降雨型滑坡增载弱化复合动力效应及稳定性评价方法研究

刘洪华，张兰阁，贺可强，郭璐，徐红兵，王忠胜

(1.青岛地质工程勘察院(青岛地质勘查开发局)， 山东 青岛 266071；2.河南省第二建设集团有限公司， 河南 新乡 453002；3.青岛理工大学 地质环境与效应研究中心， 山东 青岛 266033；4.青岛地矿岩土工程有限公司， 山东 青岛 266100)

0 引言

滑坡是一种危害性巨大的自然地质灾害，根据大量的统计数据显示[1-2]，极端降雨引发的滑坡占总滑坡的比重高达50 %。近年来，国内外很多学者加强了极端降雨对边坡整体稳定性影响的研究。蒋中明等[3-6]通过数值模拟从不同降雨强度、降雨历时和前期降雨等方面探讨了边坡渗流特征；CHEN等[7]通过深入研究发现，岩土体在外界雨水作用下强度降低，力学参数发生变化，导致岩土体的容重和下滑动力增加。蔡亚飞等[8]运用有限元数值模拟软件ABAQUS对降雨入渗作用下的边坡稳定性进行模拟分析，并得出边坡安全系数与抗剪强度参数呈正比关系，与水头高度、降雨持时和降雨强度呈反比关系。王东等[9]运用Geo-Studio模拟软件对不同抗剪强度参数下土坝的稳定性进行模拟分析，研究结果表明内摩擦角φ和粘聚力c对坝坡的稳定性影响非常明显。倪恒等[10-13]采用正交试验的方法，对影响边坡整体稳定性的因素进行分析，得出抗剪强度参数对边坡的整体稳定性影响比较显著。喻和平等[14]利用参数区间组合法研究抗剪强度参数、变形参数、容重对边坡整体稳定性的影响大小，得出粘聚力对边坡稳定性的影响最大，泊松比对边坡稳定性的影响最小。然而以上的研究成果往往缺少极端降雨过程中岩土体粘聚力、内摩擦角、弹性模量等参数的弱化对边坡整体稳定性的影响。

因此本文主要对以上不足进行相关探讨，研究降雨入渗条件下坡体含水率增加引起的增载弱化复合动力的变化规律，并根据以上的研究结果对边坡整体稳定性及位移的演变规律进行分析与评价。

1 降雨入渗条件下坡体物理参数的弱化规律分析

李维树等[15]对三峡库水区粉质粘性土随含水率的增加粘聚力c和内摩擦角φ值的弱化规律进行了研究，并建立了粉质黏土c、φ值关于含水率w的经验公式，粉质黏土c、φ与含水率之间的变化曲线如图1所示：

图1 粉质黏土c、 φ与含水率之间的变化曲线Fig.1 Correlation curve between c, φ and water content of silty clay

刘江平等[16]通过室内试验对不同含水率条件下岩土体的弹性模量E的变化情况进行测定，得到的粉质黏土弹性模量E与含水率的变化曲线如图2所示：

图2 粉质黏土弹性模量E与含水率的变化曲线Fig.2 Variation curve between elastic modulus E and water content of silty clay

结合图1、图2可以看出，粘聚力、内摩擦角、弹性模量与含水率成反比例关系，且随含水率变化的弱化率见表1。

表1 c、φ、E的弱化率Tab.1 Weakening rate of c, φ, E

通过对上述图表的对比分析可知，各物理力学参数随含水率的增加，其变化幅度由快变缓，并根据c、φ、E的弱化率将物理力学参数划分3个阶段进行统计分析。且上述研究的岩土体与三峡树坪边坡上层滑带土的成分相似，因此可以将此数据应用于本文第3节“增载弱化动力效应对边坡位移与稳定性的影响规律研究”。

2 实例分析

2.1 树坪边坡概况

树坪边坡属于古崩滑坡堆积体，处于长江干流长江右岸岸坡，总体南北向展布，距离三峡大坝约47 km，后缘高约370 m,长约800 m，宽约700 m，边坡底部高68 m，边坡角度25°，面积约55×104m2，总体积约2 750×104m3。其工程地质剖面图见图3。

图3 树坪边坡地质剖面图Fig.3 Geological profile of shuping landslide

2.2 边坡模型的建立

树坪边坡的总长度约1 000 m，后缘总高度约415 m。上层为浅层堆积物,滑带主要由粉质黏土及碎块石土组成，其平均厚度为58 m，下层是弱透水基岩层，库水位为135 m。采用SEEP/W有限元渗流分析软件建立边坡概化模型(见图4)，渗流计算模型剖分为3803，节点为3681。本文采用SEEP/W有限元渗流分析软件中的稳态分析得到天然边坡体积含水率的分布规律如图5所示。

图4 边坡概化模型Fig.4 Slope generalization model

图5 天然边坡体积含水率Fig.5 Volumetric water content of natural slope

为研究降雨入渗导致的增重—弱化效应对滑坡坡体不同位置位移变形特征及稳定性的变化规律，本文选取三峡库区最大日降水量0.137 m/d作为模拟工况条件，持续降雨7 d，饱和渗透系数k=1.25 m/d，岩土体起始物理力学相关参数[17]的取值见表2，γ为土的天然重度，γsat为土的饱和重度，μ为泊松比。

表2 岩土体起始物理力学相关参数Tab.2 Initial physical and mechanical parameters of rock and soil

