强降雨作用下某水库边坡稳定性分析与治理评价

潘苏锋，徐 康，张慧颖，黄海燕，严刘伟

(1.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

0 引言

降雨是很多滑坡甚至大型滑坡的直接诱发因素，尤其是强降雨引发的滑坡，频度最高[1]。中国南方雨水充足降雨时间长，这种条件为滑坡的形成提供了潜在条件。2008年北川县持续不断地强降雨造成多处山体产生滑坡，导致老县城一半以上被土体掩埋，造成了重大的经济损失。2013—2014年，凯羊高速公路在施工过程中，因降雨等因素先后诱发多次滑坡变形，引起二级大型滑坡。如何对降雨丰富的地区进行滑坡防治，对于研究人员来说既是难点也是热点，朱蕾等[2]以白家包滑坡为例采用数值模拟方法，得出降雨与库水位升降组合作用，水位下降速率越大，滑坡变形程度越大。孙云龙等[3]基于赤水河谷旅游公路K93+203～K93+496段在施工过程中发生的降雨诱发型滑坡，解释了边坡稳定性系数与强降雨时间有一定相关性，边坡失稳发生在不透水边界上。李光明等[4]利用FLAC3D软件研究滑坡加载前后边坡应力位移变化影响，并给出“应急工程先行，防止恶化；永久治理，不留后患”的加固处理方式，结果良好。张社荣等[5]基于ABAQUS软件实现渗流与应力耦合作用下的破坏接近度(FAI)评价方法，多角度综合探究强降雨特性对边坡失稳机制及稳定性的影响。汪磊等[6]采用GeoStudio数值模拟软件对不同的降雨条件和坡体初始水位进行模拟，得出部降雨和瞬态承压水的产生和发展对堆积层滑坡的产生有重要的影响作用，降低了坡体的稳定性。目前，对强降雨作用下混合抗滑措施是否有效可行、是否可以进一步优化问题还不能有效判断。因此本文结合现有研究成果，以某水库边坡为研究对象，利用有限元数值模拟计算软件对强降雨作用下滑坡稳定性以及设置抗滑装置后的加固效果进行数值模拟研究，为水库后续的安全运行和其他类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 地形地貌

某小型水库，控制流域径流面积6.6 km2，总库容为365.62万立方米。坝址分山岭最高2122.30～2054.88 m，河床高程1688～1723 m，河床及阶地宽4.20～4.50 m。左岸地形坡度为30°～45°，1729.43m高程以上地形坡度15°～25°。具体水库平面布置图见图1。

图1 水库平面布置图Fig.1 Layout plane map of the reservoir

滑坡区域出露地层的岩性，第四系冲洪积层(Qalp)，为灰褐色砂、卵、砾石夹漂石，砂粒充填，中密，厚度为1.20～1.80 m，主要分布在两岸支流冲沟及主河床。第四系残坡积层(Qeld)，为褐黄色粉质黏土、黏土夹碎石，厚度为1.8～2 m，分布于冲沟及河床两岸宽缓山坡。新元古界沧群九道河组(Pt3j)为灰岩，地层岩体较完整为中厚层状结构岩体，岩层产状210°∠35°～40°。

1.2 水文地质

研究区域地下水类型为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。第四系孔隙含水层分布于两岸山坡中上部，厚度较薄，中等透水。基岩裂隙水层分布于主河床及两岸一级阶地、各支流冲沟，厚度为1.2～1.8 m，强—中等透水，富水性中等—强。地下水受大气降水补给，经第四系孔隙含水层、基岩裂隙含水层，向河床及两岸冲沟、支流排泄。基岩岩体比较完整，岩体透水性弱，降雨形成的地下水主要以径流的形式在基岩表面流动。

研究区域处于中亚热带低纬山地季风气候区，具有冬春干燥、夏秋湿润、冬无严寒、夏无酷暑、干湿季分明的气候特点，多年平均降水量为1603 mm，最大降雨量为1834.2 mm，最小年降雨量为1459.3 mm。每年5月初进入雨季，至10月中旬，其中5—10月的降雨量占了全年雨量的87%。年平均降雨天数不少于220.4天，日降雨量大于6 mm的天数为57.2天，暴雨天为10天，大暴雨天为2天，最大日降雨量119.8 mm。根据当地统计的降雨资料，将降雨强度分为小雨、中雨、暴雨三个阶段，降雨强度分别为12 mm/d、23 mm/d、107 mm/d。由于本文研究强降雨条件下水库边坡稳定性，因此降雨强度取值107 m/d进行分析。

