極端降雨下返嶺前邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析與評(píng)價(jià)

李增濤 賀可強(qiáng) 郭棟 劉曉紅 楊德兵

摘 要：隨著全球極端天氣不斷頻繁，極端降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究也越來越受到重視，為了更好探索極端降雨條件下堆積層邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，選取青島市嶗山區(qū)返嶺前堆積層邊坡作為模擬研究對(duì)象，并基于青島現(xiàn)有降雨資料和兩個(gè)極端降雨工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)。最后，利用有限元軟件Geo-studio耦合分析降雨對(duì)坡體孔隙水壓力及位移場(chǎng)的影響規(guī)律，確定該邊坡所處的穩(wěn)定性狀態(tài)、剪出口位置及失穩(wěn)類型。

關(guān)鍵詞：極端降雨； 返嶺前邊坡； Geo-studio； 耦合分析

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：41372297）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（項(xiàng)目編號(hào)：20113721110002）資助；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ZR2011DL002）

1 引 言

極端降雨天氣的出現(xiàn)對(duì)全球范圍內(nèi)的滑坡災(zāi)害造成不可避免的影響，LIU Yuewu（2005）認(rèn)為影響降雨型邊坡穩(wěn)定性的主要來源于降雨和地下水，認(rèn)為降雨是一種無法控制的外部因素[1]。降雨前邊坡已存在明顯的開裂變形，處于較為脆弱的平衡狀態(tài)，一旦大雨、暴雨降臨，滑坡發(fā)生可能性增大，且低滲透能力邊坡趨于淺層邊坡失穩(wěn)，高滲透性邊坡傾向深層失穩(wěn)[2]。

目前在降雨外在動(dòng)力條件影響邊坡穩(wěn)定性研究中，賀可強(qiáng)等（2004）建立了滑坡的加卸載響應(yīng)比物理動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型，選用降雨及孔隙水壓力變化作為加卸載參數(shù)，對(duì)新灘滑坡進(jìn)行加卸載響應(yīng)后驗(yàn)分析與計(jì)算[3][4][5]。按照降雨作為外在動(dòng)力思想，則極端降雨動(dòng)力條件不同于通常降雨的反復(fù)加載卸載，而是邊坡坡體本身一直處于不斷降雨動(dòng)力加載過程，沒有足夠的時(shí)間去卸載，使得邊坡本身處于嚴(yán)重的不平衡加載狀態(tài)，這種極端降雨條件下的坡體內(nèi)在穩(wěn)定性變化規(guī)律值得深入的探索與分析，因此，筆者選擇典型極端降雨型滑坡-返嶺前堆積層邊坡作為模擬研究對(duì)象，建立數(shù)值模型進(jìn)行了相關(guān)方面的探索與研究。

2 返嶺前邊坡概況

2.1 邊坡基本地理特征

返嶺前邊坡地理坐標(biāo)：東經(jīng)120°40′54.6″，北緯36°11′54.6″，其位置在離海岸線大約幾到十幾公里的特大暴雨范圍之內(nèi)[6]，返嶺前邊坡屬于堆積層邊坡，由已滑滑坡、邊坡一、二、三共同組成，其中已滑滑坡于2007年8月11日晚因極端降雨發(fā)生滑動(dòng)。其位置見圖1。

圖1 返嶺前邊坡工程地質(zhì)平面圖

2.2 邊坡構(gòu)造特征

從地表測(cè)繪、鉆孔、淺井揭示情況分析，覆蓋層物質(zhì)主要分布在中部及前緣，平均厚度2.5m，前緣覆蓋層最厚達(dá)5.8m；全風(fēng)化層厚度一般2-30m。具體見地質(zhì)剖面圖2。

3 邊坡數(shù)值模型的建立

按照?qǐng)D2建立模型，X代表水平方向距離，Y代表豎直方向黃海高程，上層為淺層的殘積物，中層為全風(fēng)化花崗巖（砂粉狀），下層為弱透水的基巖層，其參數(shù)選取如下表1。

