降雨对滑坡的稳定性影响及排水措施建议

童 欣 方 燃 李 虹

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

0 引言

滑坡作为一种常见、多发的地质灾害，在水利、交通、土木、矿山等工程建设中较为普遍。国内外专家一致认为，降雨是导致山体滑坡的主要诱因，尤其是长时间强降雨极易导致滑坡灾害[1]。在我国西南地区，山区较多、地形复杂、雨季较长、雨量较大，含软弱夹层的滑坡在降雨入渗作用下，极易造成软弱夹层软化，抗剪强度迅速降低，诱发滑坡灾害[2]。对西南地区某含软弱夹层滑坡开展研究，采用ABAQUS有限元软件，研究降雨入渗对滑坡稳定性的影响，并对其排水措施提出建议。

1 工程概况

该滑坡位于成都市双流区，场内人字型骨架护坡桩号为：西侧DK0+120—DK0+440，东侧检修库外DK0+340—DK0+440为填方段，西侧一级边坡坡比为1∶1.75，二级边坡1∶1.5，东侧边坡为1∶1.5。当边坡高度H<3 m时采用灌草护坡，H≥3 m时采用人字形截水骨架护坡，骨架梁内栽种紫穗槐、夹竹桃，路堑边坡采用喷播植草间植灌木。场地区域发育龙泉驿断层，该断层为区域性逆断层，位于龙泉山大背斜西翼，地表因第四系掩盖而断续出露。断层走向近南北，倾向东，倾角66°，断层破碎影响带宽度约150～200 m。由于该断层压扭性作用极强，导致灌口组地层岩体呈压碎结构，破碎带物质为全—强风化泥岩、砂岩，局部泥岩风化严重，对工程有一定影响。滑坡所在地成都市属中亚热带湿润气候区，四季分明，气候温和，雨量充沛。多年平均降雨量947.0 mm，年降雨日104天，最大日降雨量195.2 mm，降雨主要集中在5—9月，占全年的84.1%。

2 降雨对滑坡稳定性影响的数值分析

2.1 计算软件及模型

由于降雨入渗是一种典型的非饱和流固耦合现象，可采用渗流与应力耦合的计算方法，通过ABAQUS软件对降雨条件下的滑坡渗流问题进行有限元分析[3-5]。根据现场实际情况，选择如图1所示的滑坡数值计算三维模型，模型从上至下依次为土1(滑体)、软弱夹层(滑带)、土2(滑床)，其中锚杆、框架梁等参数均根据实际情况确定。

图1 滑坡数值三维模型剖面图(单位：m)

2.2 参数选择

模型中的所有土体均遵循摩尔-库仑屈服准则，设置框架梁、锚杆单元为弹性材料，框架梁与滑坡接触采用库仑摩擦模型，锚杆与滑坡、框架梁之间采用嵌入接触。数值模拟计算中所用土体的基本参数见表1，锚杆、框架梁基本参数见表2。

表1 土体基本物理力学参数表

表2 锚杆、框架梁基本参数表

2.3 降雨条件及施工工序

在整个降雨入渗的瞬态渗流分析中，滑坡上表面都受到降雨作用，并排除降雨所造成的地表积水现象。假定降雨强度为0.02 m/h(特大暴雨)，则坡面降雨入渗强度为0.02×cos45°=0.014 m/h，降雨持续时长为72 h。在对降雨条件下边坡的渗流场进行分析时，首先进行静水位作用的分析，然后将稳态流的计算结果作为瞬态流计算的初始条件[6-8]，基于以上所设置的参数进行瞬态流的计算分析，其计算流程如图2所示。

图2 降雨入渗作用数值计算流程图

2.4 计算说明

计算模型选择C3D8P单元，采用中等的网格密度对土体单元、框架梁单元、锚杆单元等进行网格划分。结合实际支护方案，分别建立原始滑坡模型和有支护结构的滑坡的模型，并与有支护和降雨入渗作用滑坡模型进行对比，利用有限元强度折减法进行有限元数值计算[9-12]，得出三种模型的塑性区、水平位移云图和边坡稳定安全系数计算结果。

3 滑坡稳定性计算结果分析

3.1 塑性区和水平位移

无支护结构滑坡强度折减后的塑性区和水平位移见图3、图4。从图中可以看出，对于无支护结构的滑坡，强度折减后在滑带上形成明显的塑性区，即滑坡最终沿软弱夹层(滑带)失稳。从水平位移云图可以看出，主要是滑体和滑带有水平位移，滑床水平位移基本为零，因此该滑坡属于牵引式滑坡。

