基于GeoStudio 的小岭后滑坡稳定性分析

2023-10-30童柳华

陕西水利 2023年10期

张伍,童柳华

（安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232000）

0 前言

滑坡在我国是一种常见的地质灾害,其不仅会诱发严重的地质隐患,更会导致人类生命财产遭受巨大损失[1]。滑坡地质结构稳定性研究,作为边坡结构安全性防护的重要理论基础,其也成为滑坡研究的重点[2]。目前,滑坡稳定性分析方法主要基于极限平衡法和以有限元为主的数值分析法等研究理论,邵龙潭[3]等对传统极限平衡理论进行了扩展,并对土体内某一点的极限平衡状态与土体沿整个滑动面的极限平衡状态之间的关系进行了探讨,进而定义了土体沿滑动面的安全系数并进行稳定性分析；丁恒[4]等利用Flac3D 数值模拟分析,对滑坡进行稳定性评价；倪晓辉[5]则采用GeoStudio软件分析浅层滑坡不同工况下失稳概率及稳定性,其以降雨因素研究浅层土质滑坡为主并提出具体防治措施。

龙泉市属亚热带季风气候,温暖湿润,整体地势较高,降雨受地形增强作用明显,降雨充沛。以强降雨作为一种重要因素的定量危险性分析评价就显得格外重要。不同区域不同时刻,影响滑坡发生的主要因素也就不同。浙江省极端暴雨工况下的滑坡灾害分布广泛,但也具有明显的分布规律[6]。考虑到小岭后滑坡坡体土层较厚且滑坡面在一定程度上由降雨量所控制,本文利用GeoStudio 软件对不同降雨工况情况进行解析,阐明其稳定性与降雨量有着不可分割的关系。研究表明,滑坡失稳的主要诱发因素多为水的作用,降雨及水位涨落产生常导致滑带抗剪强度下降（饱和区有效应力降低、非饱和区基质吸力降低、土体产生软化）,削弱了滑坡稳定性[7-8]。通过对小岭后滑坡的进一步分析,以期查明降雨环境下岩土体中地下水的渗流特征及其安全稳定系数,为浙江省滑坡工程防治提供理论依据。

1 滑坡概况

小岭后公路边滑坡位于龙南乡蛟垟村小岭后自然村西侧山体斜坡上,地处中山区,斜坡海拔高程1102.6 m～1278.2 m,最大相对高差175.6 m,自然斜坡地形坡度15°～30°,剖面形态呈折线状,前缘坡度较缓,坡度15°～20°,坡体开垦为梯田；后缘斜坡25°～30°,植被以毛竹、松木为主,坡体中前部台阶状水田大部分已荒废,坡脚为乡级公路。滑坡发生于坡体微沟处,该处微沟沟道宽2 m～5 m,两侧岸坡高1 m～3 m,沟口直对公路。坡面出露地层岩性为下白垩统高坞组（K1g）晶屑熔结凝灰岩,岩石风化程度较高。现有边坡未出露基岩,残坡积层（Qel-dl）主要为粉质粘土,灰褐色,厚度0.5 m～1 m,可塑状,稍湿～湿,偶见碎砾石,含量＜5%,碎砾石呈棱角状～次棱角状,原岩成份为凝灰岩。该滑坡（图1）发生于2017 年8 月20 日,受连续降雨影响,微沟沟岸发生多处滑坡,周边发育多条拉张裂缝,滑塌体下滑过程中,对沟底土层进行刮蚀、刨铲,带动底部松散土层沿沟口方向滑动,威胁前缘道路过往行人及车辆。滑坡体平面形态呈条带状（图1）,滑坡体前缘宽后缘窄,前缘面最大宽度18 m,后缘面宽8 m,轴线长约60 m,主滑方向约225°,滑坡后缘海拔高度为1142 m,剪出口海拔高度为1120 m,滑体组成物主要为第四系残坡积层及下白垩统高坞组全风化晶屑熔结岩,滑体厚3 m～5 m,滑动面位于全风化层中,滑坡整体呈条带状。

图1 滑坡全貌

2 地质因素分析

2.1 地层岩性

岩性松疏、渗透性好为滑坡发生提供了物质基础。边坡土体厚度较大,表层部分残余边坡层厚度为0.5 m～1.0 m,岩性为黏土、塑性,工程地质性质较差；全风化岩石大部分已风化成土,遇水易软化,最大厚度超过5 m,工程地质性质较差。滑坡主要物质组成均为残坡积和全风化物质,强降雨期间全风化层多位于地下水位附近,受地下水浸泡,土体饱和,抗剪强度显著降低,力学性质变差,逐渐形成贯通的软弱层。

2.2 地形及地貌

滑坡所在山体地形由陡峭开始变得缓慢,微地貌呈凹形,有利于集中水源,坡脚处有高速公路切坡,这为斜坡的不稳定提供了重要条件。因此,地形和地貌条件有利于滑坡的形成。

2.3 气象与水文

强降雨引起斜坡岩土体地下水水位上升,基质吸力降低和孔隙水压力增加是其斜坡发生变形破坏的主要原因[9]。连续的暴雨会使大量雨水下渗到坡体内部,增大了岩土体重度,同时浸润饱和了斜坡上的残坡积层和全风化层,最终导致岩土体力学强度下降,滑坡体上部分下滑力明显增加,从而导致斜坡土体蠕动下错。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