邊坡的海水位以下及部分海灘位置為自由水頭邊界（Press Head），其整個(gè)邊坡為極端降雨作用區(qū)。采用有限元軟件Geo-studio中SEEP/W滲流軟件包建立數(shù)值模型，模型最上兩層非規(guī)則結(jié)構(gòu)采用2m邊長(zhǎng)三角形網(wǎng)格與四邊形網(wǎng)格形式將邊坡劃割成1117個(gè)Elements，1238個(gè)Nodes，并設(shè)A、B兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3。

圖2 返嶺前邊坡1-1地質(zhì)剖面圖

圖3 基于 SEEP/W的數(shù)值模型示意圖

表1 材料參數(shù)建議取值表[7]

參數(shù)

土層 ρw KN/m3 ρ0 KN/m3 C

Kpa

殘積物 19.3 20.8 21.1 18.1°

全風(fēng)化 19.7 21.0 26.6 19.5°

下層基巖 25.0 26.0 40 40°

參數(shù)

土層 E

Mpa 滲透系數(shù)m/s

殘積物 13° 15 0.33 5.0e-5

全風(fēng)化 15° 20 0.30 1.0e-5

下層基巖 30° 5×103 0.22 不透水

4 極端降雨工況設(shè)置及滲流模型結(jié)果分析

4.1極端降雨工況設(shè)置

根據(jù)WMO對(duì)于極端降雨事件的劃分定義，認(rèn)為滿足任意兩個(gè)條件中的一個(gè)降雨事件便定義為極端降雨事件[8]。基于上述極端降雨定義域條件，對(duì)青島多年降雨資料整理分析，定義日最大降雨量大于100mm，持續(xù)超過8天且日降雨量大于30mm/24h；或者連續(xù)3天降雨量超過550mm為青島極端降雨定義域，則邊坡模型極端降雨工況一采用8個(gè)降雨周期，一天作為一個(gè)降雨周期，初始極端降雨量選用30mm/24h，增量為30mm/24h，到達(dá)特大暴雨結(jié)束。邊坡模型極端降雨工況二采用5個(gè)降雨周期，一天作為一個(gè)降雨周期，初始極端降雨量選用30mm/24h，增量為30mm/24h，增增量為10mm，每個(gè)周期分為2個(gè)時(shí)步。考慮期間降雨量很大，導(dǎo)致空氣濕度越大，所蒸發(fā)的降雨也越小，因此不考慮蒸發(fā)作用。同時(shí)降雨期間海平面升降對(duì)邊坡穩(wěn)定影響小，不予考慮。

4.2 滲流模型計(jì)算與結(jié)果分析

運(yùn)用Geo-studio軟件SEEP/W分析得到初始條件和各時(shí)步孔隙水壓力變化圖4。

圖4 工況一、二 A、B監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化圖

由圖4比較可以看出，孔隙水壓力工況二比工況一要更早達(dá)到同一數(shù)值，說明在當(dāng)降雨強(qiáng)度小于上層土體的滲透系數(shù)時(shí)，相對(duì)較大的降雨量滲透到土體的速度相對(duì)較快，所以其他條件相同情況下，工況二短時(shí)間的極端降雨造成的坡體內(nèi)部變化更為明顯，影響也相對(duì)較大。

5 極端降雨工況條件下模型位移場(chǎng)結(jié)果分析

5.1 極端降雨工況條件下模型的建立及設(shè)置

位移場(chǎng)分析采用與滲流計(jì)算模型相同的地質(zhì)幾何模型，模型兩側(cè)垂直邊界采用X方向水平約束，底部采用X—Y雙向固定約束，其他邊界采用自由邊界，選邊坡后緣關(guān)鍵點(diǎn)6、邊坡中部關(guān)鍵點(diǎn)21、邊坡前緣關(guān)鍵點(diǎn)34監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，見下圖5。

