強(qiáng)降雨環(huán)境下堆積層滑坡穩(wěn)定性研究

鄒 建

（貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

亞熱帶地區(qū)和熱帶地區(qū)的堆積層滑坡較多，強(qiáng)降雨環(huán)境下堆積層滑坡引發(fā)的自然災(zāi)害問(wèn)題較多，對(duì)人身安全及財(cái)產(chǎn)造成威脅。為了減少滑坡問(wèn)題帶來(lái)的影響，需要對(duì)強(qiáng)降雨環(huán)境下的堆積層滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，采取一些應(yīng)對(duì)措施做好防范工作。在進(jìn)行降雨滑坡穩(wěn)定性分析時(shí)，除了降雨入滲分析以外，還需要對(duì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深入探究。目前，GA模型（Green-Ampt模型）降雨滑坡穩(wěn)定性分析方法應(yīng)用較多，該模型雖然能夠反映雨水重分布狀況，分析降雨量對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成的影響，但是未能考慮濕潤(rùn)鋒以上飽和帶平行坡比表?xiàng)l件下引發(fā)滲漏而導(dǎo)致的水分流失問(wèn)題，且缺少降雨入滲導(dǎo)致的土體抗剪強(qiáng)度變化分析。為了彌補(bǔ)該模型存在的不足，該文嘗試提出新的滑坡降雨入滲模型研究，利用該模型分析堆積層滑坡穩(wěn)定性。

1 滑坡降雨入滲模型的構(gòu)建

1.1 模型假設(shè)

堆積層滑坡穩(wěn)定性分析，需要獲取滑坡降雨入滲信息，通過(guò)分析入滲特點(diǎn)，判斷滑坡穩(wěn)定性。通過(guò)整理大量文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降雨環(huán)境下，斜坡淺表層土體狀態(tài)發(fā)生改變，待其達(dá)到飽和狀態(tài)后，隨著降雨量的增加逐漸擴(kuò)展，該過(guò)程可以從2個(gè)方面進(jìn)行分析：1）飽和帶隨著雨水滲入補(bǔ)給的增加而逐漸擴(kuò)大。2）水力梯度、坡體幾何條件容易對(duì)滑坡降雨入滲造成較大影響，飽和帶水分沿著坡表向下的方向排出，以滲透力方式作用于滑坡?；谶@些分析，探究滑坡強(qiáng)降雨入滲過(guò)程，提出以下假設(shè)。1）滑坡結(jié)構(gòu)分為2個(gè)部分，均質(zhì)土體分布在上部，不透水基巖分布在下部。2）根據(jù)滑坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，坡表徑流環(huán)境下，坡面不會(huì)產(chǎn)生積水。3）土體含水率分布均勻，去除地下水作用指標(biāo)展開分析，基質(zhì)吸力水頭參數(shù)為固定值。4）沿著豎直向下的方向降雨，產(chǎn)生的強(qiáng)度不低于土體飽和滲透系數(shù)。

1.2 模型的構(gòu)建

滑坡非飽和土體受地表水滲入影響，導(dǎo)致表層土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。在該過(guò)程中，基質(zhì)吸力和重力的作用下，入滲持續(xù)期間，濕潤(rùn)鋒隨之向下擴(kuò)展。按照GA模型結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析表面傾斜邊坡結(jié)構(gòu)變化。表層土體受強(qiáng)降雨影響形成飽和帶，計(jì)算入滲速率，如公式（1）所示。

式中：為斜坡表面傾角；H為濕潤(rùn)鋒位置的基質(zhì)吸力水頭；λ為飽和滲透系數(shù)；為降雨入滲速度；D為沿著坡表垂直方向的濕潤(rùn)鋒深度。

由于降雨初期，表層土體沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)未產(chǎn)生濕潤(rùn)鋒。上述模型適用條件有限，待形成濕潤(rùn)鋒以后，或者表層土體達(dá)到飽和狀態(tài)后，才可以使用該模型進(jìn)行分析。為了較為全面地探究滑坡降雨入滲問(wèn)題，將入滲過(guò)程分為2個(gè)階段，分別是濕潤(rùn)鋒形成前階段、濕潤(rùn)鋒形成后階段。

