软弱夹层及降雨入渗影响边坡稳定性研究

沙 鹏 刘冬艳 黄永亮

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2. 浙江有色地质环境研究院，浙江 绍兴312000)

0 引言

近年来，浙江省玄武岩台地型区滑坡灾害频繁发生[1-3]，据统计，浙江省玄武岩分布较广的嵊州、新昌、宁海三县市，其中玄武岩台地区滑坡占灾害数的39%.目前滑坡处于蠕滑状态，由于软弱夹层及连续降雨因素影响，可能引起滑坡局部加速滑动.研究软弱夹层岩质边坡稳定性最有效的方法是室内模型试验与数值模拟方法.由于模型试验方法在成果代表性、推广性以及成本上具有一定的局限性，越来越多的学者采用不同数值方法研究软弱夹层滑坡变化特征，揭示滑坡产生机理.魏龙生[4]对软弱夹层倾角、内摩擦角、厚度等影响因素与数值计算结果之间进行相关性分析，得出倾角越大，内摩擦角越小，厚度越大，边坡易破坏.夏开宗[5]、殷博[6]等分析了层面强度、厚度、倾角、水力作用等因素对边坡稳定性影响的敏感程度，前者结果表明：顺层软硬岩互层边坡稳定性影响因素的敏感程度是层面倾角>内摩擦角>厚度>水力作用>粘聚力；后者表明：含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡的稳定性影响因素的影响程度由大到小，软弱夹层内摩擦角>倾角>粘聚力>厚度.数值模拟软弱夹层岩质边坡稳定性的方法越来越多，李永亮等[7]运用ABAQUS软件，采用有限元强度折减法分析了坡高、坡脚、夹层埋深、夹层倾角和夹层厚度对边坡稳定性的影响.张社荣等[8]基于极限平衡法和有限元强度折减法探讨层状岩质边坡在不同岩层倾角、边坡坡脚、结构面间距条件下的安全系数与破坏面位置的变化规律.魏云杰等[9]采用GEO-SLOPE 软件的Mohgenstem-Prince法计算了降雨条件下含软弱夹层(凝灰岩)玄武岩边坡的稳定性系数.Xue等[10]针对含两层软弱夹层(断层泥)的玄武岩边坡，综合采用现场调查、GEO-SLOPE软件研究了边坡稳定和变形.结果表明，软弱夹层是滑坡的根本因素，开挖是边坡失稳的重要触发因素.Xu[11]、Fu[12]等利用DDA模拟了滑坡的孕育、发生、发展至再稳定的变形破坏和运动全过程.数值模拟是研究含多层软弱夹层岩质边坡失稳破坏的重要手段之一.

综上看出，学者们通过多种数值模拟方法研究软弱夹层赋存特性对软弱夹层岩质边坡稳定性影响，得到一些有益的结论.但现有文献中，较少考虑降雨入渗条件下软弱夹层赋存特性对边坡稳定性的影响.同时考虑降雨入渗及软弱夹层特征因素，通过数值模拟获取内部不同的渗流场、位移场，揭示降雨条件下软弱夹层边坡破坏特征还需要深入挖掘.本文通过有限差分法(Fast Lagrangian Analysis of Continua，FLAC3D)开展两因素影响下边坡变形数值试验研究工作，通过改变软弱夹层的力学参数，实现软弱夹层赋存特征的变化，获得降雨条件下软弱夹层厚度、粘聚力、内摩擦角、倾角对软弱夹层岩质边坡稳定性的影响；同时探讨降雨过程中含软弱夹层边坡的内部特征联系.

1 软弱夹层边坡数值模拟

1.1 模型构造及相关参数

本文建立几何模型，如图1所示.参照俞伯汀研究成果[3]和《浙江省新昌县回山镇下山村滑坡勘查报告》[13]勘查结果，对相似模型进行材料属性的相似折减，土工试验结果得出边坡硬质玄武岩以及软弱夹层物理参数见表1.

