所示。

图2 第一天降雨计算结果Fig.2 The calculated results of rainfall in the first day

从图3可以看出，降雨入渗使边坡地下水位线迅速上升至坡面，岩土体发生软化或泥化，强度急剧降低，边坡安全系数随水位线的上升而下降，导致边坡稳定性进一步下降，由基本稳定状态迅速转变为不稳定状态，存在极大的安全风险。

图3 安全系数变化规律Fig.3 Change of safety factor

2.2 降雨—地震耦合作用

借助Geo-weep获取降雨入渗条件下，得到边坡每日地下水位变化情况，将水位线坐标化，导入FLAC3D生成水面，对边坡三维模型施加地震动力荷载，计算三维边坡稳定性，记录坡顶和坡脚的位移变化。

在降雨入渗的基础上，考虑地震荷载对边坡稳定性的影响，通过FLAC3D进行三维边坡稳定性计算。稳定性计算最大时长为50 s，分别在坡顶和坡脚设置监测点，对坡顶位移及其变化速率、坡脚位移及其变化速率、坡顶与坡脚的速度变化规律、坡顶应力及其变化速率、坡脚应力及其变化速率等参数进行研究，分别保存计算时间solve age为10、30和50 s时的计算结果，获取边坡入渗受震初期、中期和后期的稳定性变化规律。降雨第一天，在前期、中期与后期三个阶段的水平位移变化曲线如图4所示。