降雨条件下胀缩性裂隙边坡稳定性研究

倪 俊，金在保，梅 岭，闫中蕾

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏镇江21200)(2.镇江市国土资源局，江苏镇江212003)

胀缩性裂隙边坡典型的特征是多裂隙性和胀缩性，裂隙构成的结构体和软弱结构面破坏了土体的结构并降低了土的强度.膨胀土边坡、黄土边坡和下蜀土边坡等都是常见的胀缩性裂隙土边坡.边坡经常会因为土的胀缩性和裂隙性引起边坡失稳并引发地质灾害，因此对胀缩性裂隙边坡稳定性研究引起了人们的高度重视.

国外学者基于渗流方程，利用有限元法和非饱和强度理论对雨水入渗条件下边坡稳定性进行了分析［1-2］.包承纲［3-4］等对影响膨胀土边坡稳定性的参数进行了研究.吴礼舟［5-6］等研究了吸力、强度分层和坡表裂隙对膨胀土边坡稳定性影响.裂隙在降雨入渗对边坡稳定性作用是增大了土体入渗边界;由于从裂隙侧壁向土体内部入渗，增大了开裂深度范围内土体的含水率，提高了土体地表(开裂深度范围内)的入渗率;为雨水的入渗提供了良好的通道.

文中以镇江市烈士陵园西侧边坡为例，基于非饱和土强度理论［7］、土水特征曲线［8］和渗透函数［9-10］，利用有限元方法研究了裂隙的位置、裂隙的深度、降雨的强度和降雨的持时对胀缩性裂隙边坡稳定的影响.为此类边坡的治理与预测提供了参考依据.

1 分析模型与计算工况

根据镇江市烈士陵园西侧边坡实际情况，使用GeoStudio有限元软件对边分渗流和稳定性进行分析.裂隙的成因分为原生裂隙和次生裂隙，次生裂隙深度浅，数量多于原生裂隙且容易贯穿土体形成浅层裂隙结构，浅层的渗透系数一般比原状土层大2～4个数量级［11］，所以文中研究了次生裂隙对边坡稳定性的影响作为一个典型代表，模型如图1.采用土的参数:左侧地下水位6 m，右侧地下水位4 m，裂隙间距取2 m，边坡表面风化层假设为等厚，厚度为4 m.本模型以典型的裂隙土边坡——膨胀土边坡为例，膨胀土饱和渗透系数取k1=0.21mm/h，风化层的渗透系数取k2=21mm/h，饱和体积含水量都为0.42，残余含水量为0.在降雨条件下，通过假定土体最初处于干燥状态，给定膨胀土一个渗透系数，通过渗透作用反映边坡的胀缩性.膨胀土边坡稳定分析时采用的抗剪强度指标见表1，所选取的计算工况见表2.

图1 边坡有限元基本模型(单位:m)Fig.1 Slope finite element model(unit:m)

表1 膨胀土抗剪强度指标Table 1 Shear strength index adopted by stability analysis of expansive soil slope

表2 计算工况Table 2 Calculation conditions

2 计算结果分析

2.1 裂隙位置对边坡稳定性影响

在降雨强度为2mm/h和裂隙深度为4.0 m条件下，取3种不同裂隙位置对边坡稳定性进行分析.图2为位置处于边坡坡顶、坡面和坡脚的孔隙水压力分布图，图3为不同裂隙位置条件下边坡稳定安全系数(Fs)与降雨持时(D)的关系.

从图2中可以看出，降雨一定时间后，不管裂隙位于何位置，裂隙及其周围土体的孔隙水压力变化迅速，等值线密集;远离裂隙的地方孔隙水压力分布基本不受裂隙位置的影响.

从图3中可以看出:在其他条件相同的情况下，裂隙位于坡面，稳定性最低，位于坡顶次之，位于坡脚偏于安全.

当裂隙位于坡顶，由于雨水沿坡顶裂隙渗入坡体内部到达裂缝底部，而裂隙底部土体及坡面土体无裂隙渗透性相对较差，此时雨水往坡面和更深处土体渗透受阻，从而形成沿裂隙底部的饱和区.随着降雨的持续，裂隙带饱和，由于膨胀土的膨胀作用，裂隙逐渐闭合，浸润线位置不再抬升.当裂隙位于坡顶时，由于坡脚的地下水位线距地表较近，在水压力的作用下使得雨水向坡面入渗，坡脚浸润线位置向坡面方向略有抬升.

当裂隙位于坡面，降雨一段时间后，坡脚浸润线位置抬升而且坡面裂隙底部出现薄层饱和区，导致坡脚坡面形成连通的饱和带，并且滑裂面多位于坡面，边坡稳定性最低.

当裂隙位于坡脚，由于坡脚的地下水位线距地表较近，坡脚浸润线位置会在水压力的作用下向坡面方向抬升，但坡面与坡脚相比渗透性差，雨水向坡面的入渗缓慢，降雨一段时间后，裂隙饱和，雨水不再继续入渗，仅在坡脚及坡面的下部出现饱和区，与裂隙位于坡面相比，稳定性较高.