表1 岩层物理力学参数

图1 几何模型构建

1.2 降雨入渗概念模型

降雨入渗概念模型如图2，降雨初期，具有较强吸力的基质迅速吸水，表层含水率迅速增大，孔隙水压力增加，并在重力作用下，水分向深部逐减入渗，当降雨量达到某一程度后，入渗速率减缓，若降雨量大于入渗量时形成地表径流.不同岩土类型、边坡类型以及降雨因素条件下，边坡的降雨入渗过程存在差异.

图2 降雨入渗概念模型[14]

降雨从表面渗入边坡内部，并在边坡内部产生暂态孔隙水压力，降雨对边坡稳定性的影响是通过降雨引起的暂态孔隙水压力的改变来体现[15].因此，在FLAC3D中可采用渗流模块进行降雨过程模拟.通过渗流模块中的“APPLY discharge+渗流通量”命令，分析降雨过程对边坡稳定性的影响.其中，降雨强度通过公式(1)在FLAC3D中进行转换，即:

(1)

式中：Q为边坡入渗边界流量，单位为m/s；i为降雨强度，单位为mm/h；α为边坡坡度.

1.3 数值模型建立

数值计算模型的几何尺寸为：坡高0.6 m，坡宽0.5 m，基层厚度0.2 m，宽1.5 m，坡度30 °，模型的右侧和底部为不透水边界，左侧为透水边界，坡面设为降雨入渗边界，边坡内设置7个分析点，其P1～P3为孔隙水压分析点，距离坡面距离10 cm，P1位于软弱夹层下部，P2位于软弱夹层内部，P3位于软弱夹层上部.S4～S7为水平位移分析点，分析点等间距设置，S4位于夹层下部，S5位于夹层内部，S6、S7位于夹层上部，如图3所示.

图3 降雨入渗数值模型

1.4 数值模拟设计方案

本实验主要研究降雨诱发边坡破坏及滑坡的发展进程，以及探讨不同降雨条件对边坡渗流的影响.根据1990～2013年期间，浙江省不同区域1 569个浅层滑坡实地调查和其对应的降雨强度的记录，确定降雨强度阈值在不同区域导致滑坡的频率，如图4所示，降雨强度在40 mm/h～60 mm/h出现频率最高，因此本次试验采用降雨强度为55 mm/h.

图4 浙江省降雨强度分布统计图(根据文献[16])

此模拟试验根据软弱夹层物理参数共设计十组工况，如表2所示.工况一、二、三对比相同降雨条件下软弱夹层厚度对边坡内部特征变化影响；工况一、四、五对比相同降雨条件下软弱夹层粘聚力对边坡内部特征变化影响；工况一、六、七对比相同降雨条件下软弱夹层内摩擦角对边坡内部特征变化影响；工况一、八、九、十对比相同降雨条件下软弱夹层倾角对边坡内部特征变化影响.

表2 数值模拟工况

2 不同软弱夹层对降雨边坡的影响

2.1 软弱夹层厚度对边坡稳定性的影响

图5(a)-5(c)给出不同厚度软弱夹层边坡的孔隙水压力随降雨时间变化曲线.从图中可以看出，不同厚度条件下同一分析点变化趋势相同，随降雨历时的增加，软弱夹层下部P1的孔压值持续增加至最大值，随后趋于稳定.软弱夹层内部P2、上部P3孔压值增大至极值后有所下降，由于软弱夹层的高渗透性，雨水较快入渗至边坡内部，孔压增大，持续降雨使其抗剪、抗滑能力下降，软弱夹层与坡面交界处产生变形，雨水沿变形处渗出，形成孔压消散现象，导致孔压有所下降.夹层下部岩体由于渗透系数小的原因，孔压持续增大后趋于稳定.当软弱夹层厚度从0.05 m增大至0.15 m，P1孔压值为25.42 kPa、29.02 kPa、25.33 kPa，P3孔压分别为11.36 kPa、10.36 kPa、13.19 kPa，软弱夹层上部比软弱夹层下部降幅至少为47.93%，因此，孔隙水压增大的顺序为：软弱夹层下部>软弱夹层内部>软弱夹层上部，分析其原因：随降雨历时增加，雨水从软弱夹层处较快入渗至夹层内部，形成饱水区，降雨不断进行，坡顶入渗的雨水并未流至软弱夹层上方P3，所以在软弱夹层上面玄武岩层仍然处于非饱水区，导致软弱夹层内部的雨水沿夹层上表面向坡顶方向渗流，软弱夹层上部孔压相对较小；由于重力作用，夹层内部雨水向下部蔓延至软弱夹层下方分析点，及雨水在坡脚处聚集，软弱夹层下部孔隙水压力较大.