图3 无支护的滑坡强度折减后的塑性区图

图4 无支护的滑坡强度折减后的水平位移云图

有支护结构的滑坡和考虑降雨入渗时的滑坡在强度折减后的塑性区、水平位移以及支护结构水平位移见图5—图10。可以看出，对于有支护结构的滑坡，降雨入渗后强度折减形成的塑性区和水平位移相比不考虑降雨时更大、更明显，且考虑降雨入渗后的强度折减达到破坏状态时相比不考虑降雨时的支护结构的水平变形也更为明显。

图5 有支护有降雨滑坡强度折减后的塑性区图

图6 有支护无降雨滑坡强度折减后的塑性区图

图7 有支护有降雨滑坡强度折减后的水平位移云图

图8 有支护无降雨滑坡强度折减后的水平位移云图

图9 有支护有降雨滑坡支护结构水平位移云图

图10 有支护无降雨滑坡支护结构水平位移云图

3.2 滑坡稳定性系数

进一步作出上述3种情况下稳定系数随水平位移的变化曲线。从图11可以看出，无支护结构的原始滑坡稳定系数约为1.5，采用框架梁+锚杆支护后其稳定系数约为2.7，经过降雨入渗后其稳定系数约为2.0。由此可见，采用支护结构后滑坡的稳定系数提高了约1.2，经过降雨分析后，其稳定系数降低了0.7，稳定系数随水平位移的变化曲线呈陡变型。不考虑降雨入渗的有支护结构滑坡，其安全系数随水平位移的变化曲线基本呈缓变型，由此可知，降雨入渗的瞬态渗流会在一定程度上降低岩土体的抗剪强度，使滑坡灾害发生得更加突然，加剧滑坡的不良影响。

图11 不同情况下安全系数随水平位移的变化曲线

3.3 降雨入渗对滑坡稳定性的影响

由上述分析可知，当降雨强度为0.02 m/h，即坡面降雨入渗强度为0.014 m/h时，其稳定系数由2.7降为2.0，降低了26%。为进一步探究降雨入渗对滑坡稳定性的影响，使其坡面雨水入渗强度分别减小25%、50%、75%、95%，其它条件仍保持不变，数值模拟计算结果见表3，并作出雨水入渗强度降低量对滑坡安全系数的影响曲线如图12所示。

表3 滑坡安全系数的数值计算结果表

图12 雨水入渗强度降低量对滑坡安全系数的影响

从表3和图12可以看出，随着雨水入渗强度的减少，其滑坡稳定系数相应增加，可以用线性关系较好地表征，相关系数R2=0.9893。相比无降雨情况下，其稳定系数降低程度也随雨水入渗强度降低量的减小而减小。

经过上述分析可知，该滑坡安全性系数受降雨影响较大，在做好支护措施的同时应对滑坡采取设计合理的排水措施。

4 排水措施建议

针对水是诱发此滑坡灾害的重要因素，现场排水措施以排水沟、截水沟、泄水孔为主，实行泥、砂岩地层边坡表层水、坡体深层孔隙水综合防治的方法，快速排出地表水和孔隙水，从而降低降雨入渗量，减小雨水对边坡抗剪强度的弱化等不良影响，从而提高支护结构的可靠性能[13-15]。

4.1 排水沟设计

在该滑坡后侧布置一条截水沟，将其上方坡体地表水引入两侧冲沟；在下方布设两条排水沟，与周边市政排水系统相连；在强变形区布设一条排水沟，将坡体地表水导入市政道路排水沟。周边截水宜在边坡开挖及支护前施工完成，保证截水沟出口将水引排至相应排水沟或沟渠内，同时注意减少污水对河流的污染，做好污水处理。截水沟和排水沟应尽可能平顺，要求沟底满足坡度要求，断面不小于设计断面，以便排水通畅，必要时可采用沟底加厚垫层或局部浅层开挖方式来确保截水沟和排水沟沟底纵坡。

4.2 泄水孔设计

泄水孔采用φ76塑料盲沟管，与水平成5°～10°仰角，每级排水孔距相应马道高程0.5 m起布置，间距3.0 m×3.0 m，梅花型布置。排水管采用先钻孔、后插管的工艺，坡面排水孔均为上倾仰孔，角度为5°，钻孔孔径为75 mm。钻孔设备及清孔设备均采用锚杆施工设备，孔口布置为间、排距为3 m。

5 结论

以西南地区某含软弱夹层滑坡为例，通过对滑坡应力应变、塑性区的变化情况以及支护结构的受力变形进行模拟，对比分析了原始滑坡、有支护结构无降雨作用、有支护结构有降雨作用的滑坡的稳定安全系数。在此基础上，进一步研究不同降雨入渗强度作用下滑坡的稳定性，综合评价降雨入渗的瞬态渗流作用对含软弱夹层滑坡的稳定性的影响规律，为滑坡排水优化设计提供建议。