2 数值模拟结果分析

2.1 模型建立

模型利用三维建模软件，依据水库左岸边坡工程的平面布置图构建三维模型。该模型坡表地形坡向206°，坡脚33°～40°。模型内部边界条件依据岩土体特征确定，边坡表层分布第四系沉积物，通过对该边坡表层土体相关参数与降雨入渗深度的研究，对土层含水率变化产生影响的最大入渗深度是2 m，所以将该表层土体按照雨水渗透土层速度大小分为两层：表层土体0～1 m为第一层，该层土体为降雨接触砂土层；表层土体1～2 m为第二层，该层土体1～1.8 m为入渗砂土层，1.8～2 m为入渗黏土层。第四系沉积物下部为基岩体，岩石类型是灰岩，根据岩体风化程度不同将基岩体分为三层：第三层为基岩强分化岩层，岩层产状210°∠35°～40°；第四层为基岩弱风化岩层；第五层为基岩微风化岩层。

将水库左岸边坡地形图及岩土体特征参数导入Rhino软件，通过Grassshopper插件形成三维实体模型，然后利用Griddle软件对左岸边坡三维模型进行网格划分对模型进行网格划分，共划分单元37 491个，网格节点8063个，具体计算模型见图2。

2.2 参数条件取值

随着降雨量及降雨强度不断增加，雨水沿坡面渗入坡体内导致岩土体颗粒饱和度增大，一方面土体含水率变大使得坡体自重增加，导致坡体发生产生向下滑移；另一方面边坡土体滑面因雨水浸泡土体颗粒的内摩擦力以及黏聚力等导致物理参数不断降低，从而使得边坡土体的抗剪强度不断减小。通过以上分析，本次数值模拟将降雨工况下的数值模型简化，采用折减表层土体黏聚力(c)及内摩擦角(φ)的方式来建立降雨强度不断增大的边坡模型。通过实验得到折减后边坡表层土体物理力学参数见表1。

图2 边坡数值计算三维模型图Fig.2 Three-dimensional numerical calculation model of the slope

2.3 边界条件设置

根据边坡的实际情况对其边界条件进行合理的简化，以达到合理且便捷的目的。根据本次分析降雨工况下的稳定性分析，将水库模型在模拟软件默认条件下设置为不透水边界条件，通过命令apply quiet在模型的四周施加法向位移约束，在模型底部施加竖向位移约束。

表1 强降雨强度和持时条件下土层参数Table 1 Soil layer parameters under conditions of heavy rainfall intensity and duration

2.4 结果分析

图3是边坡在强暴雨条件下最大主应力和最小主应力分布图。根据模拟图3可知，边坡在强降雨条件下坡体内部应力均处于负值，由此可以反应内部不存在拉应力，第一主应力最大为-3.8 MPa，第三主应力最大为-2.1 MPa，最大应力主要集中在底部和中部小范围区域。应力的整体变化相对而言比较均匀，小部分出现应力的突变很大可能是这部分的土体处在土层交界处在雨水的浸泡下变得松散，在没有支护措施下容易产生位移。

图3 边坡最大主应力分布图(a)与最小主应力分布图(b)Fig.3 Maximum principal stress distribution map (a) and minimum principal stress distribution map of the slope (b)

图4a是边坡在强降雨条件下Z方向位移分布图，最大位移为0.28 m，此时的安全系数为1.08。最大位移主要分布边坡的中部，并且位移随边坡深度的变化而变小，由坡体内部向坡面的位移出现了很大幅度的增加，位移变化总趋势是由内向外逐渐增大。这说明在降雨过程中，边坡内部出现破坏的机率低于表层，表面土体出现破坏滑移状态情况会逐渐引起内部变化从而导致整体稳定性下降。图4b是强降雨条件下边坡塑性区分布图，表明水库左岸边坡表层土体塑性区域不断增多，塑性面积存在集中现象，贯穿滑坡体内部，主要集中在边坡中部偏下区域，且出现零星拉张的区域。

图4 Z向位移云图(a)与强降雨条件下塑性区分布图(b)

通过数值分析可知，在降雨渗流作用下，边坡体内的渗流强度不断加强，导致边坡土体孔隙水压力增大以至于有效应力不断减小，使得边坡岩土体可塑性不断增强。同时由于强降雨作用，大量无法渗透进边坡土体的雨水在坡体表层会形成地表径流，由于径流在边坡表面对护坡物质的冲刷作用，导致边坡表面发生破坏，从而促进了雨水的渗透强度，加速边坡的变形破坏。

综上，工程区的滑坡体处于失稳状态。在旱雨季分明的气候条件下，滑体岩土在旱季失水，表层孔隙、裂隙张开；在雨季因强降雨造成雨水沿孔隙、裂隙下渗，使滑体岩土饱水或含水量增大，致使滑体重量加大，下滑力增大，从而激发滑坡的形成。所以对该滑坡进行加固处理就显得很重要。

