积雨条件下膨胀土边坡稳定性分析

2022-10-22石覃剑何芳芳

矿产与地质 2022年3期

何源，吴福，石覃剑，何芳芳

(广西壮族自治区地质环境监测站，广西南宁 530028)

0 引言

膨胀土具有湿时塑性很强，干燥时裂隙发育，裂面光滑，边坡易塌的特点[1-4]，常出现大雨大滑，小雨小滑，无雨不滑等现象[5-6]。针对降雨工况下膨胀土变形破坏的机理，程展林、李青云等[7-10]通过降雨入渗实验研究，表明膨胀土边坡不仅存在重力作用下的整体稳定性受裂隙面强度控制，而且在吸湿条件下会产生浅层失稳，浅层失稳的主要影响因素为土的膨胀变形；谢灿荣等[11]基于控制含水量的思路，通过滴灌作用论证了含水量是影响膨胀土裂隙展开的关键因素，徐彬等[12-13]考虑不同深度下膨胀土性质的差异性，研究了雨水入渗条件下的膨胀土边坡的渗流规律，进行了相对应的稳定性分析。

前期的研究多从实验分析膨胀土抗剪强度或采用极限平衡法计算膨胀土斜坡安全系数折减，本文依托宁明县1∶5万地质详细灾害调查成果，通过对宁明县境内典型膨胀土边坡地质灾害进行工程勘察获取试验参数，结合地质灾害发生时段实际雨频、雨强进行数值模拟，更真实地剖析宁明县膨胀土边坡积雨条件下安全系数变化特征。

1 降雨对膨胀性边坡稳定性影响分析

1.1 降雨时段与膨胀土边坡失稳时间耦合性

降雨为宁明地质灾害发生的主要诱发因素，县境内地质灾害基本属降雨诱发型。宁明县属亚热带季风气候，降雨量总体较充沛，时间多集中在每年5—9月份，月均降雨量均超过130 mm，尤其以8月降雨最多，可超过200 mm。地质灾害发生频率上，宁明县地质灾害集中发生于每年5—10月的雨季，共发生地质灾害154起，占宁明县地质灾害总数的91.7%(仅以有时间记录的168处地质灾害为基底)。尤以6—10月份最为多发，共发生地质灾害120起，占宁明县地质灾害总数的71.4%(图1)。

1.2 降雨对膨胀土边坡失稳变形分析

通过图1对比分析，宁明县月降雨量呈抛物线状，自2—8月呈线性递增，并在8月份达到最高值后回落，至次年2月为最低值，地质灾害月发生频率自2月(0处)开始递增，9月份达到峰值(30处)后开始回落(去除6月份)，两者高度耦合，由此可分析得出结论：

1)浅层膨胀土边坡“清表”：地质灾害最高发月份为6月(共39处)，而非9月，这是由于随着自2月份降雨量的快速回升，原本稳定性较差的斜坡开始产生崩滑，此时崩滑多为小型且浅层土质膨胀土边坡，相当于强降雨对斜坡的一次“清表”。

2)降雨入渗滞后性：除去6月份地质灾害发生数量的影响，地质灾害发生频率的峰值在9月，而降雨量的峰值在8月，地质灾害的发生与降雨量的变化存在滞后性，这种滞后性反映出降雨入渗到斜坡内部是需要一个时间段的累积过程。

3)膨胀土边坡失稳季节性：宁明县膨胀性岩土分布广泛，在经历冬、春季的干旱及夏、秋季的雨水增多后，膨胀性岩体遇水膨胀产生崩塌滑坡，因此膨胀土边坡失稳具有季节性。

1.3 极端降雨条件下地质灾害具有突发性、群发性

自2008年以来，极端降雨条件下宁明县地质灾害具有突发性和群发性，均为强台风携带降雨引发：2008年“9.24台风黑格比”突发地灾，宁明县共诱发地质灾害16起；2014年7月22号“威马逊”台风突发地灾，共诱发地质灾害4处；2014年9月16号台风“海鸥”台风突发性地灾，共诱发地质灾害3处。

1.4 降雨条件下膨胀土边坡诱发机理

降雨气候条件下，宁明县地质灾害突发性强，滑坡、崩塌灾害在降雨过程中发生，与降雨过程同步，主要原因有三点：一是降雨形成坡面径流并快速冲刷、侵蚀坡体，降低斜坡稳定性；二是在极短时间内入渗坡体，迅速增加斜坡体自重；三是快速浸润坡积层及岩体软弱结构面，降低其抗剪强度，加速斜坡在重力作用下失稳。