與降雨強(qiáng)度相比，坡表土體雨水滲透能力更強(qiáng)，處于非飽和狀態(tài)，陰雨天氣所降雨水皆滲入土體。當(dāng)降雨持續(xù)一段時(shí)間達(dá)到臨界時(shí)刻t，便形成濕潤(rùn)鋒。假設(shè)降雨強(qiáng)度為q，根據(jù)入滲率與強(qiáng)度之間的關(guān)系，設(shè)定降雨入滲速率為cos。將這2個(gè)參數(shù)代入公式（1）中，得到關(guān)系式（2）。

式中：D為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的濕潤(rùn)鋒深度，為降雨強(qiáng)度。

假設(shè)t時(shí)刻降雨入滲累計(jì)量為Q，該參數(shù)計(jì)算公式如下。

式中：θ為土體天然體積含水率，θ為土體飽和體積含水率。按照質(zhì)量守恒定律，土體水分增加量與降雨量相等，由此可以推導(dǎo)臨界時(shí)刻的計(jì)算方法，如公式（4）所示。

滑坡表層土體達(dá)到飽和狀態(tài)的同時(shí)，部分區(qū)域產(chǎn)生表層徑流，這些區(qū)域雨水入滲能力不高于降雨強(qiáng)度。其中，關(guān)于表層入滲速率可以利用公式（1）展開計(jì)算。另外，水力梯度、斜坡幾何條件皆對(duì)雨水入滲性能造成一定影響，濕潤(rùn)鋒以上飽和帶水分沿著坡表向下的方向流動(dòng)，以坡腳作為雨水排出區(qū)域。以往關(guān)于斜坡降雨問(wèn)題的探究，利用GA模型展開分析。該研究方法缺少飽和帶與坡表層平行方向的降雨滲流問(wèn)題，這與實(shí)際情況不符。為了彌補(bǔ)GA模型的不足，本研究構(gòu)建了新的濕潤(rùn)鋒計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 GA模型與新模型濕潤(rùn)鋒的比較

將GA模型與新模型濕潤(rùn)鋒進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)模型關(guān)系，對(duì)濕潤(rùn)鋒形成后階段的降雨入滲采取補(bǔ)給處理。關(guān)于降雨入滲問(wèn)題的分析，可以利用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到降雨累計(jì)入滲量，參數(shù)計(jì)算公式如下。

累計(jì)降雨入滲量對(duì)時(shí)間展開求導(dǎo)計(jì)算，得到降雨入滲速率。采用求導(dǎo)計(jì)算方法，對(duì)公式（5）求導(dǎo)，所得結(jié)果代入公式（1）中。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，獲取濕潤(rùn)鋒速率。另外，考慮到飽和帶平行于坡表滲流，排除一些水分，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒深度減少。引入達(dá)西定律，分析濕潤(rùn)鋒減少速率和實(shí)際深度擴(kuò)展速率，對(duì)2個(gè)參數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算，將積分計(jì)算結(jié)果代入初始條件，獲取濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。由此可以推斷，土體性質(zhì)、滑坡幾何參數(shù)等多個(gè)因素與濕潤(rùn)鋒深度實(shí)際參數(shù)密切相關(guān)。與GA模型相比，新的濕潤(rùn)鋒模型能夠較為顯著地體現(xiàn)降雨入滲滑坡尺寸效應(yīng)。因此，該模型更貼合實(shí)際，可以作為滑坡穩(wěn)定性分析工具。

2 基于強(qiáng)降雨環(huán)境的堆積層滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 整體抗剪強(qiáng)度