图5 不同厚度下孔隙水压随降雨时间变化曲线

由图6可知，随软弱夹层厚度的增加，水平位移有增大的趋势，说明软弱夹层厚度对分析点水平位移的影响具有一致性.在降雨入渗条件下，在软弱夹层上方，越靠近软弱夹层，其水平位移越大，因此随着分析点向上，水平位移逐渐减小：当软弱夹层厚度从0.05 m增加至0.15 m，软弱夹层内部S5的水平位移从8.7 cm增加至15.33 cm，增幅超过75%，软弱夹层上部S7的水平位移比S5至少减小了70.65%；而位于软弱夹层下方S4的位移最小，其值为0.17 cm～3.57 cm，说明坡脚受软弱夹层的影响较小.

图6 水平位移随夹层厚度变化曲线

2.2 软弱夹层粘聚力对边坡稳定性的影响

从图中7(a)-7(c)可以看出，同一分析点在不同粘聚力条件下变化趋势相同.当软弱夹层粘聚力从8.7 kPa增大至14.7 kPa，软弱夹层上部P3的最大孔隙水压力从10.36 kPa增加至16.25 kPa，平均增幅为56.85%，软弱夹层下部P1从29.02 kPa增加至31.59 kPa，平均增幅为8.86%，说明改变软弱夹层粘聚力对软弱夹层上部孔隙水压力影响显著.由于软弱夹层的渗透性大，雨水入渗率大，持续降雨使其抗剪、抗滑能力下降，弱层与坡面交界处产生变形，形成孔压消散现象，导致夹层内部及下部孔压有所下降.在降雨条件下，不同分析点处孔隙水压力变化不同，随降雨时间的增大，孔隙水压增大的顺序为：软弱夹层下部>软弱夹层内部>软弱夹层上部.

由图8可知，随软弱夹层粘聚力的增加，位于软弱夹层上方分析点水平位移有减小的趋势，降幅均为78.42%，而位于下侧分析点有增大的趋势.当软弱夹层粘聚力为8.7 kPa时，软弱夹层内部S5的最大水平位移为15.09 cm，软弱夹层上部S7的最大水平位移为3.62 cm，比S5相差约11.47 cm，说明越靠近软弱夹层，水平位移越大.

图7 不同粘聚力的孔隙水压随降雨时间变化曲线

图8 水平位移随粘聚力变化曲线

2.3 软弱夹层内摩擦角对边坡稳定性的影响

孔隙水压力在不同软弱夹层内摩擦角条件下变化曲线如图9(a)-9(c).从图中可以看出，同一分析点孔压在不同内摩擦角条件下变化一致，说明降雨过程内摩擦角的改变对孔隙水压力无影响.软弱夹层上部、下部、内部孔隙水压力变化趋势与改变弱层厚度、粘聚力的变化基本一致.

图9 不同内摩擦角的孔隙水压随降雨时间变化曲线

由图10可知，随软弱夹层内摩擦角的增加，位于软弱夹层上方分析点水平位移有增加的趋势，而位于下侧的S4的位移有减小的趋势，四组曲线几乎平行，曲线斜率接近5×10-5， 说明软弱

图10 水平位移随内摩擦角变化曲线

夹层内摩擦角不显著影响边坡变形.在降雨入渗条件下，在软弱夹层上方分析点中，随着分析点向上，水平位移逐渐减小.当软弱夹层内摩擦角为20 °，软弱夹层内部S5的水平位移最大，为15.09 cm，而上部S7的水平位移3.62 cm，比S5减小了76.01%.位于软弱夹层下方S4的位移最小，受软弱夹层的影响较小.