2.3 计算结果分析

根据以上的研究结果，采用SEEP/W渗流分析模块建模分析，得出每个降雨时步下边坡体内含水率的渐变过程。

从图6～图9可以看出：在强降雨1 d过后边坡表层含水率开始提升，降雨达到3 d后边坡表层含水率局部达到暂态饱和，且边坡表层水分逐渐入渗至边坡内部，坡脚处的含水率局部达到饱和。降雨持续5 d坡顶局部达到饱和，边坡坡脚处浸润线持续上升，并形成表面径流。降雨自5 d持续至第7 d以后，边坡坡脚处浸润线大幅度上升，边坡坡顶局部饱和面积扩大并形成浸润线。从图8和图9可以看出，降雨持续到第5～7 d时，边坡内部含水率为21 %～30 %和31 %至饱和的两大变化区域基本达到稳定。分析结果显示，降雨过程中边坡表层含水率最先达到饱和；滑坡后缘坡顶部位、滑坡前缘坡脚部位受降雨条件的影响较大。随着降雨的进行，坡体内部饱和区的面积逐步增大，且降雨到一定时间时边坡内部含水率不会持续增加。

图6 第1 d的坡体含水率Fig.6 Slope water content of the first day

图7 第3 d的坡体含水率Fig.7 Slope water content of the third day

图8 第5 d的坡体含水率Fig.8 Slope water content of the fifth day

图9 第7 d的坡体含水率Fig.9 Slope water content of the seventh day

3 增载弱化动力效应对边坡位移与稳定性的影响规律研究

边坡的位移量及其稳定性的变化是由降雨入渗条件下坡体含水率增加引起的增载弱化复合动力加载过程决定的，因此，本文研究降雨入渗条件下坡体内部含水率增加引起的增载弱化复合动力效应及其对边坡位移与稳定性的影响和作用规律。

3.1 计算参数的赋值准则

根据本文2.3小节“计算结果分析”得到的降雨入渗条件下边坡内部含水率随时间和空间的分布与变化规律和“1 降雨入渗条件下坡体物理参数的弱化规律分析”总结的不同含水率条件下参数弱化特征，分时步对滑带进行不同含水率条件下动态区域的划分,即边坡内部含水率为11 %～20 %划分一个区域，21 %～30 %划分一个区域，31 %至饱和划分一个区域。分时步将SEEP/W模拟的含水率结果分别导入新建的SLOPE/W和SIGMA/W模型中并对位移、稳定性进行模拟分析，且SLOPE/W和SIGMA/W模块中物理参数分区域赋值结果见表3。

表3 分区域弱化后岩土体物理力学参数取值Tab.3 Values of physical and mechanical parameters of rock and soil after weakening by region

3.2 滑坡稳定性和位移分析

边坡内部含水率随着降雨持续不断增加，使得边坡容重增大，下滑动力也随之增大；同时岩土体物理力学参数弱化导致抗滑力减小。其综合因素影响边坡稳定性系数和位移，边坡稳定性系数和位移随降雨时间的变化关系见图10、图11。

图10 边坡整体稳定性系数与降雨时间的变化关系Fig.10 Relationship between the overall stability coefficient of slope and rainfall time

图11 边坡位移与降雨时间的变化关系Fig.11 Relationship between slope displacement and rainfall time

从图10、图11可知：降雨增载效应贯穿整个降雨的过程，前4 d弱化效应对边坡稳定性和位移的影响不大，4 d以后弱化后边坡的稳定性和位移急剧变化。未弱化条件下边坡最大稳定性系数为1.75，最小稳定性系数为1.70，因此降雨增载效应导致该边坡稳定性系数弱化的百分比为3 %。弱化条件下边坡的最大稳定性系数为1.74，最小稳定性系数为1.53，增载弱化复合动力效应导致该边坡稳定性系数弱化的百分比为13 %。未弱化条件下边坡最小位移为0.022 m，最大位移为0.027 m，因此降雨增载效应导致该边坡位移增加的百分比为23 %；弱化条件下边坡最小位移为0.028 m，最大位移为0.065 m，增载弱化复合动力效应导致该边坡位移增加的百分比为132 %。从以上分析可知弱化效应对边坡稳定性和位移的影响主要发生在降雨的中后期；降雨后期由于边坡内部含水率为21 %～30 %和31 %至饱和的两大变化区域基本达到稳定，因此增载弱化复合动力效应引起的边坡位移、稳定性变化量逐渐小，但边坡位移的增加率和稳定性弱化率在降雨的后期达到最大。

4 结论

① 抗剪强度参数和弹性模量的弱化率与含水率成正比例关系,含水率在11 %～20 %，c、φ、E的平均弱化率分别为25 %、44 %、61 %；含水率在21 %～30 %，c、φ、E的平均弱化率分别为44 %、45 %、72 %；含水率在31 %至饱和，c、φ、E的平均弱化率分别为61 %、55 %、86 %。

② 在降雨过程中，坡体表层含水率受降雨的影响最为敏感，前期降雨对边坡内部含水率影响不大，降雨中期边坡内部含水率局部达到饱和，随着极端降雨的持续，饱和区域的面积逐渐扩大，地下水位开始上升，并形成表面径流；降雨后期，坡体内部的含水率不随着极端降雨的持续而线性增加。

③ 降雨前期，极端降雨增载效应对边坡位移和稳定性影响较大，降雨中期，随着极端降雨的持续,坡体内部含水率快速增加，增载弱化效应对边坡整体稳定性和位移的影响愈来愈大，降雨后期,随着降雨的进行,坡体内部的含水率基本达到稳定，坡体稳定性系数的弱化量和位移的增加量逐渐减小,而位移的增加率和稳定性系数的弱化率达到最大。