降雨条件下含软弱夹层软岩边坡稳定性变化

肖宇月，李安润

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）

随着西南地区工程建设的大规模进行，红层软岩边坡稳定性的问题研究日渐成为亟待解决的工程难题之一，尤其是含软弱夹层的红层软岩边坡稳定性问题更加棘手.由于软岩具有明显的崩解性和膨胀性以及显著的软化效应等特征，所以对降雨条件下含软弱夹层软岩[1]边坡的稳定性研究显得尤为重要.近年来诸多学者已对红层软岩边坡稳定性开展了相关研究，周翠英[2]等对砂岩、泥岩及炭质泥岩等不同类型的典型软岩进行了饱水状态下的力学特性试验，结果显示软岩力学强度随着饱水时间的延长不断降低，且在饱水6 个月时为力学强度趋于稳定的临界点；杨旭[3]等对红层软岩边坡在强降雨条件下的失稳模式进行了物理模型试验研究，认为红层软岩边坡的变形破坏受降雨模式的影响较大，且孔隙水压力对边坡破坏的响应更为敏感；蒋忠明[4]等通过FLAC3D软件对软岩边坡在极端长期降雨条件下边坡稳定性进行了研究，发现长期降雨会导致软岩边坡浅表层出现大面积暂态饱和区，且坡脚会持续维持高水位状态，降雨后期软化效应对边坡稳定性起到控制作用；付宏渊[5]等人还认为降雨停止后，边坡负孔隙水压力的消散延缓了红层软岩边坡的安全系数的持续降低过程.

现有研究集中于软岩的力学强度参数、软岩边坡的失稳破坏模[6-8]式以及降雨类型对软岩边坡稳定性的影响等方面，对于降雨条件下坡体结构对软岩边坡稳定性影响的研究还较少.本文以云南楚雄地区九道河倒虹吸边坡为研究对象，通过饱和-非饱和渗流理论，借助GEO-Studio 软件，开展降雨条件下含软弱夹层的软岩边坡稳定性的研究，通过孔隙水压力的变化来分析[9-10]边坡渗流场的变化，进而分析边坡稳定性系数的变化，从而找出降雨条件下含软弱夹层软岩边坡稳定性的变化规律特征，以期为相似软岩边坡稳定性的评价提供参考.

1 降雨条件下边坡稳定性分析方法

根据降雨条件下软岩边坡的实际情况，采用饱和-非饱和渗流计算理论，对设计降雨条件下的软岩边坡渗流场进行研究，得出降雨条件下边坡内部孔隙水压力的空间分布，通过GEO-Studio 软件Slope/w 模块对边坡稳定性进行计算.利用室内试验所得的物理力学参数及渗透系数，对降雨条件下边坡孔隙水压力的变化进行计算，并结合孔隙水压力的变化对降雨条件下边坡稳定性的变化规律进行分析.

由于降雨条件下软岩边坡渗流场、饱和区和非饱和区是动态流动的关联关系，所以将降雨条件下软岩边坡的渗流问题考虑为饱和-非饱和渗流问题，饱和-非饱和渗流数值分析中，岩土体的渗透系数根据土水特征曲线与基质吸力的相关曲线得出.根据达西定律，得出非恒定渗流计算公式为：

式中：h 为总水头，kx为x 方向渗透系数，ky为y 方向渗透系数，mw为比水容重，ρw为水密度，g 为重力加速度，t为时间.

非恒定流有限元方程为：

式中：{Q} 为节点流量；[K]为单元特征矩阵；[M]为单元质量矩阵.

非恒定渗流分析初始条件为：

2 含软弱夹层软岩边坡稳定性数值模拟

2.1 九道河倒虹吸边坡工程概况

九道河倒虹吸边坡位于滇中引水工程线路K114+056～K114+174 段，前缘高程为1 820 m，后缘高程1 910 m.地形坡度较陡，坡体以砂岩为主夹泥岩，岩层倾向坡外，全强风化层厚（8～40）m，岩层产状290°∠40°，由于风化强度较高，节理裂隙发育，岩体透水性好.