2.4 软弱夹层倾角对边坡稳定性的影响

从图中11(a)-11(c)可以看出，同一分析点在不同倾角条件下变化趋势相同.当软弱夹层倾角从5 °增大至15 °，软弱夹层下部P1的最大孔隙水压力分别为29.49 kPa、29.02 kPa、27.76 kPa、24.9 kPa，软弱夹层上部P3的最大孔隙水压力为10.02 kPa、10.36 kPa、10.10 kPa、12.17 kPa，比软弱夹层下部至少减小51.12%，主要因为坡顶入渗的雨水并未流至软弱夹层上方P3处，软弱夹层内部的雨水沿夹层上表面向坡顶方向渗流，软弱夹层上部孔压相对较小.由于重力作用，夹层内部雨水向下部蔓延至软弱夹层下方及雨水在坡脚处聚集原因，软弱夹层下部孔隙水压力较大.同时降雨持续进行，边坡失稳破坏，雨水渗出，夹层内部及上部孔压有下降趋势.纵向分析，在降雨前期，倾角越大，孔隙水压力响应时间较短；随降雨的进行，倾角越小，孔隙水压力值越大，说明软弱夹层倾角越小，雨水越容易入渗.横向分析，降雨条件下，孔隙水压增大的顺序为：软弱夹层下部>软弱夹层内部>软弱夹层上部.

图11 不同倾角下孔隙水压随降雨时间变化曲线

由图12可知，随软弱夹层倾角的增加，位于软弱夹层上方水平位移有增大的趋势，位于下侧的水平剪切位移与软弱夹层倾角并不是简单的呈正相关，而是存在某个临界值θ，使边坡剪切位移在软弱夹层倾角θ小于或大于临界值10 °是单增或单减，倾角在5 °～10 °时，边坡水平位移随倾角增大而减小，倾角在10 °～15 °时随软弱夹层倾角的增大而不断增大.在降雨入渗条件下，在软弱夹层上方分析点中，越靠近软弱夹层，其水平位移越大，当软弱夹层倾角增加至15 °时，软弱夹层处的水平位移最大，为18.81 cm，而软弱夹层上方S7的水平位移为9.35 cm，比S5减小了50.29%.

图12 水平位移随软弱夹层倾角变化曲线

3 降雨对软弱夹层边坡稳定性影响

3.1 降雨入渗引起的孔隙水压力分布规律

图13(a)为工况一边坡在降雨过程中孔隙水压力分布变化图.连续降雨1.5 h后，边坡坡面孔隙水压力发生变化，坡体表面位置出现饱水区，坡顶处孔隙水压力最大，其值为53.7 kPa.随降雨进行3 h时，由于软弱夹层的渗透性相对较高，加快雨水下渗，夹层内孔隙水压力最大值为64.8 kPa.随着深度以及降雨量的增加，雨水入渗速度逐渐减缓，降雨历时6 h时，在软弱夹层上方的硬质岩体中，含水率较高，孔隙水压力越大，为65.0 kPa.随降雨历时增加，边坡最大孔隙水压力不断增大，分别增大20.67%、0.31%，增大速率减慢.

3.2 降雨入渗引起的塑性区分布规律

含软弱夹层边坡的变形可以认为是塑性区的扩张形成贯通区，导致边坡结构层的抗剪、抗拉能力的下降，从而进入塑流状态[17].图13(b)给出持续降雨1.5 h、3 h、6 h时的塑性区的分布.在降雨初期阶段，塑性区首先发生在软弱夹层上方的坡体表面处，随着降雨的进行，边坡塑性区面积增大，降雨6 h后塑性变形区贯穿整个边坡，且范围较大，说明此区域可能会发生滑坡.