滑坡模型见图2,山坡高100 m,长200 m,将边坡划分为粘土、粉质粘土、全风化层和中风化层四个区域,滑坡区域网格单元尺寸均设3 m,划分1418 个网格节点及1351 个网格单元。确定模型的地下水边界和降雨边界,把左侧为定水头时的稳态计算结果当作初始条件,利用GeoStudio 软件中的Slope/ W 具有可以引入Sigma/ W 和 Seep/ W 计算结果的功能,以及 Sigma/W 可以引入 Seep/ W 计算结果的功能,分别计算考虑耦合情况下和不考虑耦合的情况下边坡的安全系数,以此来进行边坡稳定性的评价。

图2 模型划分示意图

图3 水土特征曲线

3.2 计算原理

首先在 Seep/ W 中建立有限元分析模型,经过有限元计算后,得到瞬时孔隙水压力,将所计算的结果导入至 Sigma/ W,得到不同时刻渗透力作用下的应力应变。Slope/ W 导入 Seep/W 的结果得到不考虑降雨即非耦合以及在不同降雨条件下即耦合时安全系数的计算[10]。

3.3 参数确定

根据斜坡所在地区的自然情况,不考虑地震对此地区的影响,进行不同降雨工况条件下的滑动面推测稳定性分析评价[11]。本次连续降雨期间状态分为四种工况,降雨强度分别取35 mm、75 mm、110 mm、250 mm,见表1。采用 Geostudio软件来模拟降雨之后的地下水渗流场（主要考虑地质模型中,岩土体弹性模量、泊松比等参数较难精准获取,故本次模型分析未选用应力应变耦合）,在此基础上计算斜坡的稳定性系数。通过岩土试验和该地区岩土体的经验参数和反演综合确定模拟参数取值,见表2。

表1 降雨工况划分标准表

表2 滑坡稳定性计算参数取值表

3.4 计算结果分析

3.4.1 渗流场分析

采用Geostudio 中的Seep/W 模块对模型进行渗流探究,不同降雨工况的渗流情况即孔隙水压力随时间的变化规律,见图4。由图可知,孔隙水压力在不同降雨条件下的值,会随降雨时间的增加而不断升高,负孔隙水压力会减小,基质吸力减小,且高强度的孔隙水压力值较低强度的孔隙水压力值增长的更快[12-13]。以48 小时末的数值为例,孔隙水压力的数值由大到小的工况依次是特大暴雨、大暴雨、暴雨、大雨。因为,在同一时间段下,高强度的工况降雨量更大,孔隙水压力增长更快。由图4 可以看出,负孔隙水压力值随着不同降雨量及时间增加至正值,表明这几种常见的工况均能使土体达到饱和状态,但是饱和状态都大不相同。图5 中可以看到在特大暴雨条件下前期孔隙水压力增长较快,但时间到达24时,土体近似达到了饱和状态,速率降低且趋于平缓,可以看出降雨下渗随着时间的增长,渗透能力开始下降,孔隙水压力增长也开始变得缓慢。当土体中渗透大量水源时,土体会达到饱和状态,雨水就不能继续下渗,孔隙水压力就会保持基本不变,此时坡面径流量变大。雨水入渗会削弱土体的抗剪强度,改变土体天然重度,对土体稳定性产生影响[14]。此外,由于高强度降雨持续时间短,土体蒸发与入渗时间有限,极易在表面形成径流,需采取排水设施,避免大量水流携带泥土冲刷坡体。

图4 不同工况孔隙水压力与时间关系

图5 特大暴雨条件下孔隙水压力与时间关系

3.4.2 稳定性分析

通过Seep/W 模块计算出降雨前即初始工况下的稳态渗流场,以此结果为初始状态加上不同降雨工况模拟降雨入渗过程和渗流场变化,然后将渗流场导入 SLOPE/W 稳定性计算模块计算滑坡的稳定性,计算结果见图6。

图6 各工况压力水头图

根据《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864-2016）中,滑坡稳定性由核算出的稳定性系数进行划分,见表3。

由图6 结合表3 可知,不同降雨工况下滑坡稳定性依次为：工况1＜工况2＜工况3＜工况4。斜坡在天然、大雨和暴雨工况下,均处于稳定状态;由图6（b）和图6（c）可以看出,斜坡稳定性系数开始变小,处于基本稳定状态,这主要是因为不同降雨量改变了滑坡体的力学性能而削弱了岩土体的强度参数,且地下水的上升导致基质吸力降低和孔隙水压力增加,稳定性系数就会迅速降低；在特大暴雨工况下,孔隙水压力急剧增高,土体稳定性变差,与之前所讨论的孔隙水压力的变化相对应,因此容易形成滑坡。