2.2 计算模型与边界条件

以九道河倒虹吸边坡为计算原型，建立数值模拟模型，长120 m、高80 m，模型划分网格单元2 486个.坡体材料选择遵循摩尔-库伦屈服准则的弹塑性本构模型，计算力学参数根据室内试验及工程经验综合取值（表1）.

表1 岩土体物理力学参数表

根据云南楚雄地区近10 a以来最大20 d降雨量为1 135.8 mm，单位降雨强度q=6.57×10-7m/s，降雨历时20 d，雨后10 d，总计算时长30 d，单位步长为1 d 这一条件，模型选取泥岩软弱夹层、坡顶以及夹层上方坡表等3 处进行监测，结合地形根据几何相似和渗流等效原理得到3 点坐标分别为（25，72）、（50，60）、（76，35），如图1所示.

图1 数值计算模型图

2.3 孔隙水压力变化情况分析

对降雨条件下含软弱夹层软岩边坡渗流场计算结果如下：降雨开始后，边坡坡体内部孔隙水压力大小及分布发生明显的变化，图2 为降雨第5 d 时孔隙水压力分布云图.从图中可以看出，降雨条件下边坡渗流场变化明显，主要发生于坡体表部及软弱夹层，降雨5 d后入渗深度约为（5～10）m，软弱夹层前缘孔隙水压力较大，且孔隙水压力等值线“内凹”.降雨导致边坡表层非饱和区基质吸力降低，负孔隙水压力逐渐减小并转变为正值.随着降雨的持续进行，渗流场变化范围逐渐增大.

图2 降雨第5 d孔隙水压力云图

降雨15 d后，边坡渗流场变化更加明显，降雨入渗影响深度范围增加至（10～15）m，软弱夹层前缘孔隙水压力进一步增大，且孔隙水压力等值线在软弱夹层前缘“内凹”现象更加明显（如图3）.降雨导致边坡表面非饱和区范围逐渐减小，饱和区域逐渐增加，负孔隙水压力在坡体的分布范围逐渐减小，且转变为饱和状态.降雨第20 d 结束后，边坡坡体内部孔隙水压力开始逐渐降低，基质吸力缓慢增加，饱和区范围逐渐缩小，直至完全消失，软弱夹层前缘存在孔隙水压力降低滞后现象.

图3 降雨第15 d孔隙水压力云图

由孔隙水压力监测点监测结果5 d 及15 d 的孔隙水压力云图可知：（1）随着降雨过程的持续进行，在降雨初始阶段孔隙水压力剧增，负孔隙水压力具有陡然降低的现象；（2）降雨初期，监测点1、2、3 处的负孔隙水压力值，分别从初始状态下的-127 kPa、-331 kPa、-340 kPa 降 低 为-109 kPa、-116 kPa、-114 kPa，如图4 所示；（3）随着降雨进程的进行，各监测点处孔隙水压力不断增加，负孔隙水压力逐渐降低，但变化幅度较缓；（4）降雨至第20 d 时监测点1、2 的负孔隙水压力分别达到最低值-57 kPa和-20 kPa，监测点3 的负孔隙水压力值却仍在降低，直至第23 d时达到最低负孔隙水压力值-1 kPa，而后随着降雨停止，孔隙水压力消散，负孔隙水压力逐渐增加；（5）在整个降雨过程中，监测点3 的负孔隙水压力降低幅度最大，且相对于监测点1 和2，负孔隙水压力变化有滞后效应，这与坡体含有软弱夹层的坡体结构有关.

图4 孔隙水压力监测结果图

2.4 边坡稳定性变化规律分析

通过对降雨条件下含软弱夹层软岩边坡稳定性计算（图5）可知：①降雨过程中边坡稳定性系数整体呈先降低后增加的趋势，降雨阶段随着降雨的进行，稳定性系数显著降低，从第1 d 至第20 d 稳定性系数从初始的1.482 降至最低的1.044；②降雨过程中稳定性系数降低变化较为均匀，在停止降雨后稳定性系数并没有立即停止降低，而是在第23 d 时到达最低值1.022；③降雨停止后，第24 d 时稳定性系数开始缓慢上升，并在第30 d 时达到最大值1.161；④软岩边坡经历降雨过程后边坡稳定性系数为1.161，较初始稳定性系数1.482有显著降低.