3.3 降雨入渗引起边坡位移变化

图13(c)为降雨情况下边坡变形随降雨历时增加的变化云图.降雨初期，边坡坡顶处出现冲刷现象，最大位移为0.804 cm.降雨至3 h时，位于边坡坡面与软弱夹层交界线处出现变形，最大位移为4.31 cm，继而降雨，软弱夹层弱化，边坡变形增大，位移值为10.5 cm.随降雨历时增加，边坡最大水平位移不断增大，增大速率减慢，与孔隙水压力变化一致，这是因为软弱夹层相对玄武岩层而言，渗透系数较高，降雨初期，雨水沿坡面较快地渗入坡体内部，导致抗剪抗拉能力下降，但随降雨量增加，沿软弱夹层雨水入渗至坡体内速率减慢，因此边坡最大变形在坡面与软弱夹层交界线处，整体呈现缓慢破坏.

图13 降雨入渗边坡数值模拟结果

3.4 降雨对含软弱夹层边坡失稳过程分析

在降雨条件下，雨水入渗至软弱夹层，夹层内部逐渐饱水，强度下降，处于夹层弱化阶段.在降雨初期阶段，边坡坡顶处的渗流梯度较大，雨水沿坡顶向下入渗.此时孔隙水压力在软弱夹层与坡面交界处至坡顶位置逐减增大，坡体抗剪强度降低.因此，边坡塑性区首先在夹层至坡顶位置产生，说明孔隙水压力和塑性区形成存在正相关关系.随着降雨历时的增加，雨水不断向坡体内部延伸，同时入渗速率降低.由于软弱夹层渗透系数相对较高，雨水向夹层内部延伸及夹层下方扩展，导致孔隙水压力不断增大.由于夹层存在一定角度，在自重作用下雨水向夹层后缘入渗量较少，孔压增大幅度减小，雨水集中面在夹层与下部岩层交界位置，从而在夹层前端边坡塑性区集中，此外向夹层后缘区至坡体内部扩展缓慢.根据3.3节可以看出，降雨条件下，坡面与软弱夹层交界处变形较大，主要因为软弱夹层上方结构层重力增加，导致夹层被挤压变形.随着降雨进行，软弱夹层遇水软化，软弱夹层的抗滑能力进一步下降，导致边坡沿夹层发生滑移破坏.

4 结论

本文基于二次开发的FLAC3D渗流模块对降雨条件下含有软弱夹层的岩质边坡的渐进破坏过程分析，讨论了软弱夹层的厚度、粘聚力、内摩擦角、倾角对岩质边坡的影响规律，具体结论如下:

(1)在相同降雨条件下，改变软弱夹层的赋存属性，边坡最大孔隙水压力变化规律一致，孔隙水压增大的顺序为：软弱夹层下部>软弱夹层内部>软弱夹层上部，但改变软弱夹层的内摩擦角，孔隙水压力无变化.

(2)在不同软弱夹层厚度中，最大水平位移始终在软弱夹层与坡面相交处，边坡水平位移与厚度正相关.位于软弱夹层上方的分析点水平位移与夹层的粘聚力负相关，其越靠近软弱夹层，水平位移越大，相差约11.47 cm，而位于夹层下方的水平位移与夹层的粘聚力正相关.改变软弱夹层内摩擦角，各分析点位移几乎无明显变化， 说明软弱夹层内摩擦角不显著影响边坡变形.

(3)随软弱夹层倾角的增加，位于软弱夹层上方的水平位移有增大的趋势，此时距离夹层最远的水平位移比夹层处的水平位移至少降低了50.29%；位于夹层下侧的水平剪切位移与软弱夹层倾角并不是简单的呈正相关，倾角在5 °～10 °时，边坡水平位移随倾角增大而减小，倾角在10 °～15 °时水平位移随倾角增大不断增大.

(4)边坡最大水平位移随厚度、粘聚力、倾角以及内摩擦角变化产生的最大增量分别为73.42%、3.35%、17.93%、0.27%，因此软弱夹层的赋存特征对边坡稳定性影响的敏感程度为：软弱夹层的厚度>倾角>粘聚力>内摩擦角.