3 加固措施

边坡加固实质上是改变边坡的力学平衡条件，通过增大边坡的抗滑力和减少边坡的下滑力，来提高边坡的稳定性[7]。对于边坡加固的处理方式总体上分为直接加固法和间接加固法。直接加固法主要有挡墙、抗滑桩、锚索等，间接加固法主要有放缓边坡、注浆加固、防排水工程等。在顺层岩质边坡加固设计中，常常采取两种或多种加固方法混合使用，以确保边坡在建设期和运营期处于稳定状态。

通过对强降雨条件下边坡稳定性的相关分析后发现，该处边坡容易在表层土体发生滑移，土层交界处容易发生移动，特对该左岸边坡制定以下加固处理措施，对于浅层地表使用土钉加固，长度3 m，共布设土钉22根；深层土体使用锚杆加固，共布设锚杆13根，长度为30 m；同时表层土体使用不透水混凝土喷护加固。具体加固模型见图5。

图5 边坡加固模型图Fig.5 Slope reinforcement model diagram

根据规范要求，在边坡土体表层喷混凝土其强度一般工程不得低于C15，重要工程不低于C20，在此选取喷射混凝土C20喷射于边坡表面进行防护。土层参数见表1，同时结合相应的参考文献，锚杆、土钉及混凝土单元参数取值见表2。

表2 锚杆等参数取值Table 2 Values of anchor rod and other parameters

4 加固后稳定性分析

图6a是加固处理后最大主应力图，加固后边坡的内部应力分布明显变得复杂，主要因为加固措施改变了原有的应力场分布。图6b是加固后边坡最小主应力图，可以看出加固措施对最小主应力的影响不是很明显。同加固前相比，边坡内部均没有拉应力出现，基本上都是压应力为主。

图6 加固后最大主应力图(a)与最小主应力图(b)Fig.6 Maximum principal stress map (a) and minimum principal stress map after reinforcement (b)

由图7a可以明显看出加固后位移的分布变得均匀，并且明显有所减小。最大位移量降低为0.07 m，这种变化主要是因为抗滑装置在内部相对于土体产生滑移，抗滑装置为了抵抗滑移产生了抵抗力，从而进一步影响土体内部应力的分布，土体内部的应力重分布使得土体位移受到限制，土体处于一个相对稳定的状态，此时的安全系数变为1.11，说明治理措施起到了加固的作用。由图7b可知，加固后塑性区域变得比较均匀，有效的减少塑性区域贯穿坡体内部，塑性区主要集中在边坡表层中部及中部偏下区域，边坡表层塑性零星扩张区域大量减少，抗滑装置有效减少了坡体塑性区域的分布面积以及应力集中现象，表明加固效果明显。

图7 加固后Z向位移图(a)与塑性区分布图(b)Fig.7 Z-direction displacement map (a) and distribution map of plastic zone after reinforcement (b)

5 加固效果分析

在强降雨作用下，设置多种混合加固方式前后滑坡的最大竖向位移、塑性分布以及安全系数对比表见表3。由表3知，强降雨作用下，该滑坡体采用多种混合加固方式有效约束滑坡的滑动，减少竖向位移，塑性区域减少变形得到相应控制，滑坡加固后整体上是处于稳定的状态，加固效果比较明显。

表3 加固前后对比分析Table 3 Comparative analysis before and after reinforcement

综上，该边坡在失稳状态下通过多种加固方式混合使用，改变了坡体内部的应力分布，减少坡体应力集中，塑性区域分布面积大大减少。同时锚杆及土钉约束住了边坡的竖向位移，与治理前相比位移减少了0.2 m，加固方案合理可行，效果明显，满足工程实际要求。

6 结论

以某水库左岸边坡为研究对象，数值模拟计算为主要研究手段，在考虑抗滑装置与滑坡土体之间的相互作用的基础之上，对强降雨作用下滑坡体稳定性以及设置抗滑装置的加固效果进行研究。结果表明：强降雨作用下，滑坡体内部主要以压应力为主，不存在拉应力；滑坡产生的最大竖向位移为0.27 m，位于滑坡体的中下部；塑性区域面积存在集中现象贯穿滑坡体内部，安全系数为1.08，显示滑坡可能处于不稳定状态。设置抗滑装置加固处理后，滑坡产生的最大竖向位移相比设抗滑装置前滑坡滑动位移量明显减小，最大竖向位移为0.07 m，滑坡变形有效控制；塑性区域相比设置装置前，面积明显减少，应力集中明显减弱。此时安全系数提高为1.11，表明加固处理后，在强降雨作用下滑坡整体处于稳定状态，治理效果明显。

综上，在强降雨作用下，多种加固处理方式的结合使用对滑坡变形控制起到一定的防治作用，并且效果较明显。