降雨歷時對邊坡穩定性的影響

吳兵權 趙 鳴

(同濟大學建筑工程系，上海 200092）

降雨歷時對邊坡穩定性的影響

吳兵權 趙 鳴

(同濟大學建筑工程系，上海 200092）

本文以非飽和土力學理論為基礎，考慮了降雨入滲過程中的滲流-應力耦合過程，采用Geo-studio軟件對非飽和土邊坡進行數值模擬分析，得出不同降雨歷時對邊坡孔隙水壓力和位移的影響規律，以及邊坡穩定性系數的變化。該研究成果為正確認識降雨條件下滑坡發生的機理提供了科學依據，為降雨型滑坡的監測預警分析提供了基礎。

降雨歷時；有限元數值模擬；邊坡穩定性

1 引言

隨著國家經濟的快速發展，人類工程活動日益頻繁、規模日益增大，遇到的邊坡穩定問題也越來越突出，邊坡失穩形成滑坡、崩塌等地質災害，輕則增加投資、延長工期，重則摧毀建筑物、造成人員傷亡，目前，滑坡仍然是危害人們生命財產安全的主要災害之一[1]。大量事實表明，降雨是影響邊坡穩定性，導致滑坡發生的最主要的因素，因此，深入研究降雨條件下邊坡的變形和失穩規律對滑坡的防治具有重要意義。本文通過降雨條件下非飽和土邊坡的數值模擬分析，對不同降雨歷時影響下的邊坡基質吸力的變化、位移的變化、穩定性系數的變化進行綜合分析，得出降雨歷時對邊坡孔隙水壓力、位移以及邊坡穩定性系數的影響規律，為正確認識降雨條件下滑坡發生的機理提供了科學依據，對降雨型滑坡的監測預警分析提供了基礎。

2 數值模型

2.1 模型建立

考慮一均質粘性土邊坡，數值分析模型如圖1所示，建模時采用如下簡化和假設：

圖1 邊坡數值計算模型示意圖

（1）模型幾何尺寸：坡腳到左端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂到右端邊界的距離為坡高的2.5倍，上下邊界總高為2倍坡高，各工況采用的具體坡度和坡高數據見表2；

（2）初始地下水位線如圖所示；

（3）位移邊界條件為：邊坡兩側約束水平方向的位移，底部約束水平和豎直兩個方向的位移；

（4）降雨邊界條件為：當雨強小于土體滲透系數時，按流量邊界處理，大小等于降雨強度；當雨強大于土體滲透系數時，按水頭邊界處理，大小等于該節點的高程；

（5）模型底部為基巖，設為不透水邊界；

（6）邊坡兩側取為透水邊界，其流入和流出的總流量為零；

（7）為了對孔隙水壓力和位移變化進行研究分析，數值分析模型中設置了孔隙水壓力監測剖面和位移監測點，如圖1所示，孔隙水壓力監測剖面沿豎向設置，沿斜坡面設置水平位移監測點。

2.2 土體參數

在非飽和—飽和滲流分析中所采用的土水特征曲線及滲透系數曲線參考了前人的試驗數據[2-4]以及工程地質手冊[5]，繪制的曲線如圖2、3所示。土體重度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內摩擦角等參數如表1所示。

圖2 土水特征曲線

圖3 滲透系數曲線

表1 土體基本參數

2.3 計算分析方案

為了研究降雨歷時對邊坡變形和穩定的影響規律，本文進行了3種工況分析，具體見表2。

表2 計算分析方案及參數取值

1-2 45 15 14 20 5×10-68 60 45 15 14 20 5×10-68 80 1-3

3 分析結果及討論

3.1 監測剖面孔隙水壓力分析

在降雨過程中，隨著雨水從坡面逐步往里入滲，邊坡淺層土體基質吸力（負孔隙水壓力）逐漸減小，隨著時間的推延，影響范圍也逐步擴大，坡體表層土體形成了暫態飽和區，地下水位線上升，從圖4可以看出，降雨歷時越長，雨水入滲的深度越深，基質吸力受到影響的范圍逐步擴大。

圖4 監測剖面孔隙水壓力隨降雨歷時的變化

圖5 監測點水平位移隨降雨歷時的變化

圖6 峰值點水平位移隨降雨歷時的變化

圖7 穩定性系數隨降雨歷時的變化

3.2 監測點水平位移分析

在降雨過程中，邊坡的位移是逐步增長的，從圖5和圖6可以看出，位移的變化過程大體分為三個階段：第一階段為初始變形階段，降雨入滲時，邊坡土體受到降雨的影響，重度增加，基質吸力降低，抗剪強度降低，因此土體有一個啟動變形的趨勢；第二階段為穩定變形階段，土體變形趨于平穩，變形速率較低；第三階段為加速變形階段，隨著降雨時間的增長，土體抗剪強度繼續下降，開始出現塑性變形，變形速率急劇增長，甚至有可能發生破壞。隨著降雨時間的增長，邊坡土體變形從第一階段演變到第三階段，降雨40h時，邊坡的最大水平位移為10mm左右，此時邊坡處于穩定變形階段；降雨60h時，邊坡的最大水平位移為80mm左右，此時邊坡處于急劇變形階段，但相對而言，處于急劇變形階段的初期；降雨72h時，邊坡最大水平位移達220mm左右，處于急劇變形階段的后期，已瀕臨滑坡邊緣，降雨74h時，坡體發生滑坡。

3.3 邊坡穩定性系數分析

隨著降雨的進行，邊坡穩定性系數逐漸降低，邊坡穩定性系數的變化與位移的變化具有一致性。從圖7可以看出，降雨40h時，邊坡穩定性系數由初始的1.434降到1.368，降雨48h時，邊坡穩定性系數降到1.154，降雨72h時，穩定性系數降到1.034，降雨74h時，穩定性系數小于1，發生滑坡。

4 結論

本文在降雨入滲非飽和土邊坡的數值模擬分析中，對不同降雨歷時影響下的邊坡基質吸力的變化、位移的變化、穩定性系數的變化進行綜合分析，得出如下結論：

（1）隨著降雨歷時的增長，土體的基質吸力逐漸減小，邊坡位移增大，穩定性系數降低，降雨對邊坡的穩定性不利；

（2）邊坡土體水平位移與邊坡穩定性系數有很大的相關性，位移變化速率與穩定性系數的變化具有很好的一致性，當邊坡位移變化緩慢時，穩定性系數降低較小，邊坡處于穩定階段；當邊坡位移急劇增長時，穩定性系數急劇降低，發展下去則有可能達到臨界值，發生滑坡。在邊坡監測中可以有效利用邊坡土體的水平位移變化來進行滑坡預警。

[1]羅麗娟,趙法鎖.滑坡防治工程措施研究現狀與應用綜述[J]. 自然災害學報, 2009, 18(4):158-164.

[2]邱愛華.上海軟土彈塑性本構模型試驗研究[D]. 同濟大學, 2004.

[3]葉為民,白云,金麒,等.上海軟土土水特征的室內試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2006, 28(2):260-263.

[4]葉為民,錢麗鑫,白云,等.由土-水特征曲線預測上海非飽和軟土滲透系數[J].巖土工程學報, 2005, 27(11)

[5]常士驃,張蘇民,等.工程地質手冊（第四版）[M] .中國建筑工業出版社,2007.

TU714

B

1007-6344（2016）02-0242-01