該研究對(duì)持續(xù)降雨過(guò)程中滑坡穩(wěn)定性的分析，在土體抗剪強(qiáng)度基礎(chǔ)上，運(yùn)用極限平衡法求解。其中，強(qiáng)度的選取非常重要。

土體在天然環(huán)境中呈現(xiàn)非飽和狀態(tài)，按照相互獨(dú)立雙應(yīng)力狀態(tài)變量求解方法，計(jì)算該狀態(tài)的強(qiáng)度，如公式（6）所示。

式中：γ代表摩擦角，用于描述基質(zhì)吸力增加程度；代表總正應(yīng)力；F代表孔隙水壓力；F代表孔隙氣壓力；'代表有效內(nèi)摩擦角；'代表土體有效黏聚力；F-F代表基質(zhì)吸力。

正應(yīng)力與基質(zhì)吸力之間相互獨(dú)立，所以，該研究將黏聚力貢獻(xiàn)用基質(zhì)吸力來(lái)描述，由此對(duì)表觀黏聚力進(jìn)行定義，用基質(zhì)吸力貢獻(xiàn)與有效黏聚力之和描述?？紤]到滑坡土體的含水率在降雨過(guò)程中分布不均勻，加大了土體物料狀態(tài)分析難度。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，該研究用公式（7）描述抗剪強(qiáng)度。

式中：代表試驗(yàn)參數(shù)（通常取值3.4）；代表飽和層高度比，計(jì)算方法為=h/。其中，代表土體條塊高度；h代表沿著豎向的飽和層高度，計(jì)算方法為h=z/cos；c代表表觀黏聚力。

由此推斷整體土層抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式，如公式（8）所示。

2.2 模型穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算

關(guān)于穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，取一豎直土條塊作為分析對(duì)象，假設(shè)坡體滑面與表面處于平行狀態(tài)，受力情況如圖2所示。

圖2 土體條塊受力

其中，土條重力的計(jì)算如公式（9）所示。

式中：σ代表土體的飽和重度，代表天然重度，代表沿著坡表面方向的土條塊長(zhǎng)度。

土條塊受飽和帶水體滲透影響，沿著坡表面平行方向產(chǎn)生滲透力，該參數(shù)的求解公式如下。

式中：σ代表水重度。

假設(shè)穩(wěn)定性系數(shù)為Φ，利用該系數(shù)評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性。其中，Φ為抗滑力與下滑力的比值，通過(guò)計(jì)算Φ，分析土條塊受力情況。以下為系數(shù)Φ的計(jì)算公式。

式中：當(dāng)Φ＞1時(shí)，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Φ＜1時(shí)，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。利用該公式計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)，能夠獲取土體整體強(qiáng)度在降雨過(guò)程中發(fā)生的變化特征信息，可以將其作為土體滲透力分析參考依據(jù)，所得分析結(jié)論與實(shí)際情況更加貼合。

3 結(jié)果分析

3.1 降雨時(shí)間推移下的不同坡長(zhǎng)時(shí)濕潤(rùn)鋒深度變化規(guī)律

該研究在GA模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建斜坡強(qiáng)降雨入滲分析模型。該模型中融入了飽和帶平行坡表?xiàng)l件下的滲透作用，解決了邊坡長(zhǎng)度分析不足的問(wèn)題。本次測(cè)試設(shè)定滑坡模型的傾角為30°，厚度為3.9 m的粉質(zhì)黏土覆蓋在滑坡表面，各項(xiàng)參數(shù)分別如下。σ=19.4kN/m，=16.4kN/m，λ=110m/s，'=28°，=5kPa，H =50cm，θ=0.44，θ=0.14（F-F）tanγ=10kPa。取不同坡長(zhǎng)，計(jì)算降雨時(shí)間推移下的濕潤(rùn)鋒深度數(shù)值，分析其變化規(guī)律。其中，坡長(zhǎng)取值5 m、10 m、30m以及60 m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。本次統(tǒng)計(jì)以時(shí)間為0~10×10s的不同坡長(zhǎng)的濕潤(rùn)鋒深度作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，設(shè)定時(shí)間間隔為1×10s。