2 降雨条件下典型膨胀性边坡稳定性分析

2.1 典型膨胀土边坡概况

本次分析选取桐棉镇卫生院后山不稳定斜坡(图2)为研究对象，该不稳定斜坡横向宽65 m，纵向长约55 m，高40 m，滑坡体揭露平均厚度约4.8 m，总体积约18 000 m3，根据工程钻探揭露，该不稳定斜坡全风化层厚度约2 m，强风化层厚度约3 m，地下水位埋深大于11 m，经取样鉴定成果(表1)，该不稳定斜坡为中等胀缩性膨胀土边坡。

表1 桐棉卫生院胀缩性判别表

2.2 数值模型建立

通过 Seep/W 和 Slope/W 模块，并采用非线性强度参数分析持续降雨条件下边坡安全系数变化特征。依据桐棉卫生院后山不稳定斜坡工程地质剖面 (图3a) 建立 Geo-studio 数值模型 (图3b)，斜坡模型高40 m，长65 m (有效边坡纵向长55 m)，边坡土体按全风化、强风化、中风化分为三层，全风化层厚2 m，强风化层厚3 m，地下水位根据桐棉卫生院典型地质灾害勘察揭露斜坡地下水位确定，埋深11～20 m。

前人研究并提出膨胀土饱和渗透系数随风化程度而异，全风化层的渗透性比土本身的渗透性大2～4个数量级，本次分析取全、强风化层的饱和渗透系数为中风化层的100、10倍。全、强、中风化层渗透系数根据桐棉卫生院典型地质灾害勘察点土工试验结果确定，分别取2.6×10-8、2.6×10-7和2.6×10-6，并依据前人研究成果建立水特征曲线 (图4a) 及渗透性函数曲线 (图4b)，且各风化层渗透性函数的形状一致。

2.3 边界条件及强度参数取值

本次计算斜坡地下水位根据桐棉卫生院典型地质灾害勘察揭露斜坡地下水位确定，埋深11～20 m，地下水位以下左右边界为定水头边界，设最大负孔隙压力线性分布于水位线上，水头为5 m，其余边界为零流量边界，斜坡初始孔隙水压力图见图5。整个斜坡坡面及坡脚平面均采用流量边界，可自动判断降雨强度与土体渗透系数之间的关系：当降雨强度大于表层土体渗透系数时，按定水头边界处理，水头值等于位置高程；当降雨强度小于表层土体渗透系数时，按流量边界处理，其值等于降雨强度。

本次计算降雨根据宁明县气象局所提供的2008年“9.24台风黑格比”宁明县境内4日平均降雨量80 mm/d (9.28×10-7m/s)，斜坡土体物理实验参数根据桐棉卫生院典型地质灾害勘察点土工试验结果确定，取值见表2，残余水饱和度取定值50%，模拟降雨历时4天，每3 h记录保存1次数据，分别采用 Morgenstern-Price、Janbu 和 Bishop 三种极限平衡法计算斜坡安全系数变化特征。

表2 计算模型强度参数

2.4 计算结果及分析

根据计算结果，降雨时程为3 h时，斜坡体内浸润峰包裹全—强风化界面；降雨时程为6 h时，浸润峰下移至全—强风化界面以下，并在切坡全—强风化界面处溢出切坡面；降雨时称为24 h时，浸润峰下移至强—中风化界面，强、全风化层孔隙水压力为负值；降雨时程为48 h时，浸润峰下移至强—中风化界面以下，全风化层及全—强风化界面以下部分中风化层孔隙水压力变为正值(图6)。

不同计算模型下，不定斜坡安全系数成果见表3和图7。持续降雨工况下，采用Morgenstern-Pric 法计算模型中，降雨时程 3 h、6 h、12 h、24 h、48 h、72 h、96 h 安全系数折减为初始安全系数的 0.994、0.906、0.964、0.905、0.846、0.839、0.834；采用 Bishop 法，折减为初始安全系数的 0.995、0.99、0.963、0.904、0.835、0.826、0.821；而采用 Janbu 法和 Ordinary 法96 h后，安全系数折减为0.91。

表3 不同模型稳流状态下边坡稳定性计算结果

对比孔隙水压力云图中浸润峰的入浸时程及斜坡安全系数时程变化特征分析，当浸润峰入渗至—强风界面以下后(6 h)，斜坡的安全系数开始明显下降；至48 h后，浸润峰下移至强—中风化界面以下，并保持稳定，斜坡安全系数折减也随之减小。因此，斜坡安全系数折减速率与浸润峰的入浸存在耦合性，且连续降雨条件下，坡面汇水入浸6～48 h时程内，斜坡安全系数折减最快。根据《膨胀岩土滑坡防治工程技术规范》，膨胀土边坡稳定系数取1.3，因此连续降雨48 h后斜坡即处于不稳定状态，由图8可知，潜在滑移面分布于切坡前部，且为浅层不稳定斜坡。