連續(xù)強(qiáng)降雨對邊坡穩(wěn)定性影響分析

郝付軍　武電坤（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院；中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司）

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連續(xù)強(qiáng)降雨對邊坡穩(wěn)定性影響分析

郝付軍1武電坤2
（1陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司）

【摘要】降雨是誘發(fā)邊坡破壞的重要因素之一，在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下，降雨入滲導(dǎo)致邊坡的孔隙水壓力及基質(zhì)吸力的減小，地下水位線的抬升，水與邊坡結(jié)構(gòu)的相互作用，會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。基于邊坡分析的飽和—非飽和理論和邊坡穩(wěn)定性理論，運用Geo-studio軟件模擬了3d時間內(nèi)連續(xù)強(qiáng)降雨300mm情況下湖北武漢某隧道出口處邊坡孔隙水壓力和安全系數(shù)的變化特征，預(yù)測了邊坡的穩(wěn)定性變化情況。強(qiáng)降雨引起邊坡的剪切力強(qiáng)度減小，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低，應(yīng)采取防護(hù)和加固措施避免強(qiáng)降雨引起邊坡發(fā)生破壞。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)強(qiáng)降雨；邊坡；飽和-非飽和理論；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬

1　引言

近年來，邊坡的穩(wěn)定性評價漸漸地成為了巖土工程研究的基本問題之一，尤其是在眾多邊坡失穩(wěn)等自然災(zāi)害的發(fā)生之后，其得到了廣泛的關(guān)注，目前邊坡穩(wěn)定性分析已成為巖土工程中重要的研究方向［1-3］。邊坡失穩(wěn)不僅給人民的安居樂業(yè)造成了極大的威脅，而且增加工程單位的建設(shè)費用和國家的投入。降雨是造成邊坡破壞的一個重要因素［4］，我國幅員遼闊，各類邊坡眾多，連續(xù)強(qiáng)降雨產(chǎn)生的邊坡破壞數(shù)量大、破壞嚴(yán)重。研究強(qiáng)降雨作用下邊坡的破壞規(guī)律和防治措施是非常有必要的。當(dāng)前研究降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響主要理論依據(jù)是飽和-非飽和土理論、邊坡穩(wěn)定性理論。本文運用Geo-studio模擬了連續(xù)強(qiáng)降雨作用下邊坡的降雨入滲規(guī)律和穩(wěn)定性分析，探討其規(guī)律，查找治理和防護(hù)措施，為預(yù)防此類條件下邊坡失穩(wěn)提供科學(xué)的預(yù)防措施。

2　邊坡穩(wěn)定性分析理論

邊坡處于飽和-非飽和狀態(tài)時，在地下水位線以上存在著負(fù)孔隙水壓力即基質(zhì)吸力，降雨作用會改變地下水位線和基質(zhì)吸力，從而影響坡邊坡的抗剪強(qiáng)度。考慮到基質(zhì)吸力對土體的抗剪強(qiáng)度及滑坡的安全系數(shù)有很大的影響，F(xiàn)redlund［4］提出了基于飽和-非飽和狀態(tài)下的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，給出了剪應(yīng)力τ和抗剪強(qiáng)度τf的表達(dá)公式：

根據(jù)極限平衡原理，根據(jù)以上三式可得到滑坡的安全系數(shù)公式：

用條分法分析時考慮力的平衡可以得到滑坡的安全系數(shù)計算公式為：

式中：

β——條塊基地的長度；

α——條塊底邊切線與水平方向的夾角；

N——條塊底部的法向離；

kW——條塊形心上受到的水平地震荷載；

D——線荷載；

ω——線荷載與水平方向的夾角；

A——外部施加的水壓力。

3　工程應(yīng)用分析

3.1邊坡地質(zhì)狀況

湖北省武漢市某隧道的出口處為一邊坡，邊坡的左邊界最高點的高程是39.5m，右邊界最高點的高程是30.75m，邊坡的地寬是20.4m，邊坡總體較陡。邊坡地質(zhì)情況見圖1。

圖1　邊坡地質(zhì)剖面圖

由圖1可知，邊坡主要存在兩層土體，上層為含碎石粉質(zhì)粘土，下層為紅粘土。上層土體的最大埋深是14.0m，主要分布在邊坡的后壁，前緣分布較少，下層土體埋深較深，厚度較小，厚度都在3.0m左右。由于上層是含碎石的粉質(zhì)粘土，所以其孔隙率比較大，方便雨水的入滲，為強(qiáng)降雨的條件下邊坡的破壞埋下隱患，圖中藍(lán)線表示地下水位線的分布情況。

湖北省武漢市屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、氣候溫和、雨量充沛的氣候特征。冬夏溫差大，歷年7月份氣溫最高，平均氣溫為28.8℃～31.4℃，極端最高氣溫41.3℃（1934.8.10），歷年最低氣溫為1月，平均為2.6℃～4.6℃，極端最低氣溫-18.1℃（1977年11月30日）。每年7、8、9月為高溫期，12月至翌年2月為低溫期，并有霜凍和降雪發(fā)生。

本區(qū)域雨量充沛，氣候濕潤，多年平均降雨量1261.2mm，降雨一般集中在6～8月，約占全年降雨量的41%。最大年降雨量2107.1mm，最大日降雨量317.4mm （1959.6.9），平均器皿蒸發(fā)量為1447.9mm，絕對濕度年平均為16.4毫巴，濕度系數(shù)為0.90，大氣影響急劇深度為1.35m。