圖5 基于 SIGMA/W的數(shù)值模型示意圖

5.2 SIGAM模型計(jì)算流程與結(jié)果分析

SIGAM模塊降雨工況分析不考慮蒸發(fā)條件及海平面水位變化的影響。其具體過程如下：應(yīng)用SEEP/W軟件對(duì)邊坡進(jìn)行Transient分析得到初始孔隙水壓力，隨后將其導(dǎo)入到SIGAM中Intitu模塊計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)；再把初始孔隙水壓力和初始應(yīng)力作為第一步SIGAM應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，計(jì)算出第一天的應(yīng)力場(chǎng)；得到的SIGAM應(yīng)力結(jié)果和同一時(shí)間段SEEP/W的孔隙水壓力值導(dǎo)入下一步SIGAM應(yīng)力分析中，以此循環(huán)模式進(jìn)行兩者的耦合分析，結(jié)果見下圖6、7。

圖6 工況一條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)各位移響應(yīng)量圖

圖7 工況二條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)各位移響應(yīng)量圖

由以上結(jié)果分析可知：（1）隨著降雨量的不斷增加，Y方向位移云圖在海平面處產(chǎn)生位移正值表明此處坡體向外擠壓并剪出，工況一出現(xiàn)時(shí)間較工況二提前，按照邊坡受力狀態(tài)，并結(jié)合返嶺前已滑滑坡及其他滑坡體結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為返嶺前邊坡一是屬于牽引式滑坡；（2）由監(jiān)測(cè)點(diǎn)處位移變化云圖分析可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)21處位移變化最大，其次是監(jiān)測(cè)點(diǎn)34、6，邊坡上層土體較中層土體遇水響應(yīng)更靈敏，位移量與其土體彈性模量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)聯(lián)。

6 邊坡極端降雨條件下穩(wěn)定性研究分析

采用同前節(jié)的極端降雨工況一、二進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析研究，采用軟件中SLOPE/W軟件包試算。降雨前后邊坡穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比分析如下表2。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比

工況

方法 Ordinary法 Bishop法 Janbu法 M-P法

天然狀態(tài) 1.571 1.572 1.535 1.576

工況一 1.214 1.221 1.235 1.214

工況二 1.232 1.210 1.230 1.203

由表格2分析可知，天然狀態(tài)下返嶺前邊坡整體的穩(wěn)定系數(shù)為1.57左右，綜合考慮現(xiàn)有邊坡的形態(tài)及物質(zhì)結(jié)構(gòu)等，認(rèn)為返嶺前邊坡的整體平衡狀態(tài)僅是保持著脆弱的穩(wěn)定狀態(tài)，在極端降雨條件下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)下降到1.2左右，增大了下滑的危險(xiǎn)性。

7 結(jié)論

本文利用有限元件Geo-studio軟件，探索極端降雨型邊坡在連續(xù)降雨加載條件下孔隙水壓力、位移場(chǎng)及穩(wěn)定性演化規(guī)律，并可以得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)降雨強(qiáng)度小于表層土體的滲透系數(shù)時(shí)，降雨量越大，浸潤(rùn)線向邊坡內(nèi)部運(yùn)動(dòng)速度越快，土體位移等參數(shù)響應(yīng)降雨量作用時(shí)間也越短；

（2）極端降雨條件下X方向位移響應(yīng)量較Y方向位移響應(yīng)量明顯，剪出口形成區(qū)域Y方向位移響應(yīng)量為正值，表明坡體在臨空面向上擠壓并剪出；

（3）坡體位移響應(yīng)量與其土體彈性模量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)聯(lián)，滲透系數(shù)較大的土體對(duì)極端降雨響應(yīng)更靈敏，其迥異源于土體飽和含水率、彈性模量等自身特征的差異；

（4）連續(xù)的極端降雨加載條件下，坡體自身因無法進(jìn)行有效的卸載，導(dǎo)致其穩(wěn)定性大大降低，所以極端降雨作用不僅是起到誘發(fā)作用，更重要的是對(duì)滑帶土起到浸潤(rùn)、軟化，加速滑動(dòng)及形成的作用，使滑坡發(fā)生提前到極端降雨后期或降雨期。

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作者簡(jiǎn)介

李增濤（1987-），男，工學(xué)碩士。主要從事邊坡災(zāi)害預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)與防治研究。

賀可強(qiáng)（1960-），男，教授，博導(dǎo)。主要從事地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)與防治研究。