图5 稳定性系数变化图

以上现象说明：（1）降雨过程中，软岩边坡的非饱和区逐渐转变为饱和区，且饱和区内孔隙水压力增加，坡体自重也由于降雨的影响增加，加之雨水对软岩的软化作用，导致边坡稳定性系数逐渐降低；（2）降雨结束后由于饱和区雨水继续入渗，同时受重力作用汇集于坡体前缘，且软弱夹层由于饱水性良好，使得坡体内部的孔隙水压力并没有立即降低，而是汇集于软弱夹层前缘，对软弱夹层起到了软化作用，从而导致坡体抗剪强度降低，稳定性系数继续下降；（3）由于降雨停止部分雨水由坡表排出，且孔隙水压力逐渐消散，使得边坡自重减轻的同时软岩软化效应也降低，边坡稳定性系数逐渐上升，由于边坡受雨水浸泡作用软岩软化导致边坡稳定性系数不能恢复至初始状态；（4）每次降雨过程后会导致边坡稳定性系数呈现出不同程度的降低，累积多次降雨对软岩边坡稳定性的影响会导致软岩边坡达到某个临界值，并最终发生失稳破坏.

2.5 降雨对边坡稳定性影响机理分析

降雨条件下软岩边坡稳定性产生变化主要受两方面的影响：一方面由于降雨入渗对坡体产生物理力学作用，改变了岩土体内部的应力环境及细观结构，导致力学强度参数降低；另一方面由于雨水入渗与坡体组成物质发生化学作用，软化坡体，从而影响软岩边坡稳定性.

泥岩及泥质粉砂岩主要成分中包含有高岭石、伊利石和蒙脱石等.泥岩内的高岭石为薄片状晶体颗粒，存在“点-面”及“面-面”接触两种类型；降雨入渗后，雨水首先进入坡体内部，破坏颗粒间的胶结连接，使得颗粒在层间发生错动，在宏观上就表现出软化现象；同时，由于泥岩内部空间结构的改变，产生不均匀力，导致泥岩内部结构改变，对外表现出崩解特征；此外水进入岩体后还会溶解岩体中的可溶性成分，进一步改变岩体内部结构.

因此，降雨对软岩边坡稳定性的影响机理为：降雨入渗-坡体重度增加-岩体内部产生物理化学作用-岩体内部结构变化、物理力学强度参数改变-岩体软化-软岩边坡稳定性变化.

3 结论

本文通过数值模拟手段展开降雨条件对含软弱夹层的软岩边坡稳定性影响的分析，以九道河倒虹吸边坡为研究对象，提出了一种既考虑渗流场变化、又考虑软岩边坡软化效应的边坡稳定性计算方法，得出结论如下：

（1）降雨开始后孔隙水压力在初始阶段陡然剧增，而后逐渐缓慢增加，负孔隙水压力逐渐降低，边坡非饱和区逐渐转变为饱和区；降雨停止后坡体表部监测点1 和2 负孔隙水压力分别达到最低值-57 kPa 和-20 kPa，但软弱夹层前缘监测点3 负孔隙水压力并没有立即降低，具有一定的滞后性，直至23 d时达到最低负孔隙水压力值-1 kPa；而后孔隙水压力逐渐消散，负孔隙水压力逐渐增加.

（2）边坡稳定性系数随着降雨过程的进行逐渐降低而后增加，降雨停止后稳定性系数并没有立即停止降低，稳定性系数最小值为1.022；降雨过程结束后，稳定性系数1.161 较初始稳定性系数1.482 有明显的降低.

（3）降雨对软岩边坡稳定性影响机理为：降雨入渗-雨水进入坡体自重增加-雨水进入岩体内部改变颗粒空间分布-雨水将岩体中可溶性组分溶解带走-边坡物理力学强度降低、岩体软化-边坡稳定性降低.