表1 降雨時(shí)間推移下的不同坡長(zhǎng)的濕潤(rùn)鋒深度變化

表1中，持續(xù)降雨過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒深度逐漸增加，并且隨著坡長(zhǎng)的增加數(shù)值逐漸變大。GA模型的濕潤(rùn)鋒深度從0.00 m增加至4.00 m，當(dāng)降雨時(shí)間不足4×10s時(shí)，濕潤(rùn)鋒深度增加幅度較大。當(dāng)降雨時(shí)間超出4×10s后，濕潤(rùn)鋒深度增加幅度發(fā)生變化較大，增加幅度先變大而后變小，再次變大。不同降雨時(shí)間為1×10s時(shí)，=5m條件下的濕潤(rùn)鋒深度最小，隨著降雨時(shí)間的推移，濕潤(rùn)鋒深度逐漸增加，但是小于其他取值條件下的濕潤(rùn)鋒深度數(shù)值。當(dāng)不同降雨時(shí)間超過(guò)2×10s后，=60m條件下的濕潤(rùn)鋒深度最大。從整體來(lái)看，滑坡的坡長(zhǎng)越小，濕潤(rùn)鋒擴(kuò)展受飽和帶滲流的影響越小，造成的影響作用逐漸增加。當(dāng)坡長(zhǎng)趨于無(wú)限大時(shí)，飽和帶滲流不考慮其中，可以簡(jiǎn)化該模型結(jié)構(gòu)，看作GA模型。相比之下，該模型的濕潤(rùn)鋒深度特性分析更加全面。

3.2 降雨時(shí)間推移下的不同方法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律

該研究以傳統(tǒng)分析方法、“整體強(qiáng)度+不考慮滲透力”分析方法作為參照，檢驗(yàn)該文提出的“整體強(qiáng)度+考慮滲透力”分析方法在穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律分析中的可靠性。關(guān)于不同方法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)在降雨時(shí)間推移下的變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。本次統(tǒng)計(jì)以時(shí)間為0~8×10s的不同方法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

表2 降雨時(shí)間推移下的不同方法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)變化

表2中，傳統(tǒng)方法應(yīng)用下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果幾乎沒(méi)有受到降雨時(shí)間推移的影響，隨著降雨時(shí)間的推移，穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度較小，從1.55下降至1.44，該變化現(xiàn)象與降雨邊坡穩(wěn)定性實(shí)際情況完全不符。在不考慮滲透力影響的情況下，分析滑坡整體強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)降雨滑坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，持續(xù)8×10s降雨，穩(wěn)定性系數(shù)從1.55下降至1.05。由此推斷，“整體強(qiáng)度+不考慮滲透力”方法應(yīng)用產(chǎn)生結(jié)果受降雨影響不是很顯著。而考慮滲透力影響的情況下，分析滑坡整體強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)獲取的降雨滑坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)受降雨影響較為顯著，持續(xù)8×10s降雨，穩(wěn)定性系數(shù)從1.55下降至0.65，穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況相符。因此，該研究構(gòu)建的“整體強(qiáng)度+考慮滲透力”模型可以作為滑坡穩(wěn)定性分析工具。

4 結(jié)語(yǔ)

該文圍繞強(qiáng)降雨環(huán)境下堆積層滑坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行探究，在GA模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建新的分析模型。將考慮滲透力影響、滑坡整體強(qiáng)度分析綜合到一起，優(yōu)化滑坡穩(wěn)定性模型。應(yīng)用結(jié)果表明，該模型不受滑坡坡長(zhǎng)限定影響，能夠較為全面地分析濕潤(rùn)鋒深度特性，并且計(jì)算所得降雨滑坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相符程度更高，可以作為滑坡穩(wěn)定性分析工具。