3.2數(shù)值模型分析

3.2.1數(shù)值計算模型

通過分析邊坡情況和研究需要，在Geo-studio中建立邊坡模型，如圖2所示，本邊坡模型共計1158個節(jié)點，1110個單元。

3.2.2邊界條件

為了真實的表現(xiàn)邊坡內(nèi)部地下水位的情況，模型的地下水位線，采取多點分段的方法，左邊界總水頭設(shè)置為0.4m，坡體內(nèi)部內(nèi)部點的總水頭分別為5.6m，右邊界的總水頭為6.2m，如圖2紅虛線所示。

由于兩層土體都存在非飽和狀態(tài)，所以兩層土體都設(shè)置為飽和-非飽和狀態(tài)。水位線以上左右邊界設(shè)置為自由流動面。滑坡表面設(shè)置為隨降雨入滲變化的流量邊界條件來表現(xiàn)真實的降雨情況。

3.2.3降雨量和降雨時間

查詢武漢市的降雨條件可知最大的短期降雨量在300mm以上，為了真實地反映邊坡的穩(wěn)定性，采取降雨3d共300mm的強(qiáng)降雨作為模擬計算的降雨時間和降雨量。

圖2　邊坡模型

3.3降雨入滲分析

由地質(zhì)剖面圖可知，兩層土體都有非飽和區(qū)域，通過室內(nèi)試驗測得兩層土體的飽和滲透系數(shù)和飽和含水率如表1所示，調(diào)用seep模塊中自帶土水特征曲線模擬土體的土水特征曲線。

表1　土體的飽和滲透系數(shù)和飽和含水率

3.3.1孔隙水壓力變化情況

在3d的降雨過程中，土體中孔隙水壓力變化情況如圖3所示。

從圖3可以的得知，在3d的強(qiáng)降雨作用下邊坡的孔隙水壓力有所下降，并且在坡體的表面存在一定量的積水。在0～1d坡體的浸濕線推移比較快，同時坡體的孔隙水壓力變化也比較大；在1d～3d坡體的表面形成了飽和區(qū)并且隨時間的推移飽和區(qū)的面積越來越大，尤其是在坡角處積水較多，坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化速度減慢。

產(chǎn)生這個原因主要是在降雨前期土體比較干燥，降雨可以快速入滲所以土體的孔隙水壓力變化很明顯，但是由于上層土體的入滲速率比較小，所以后期降雨入滲變慢同時會在坡體表面產(chǎn)生飽和區(qū)，在重力的作用下飽和區(qū)會向邊坡的坡角移動。所以為了防止隨坡體中積水的增加土體的重度增加，導(dǎo)致邊坡的下滑力增大，在邊坡治理和預(yù)防滑坡時必須設(shè)置排水溝將坡體表面的積水及時的排出。

圖3　邊坡在0d、0.5d、1d、1.5d、2d、3d時刻孔隙水壓力分布情況

3.3.2地下水位線變化情況

為了準(zhǔn)確的反應(yīng)地下水位線的變化情況，選取地下水位線變化最明顯的744點的孔隙水壓力的變化來從數(shù)據(jù)上反映地下水位線的抬升如圖4所示：

圖4　744點孔隙水壓力-時間的曲線關(guān)系

從圖4可以得到，經(jīng)過3d天強(qiáng)降雨作用，744點孔隙水壓力變化了3.2kp，轉(zhuǎn)化為水頭為0.317m水頭，地下水位線的抬升還是很明顯的，從而也影響了坡體內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力即基質(zhì)吸力的變化情況。

4　滑坡穩(wěn)定性分析

采取采用Geo-studio的seep得到孔隙水壓力值導(dǎo)入到slope中計算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs。通過室內(nèi)試驗可以得到各土層的物理力學(xué)參數(shù)［5］如表2所示：

表2　邊坡穩(wěn)定性分析的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

經(jīng)歷3d共300mm的強(qiáng)降雨作用下，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)如表3所示：

表3　各種計算法下穩(wěn)定性安全系數(shù)

從表中的安全系數(shù)可以得到，無論采用當(dāng)前常用邊坡分析的那種方法，此邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低值都在0.2左右，并且從穩(wěn)定狀態(tài)（大于1）變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)（小于1），所以必須采取治理措施才能保證邊坡的穩(wěn)定性。

5　結(jié)論及建議

本文以武漢某隧道出口邊坡為工程實例，在邊坡的基本勘察報告的基礎(chǔ)之上，通過運用數(shù)值模擬的方法得到在連續(xù)強(qiáng)降雨的作用下邊坡的孔隙水壓力變化，并采用多種方法計算了邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，表明邊坡有可能發(fā)生失穩(wěn)，并得到了以下結(jié)論：

⑴在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下邊坡的孔隙水壓力會發(fā)生變化，但是隨著時間的增長由于土體的入滲速率有限導(dǎo)致后期的變化變緩，從而也導(dǎo)致了邊坡的變面會產(chǎn)生積水在坡體中產(chǎn)生飽和區(qū)增加了土體的重度不利于邊坡的穩(wěn)定；

⑵連續(xù)的強(qiáng)降雨也會導(dǎo)致地下水位線的抬升影響負(fù)孔隙水壓力即基質(zhì)吸力的減少，導(dǎo)致邊坡的抗剪強(qiáng)度降低從而降低邊坡的穩(wěn)定性；

⑶在邊坡的治理時尤其是在降雨比較充足的地區(qū)必須考慮到降雨對邊坡的影響，為了保證邊坡的穩(wěn)定性，建議可以采取坡面安置排水溝及時排出表面的積水避免在坡體中形成飽和區(qū)增加土體的重度，同時可以也可以在坡體中打錨索增加其抗剪強(qiáng)度和在坡體表面噴射混凝土阻止雨水的滲入影響邊坡的穩(wěn)定性。●

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