图2 裂隙位于不同位置降雨6 d孔隙水压力分布Fig.2 Pore water pressure profile after 6 days of rain with crack in the different position

图3 裂隙位于不同位置边坡稳定安全系数与降雨持时的关系Fig.3 Relationship between safety factor and rainfallduration with crack in the different position

2.2 裂隙深度对边坡稳定性影响

为了研究裂隙深度对边坡稳定性的影响，在降雨强度为2mm/h和裂隙位于整个边坡表面条件下，利用有限元软件对裂隙深度为1.0，2.5和4.0 m这3种工况边坡稳定性进行分析计算.图4为不同裂隙深度下边坡稳定安全系数与降雨持时的关系.

从图4中可以看出:整个降雨过程中边坡稳定安全系数随着裂隙开裂深度增大而逐渐降低，即裂隙越深边坡稳定性越差.裂隙的存在破坏了土体的完整性，降低了边坡土体的强度，再加之裂隙为雨水入渗膨胀土土体提供了通道.随着裂隙深度的加深，渗流影响区域逐渐扩大，使相当深范围内的土体达到饱和状态，容易造成边坡的浅层滑动，根据前面所述，裂隙深度大体上就是危险滑裂面的下限.

图4 不同裂隙深度下边坡稳定安全系数与降雨持时的关系Fig.4 Relationship between safety factor and rainfallduration in the different crack depth

2.3 降雨强度对边坡稳定性影响

在裂隙深度为4.0m和裂隙位于整个边坡表面条件下，结合镇江地区实际降雨情况，选取了5种工况利用有限软件对边坡稳定性进行计算分析，其中0.2mm/h为小雨工况，1mm/h为中雨工况，2mm/h为大雨工况，8mm/h为暴雨工况，25mm/h为特大暴雨工况.图5为不同降雨强度下边坡稳定安全系数与降雨持时的关系.0.2，1，2，8mm/h降雨强度都小于风化层渗透系数，25mm/h为特大暴雨的情况下，降雨强度大于风化层渗透系数.

从图5中可以看出:当降雨强度为0.2mm/h时降雨6d边坡稳定安全系数仅下降了0.058，此时裂隙带仍未饱和，边坡稳定安全系数会随着降雨历时的增加继续降低，降雨6 d边坡仍处于稳定状态;降雨强度为2mm/h时降雨4d内边坡稳定系数急剧下降，超过4 d，稳定性不再降低;降雨强度为8mm/h时降雨24h内边坡稳定系数急剧下降，超过24h，稳定性不再降低;降雨强度为25mm/h时降雨12h内边坡稳定系数急剧下降，超过12h，稳定性不再降低;4d，24h，12h恰好分别是降雨强度为2，8和25mm/h裂隙带饱和的时间.因此，降雨强度主要影响裂隙带达到饱和的快慢.裂隙带饱和前，边坡稳定性随着降雨强度的增加显著降低，但随着降雨的持续，裂隙带逐渐饱和，一旦裂隙带饱和，降雨强度基本不再影响边坡的稳定性，但降雨量较大时不存在这种情况，此时安全系数大多小于1，边坡已丧失稳定性.

当降雨强度为1mm/h时，边坡稳定安全系数在4d内急剧下降，随着降雨的持续，边坡安全稳定系数降低幅度越来越小，最终边坡稳定安全系数不再降低.此时边坡最终安全系数大于1，边坡处于稳定状态.通过5种不同降雨强度对边坡稳定安全系数的影响分析，从中可以看出当降雨强度不大于1mm/h时，降雨会造成边坡安全系数的降低，但安全系数始终大于1，不会发生滑坡.也即对于本边坡，当降雨等级为小雨及小到中雨时，边坡是不会发生失稳的;当降雨等级进一步增大，边坡将失稳破坏，从而为边坡预警预报提供依据.

图5 不同降雨强度下边坡稳定安全系数与降雨持时的关系Fig.5 Relationship between safety factor and rainfall duration in the different rainfall intensity

3 结论

1)裂隙的位置对胀缩性裂隙边坡安全稳定系数有着重要的影响，降雨一定时间后，不管裂隙位于任何位置，只是裂隙及其周围土体的孔隙水压力变化迅速，等值线密集，远离裂隙的地方孔隙水压力分布基本不受裂隙位置的影响;在其他条件相同的情况下，当裂隙位于坡面时边坡稳定性最低，位于坡顶次之，位于坡脚偏于安全.

2)由于裂隙的存在为雨水入渗提供了通道并降低了土的强度，随着裂隙深度的加深，渗流影响区扩大并逐渐饱和，容易造成边坡的浅层滑动在降雨条件下，边坡裂隙深度越深边坡稳定性越差.

3)通过降雨强度与边坡稳定安全系数的动态分析，降雨强度越大，边坡稳定安全系数降低越快，裂隙带越快饱和.当裂隙带饱和时，随着降雨的持续边坡稳定安全系数基本不再降低.当降雨强度不大于1mm/h时，边坡安全系数始终大于1，边坡仍处于稳定状态.分析结果为边坡预警预报提供依据.

4)文中是针对某一特定的边坡，不同边坡土体的渗透系数在不同降雨条件下的稳定性规律还需进一步研究.

References)

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