強降雨條件下土質邊坡穩定性分析

徐瀏源，李登科，孟令博，張 彪

（黃河科技學院工學部，河南鄭州 450000）

0 引言

造成滑坡現象的因素多且復雜。因為暴雨或持續降水帶來的滑坡是最為普遍和頻繁的，因此水對滑坡的形成尤為重要。降水下滲是伴隨時長、空間變化特別敏銳的動態演化過程。降水的滲入與降水程度、降水時長、土質的滲入程度等多項原因有關。當降水強度比土質的滲入能力小，實際滲入量取決于降水程度，土坡含水量與降水程度呈正相關關系，最終穩定下來；當降水強度比土坡的滲入能力大，實際的滲入量取決于其自身的滲入性能。開始降水后土體邊坡會先在飽和區逸出點上呈現暫態飽和區，伴隨降水時長的增加，暫態飽和區域持續沿坡面擴大、延長，漸漸在整體坡面呈現一個“飽和殼”，且伴隨降水的增加往邊坡內部擴大，影響區域也漸漸增加，“飽和殼”也逐漸變厚。伴隨降水入滲增長，土質的含水程度提高，孔隙水壓力變大，從而土坡的基質吸力減小，土質的抗剪程度降低，進而造成邊坡的穩定程度的下降。

1 非飽和滲流邊坡穩定程度研究

1.1 非飽和土的抗剪性能

1977 年，加拿大的兩位專家提議用凈法向應力和基質吸力組成抗剪程度表達式。他們提出，非飽和土的抗剪程度由三個要素構成，分別為有效凝聚力、凈法向應力、基質吸力，如圖1所示。

圖1 非飽和土的抗剪性能

1.2 邊坡穩定的輕度折減法

強度折減指數理念開始是在土工彈塑性有限元數值研究時被考慮到，抗剪強度折減系數釋義為：在外荷載沒有變化的條件下，邊坡中土體能夠表現的最高抗剪強度和外荷載在邊坡中造成的真實剪應力之比，叫做強度儲備安全指數如圖2 所示。

圖2 強度儲備安全指數

2 實際工程分析

2.1 工程概述

所研究的工程居于四川省，具體在金沙江支流中都河出口段的岸邊，距離壩址有70.4km。此處順坡部分大約320m，土坡橫向寬340m，整體面積大致為10×10m2，坡體聚積體整體厚度大致為30m，體積大致為300×10m3。基巖邊坡為緩傾外的順向坡結構，由區內崩坡積物以及階地聚集物的散布狀況來說，此坡體是一崩坡聚積物與階地聚積物的滑坡，坡體構成要素一般是砂質粘土加碎石以及部分塊石。

2.2 計算模型及參數選取

根據邊坡的具體地質情況，借助ABAQUS 有限元軟件來構建滑坡參數模型，且添加網格，單元的數量統共是47410 個，網格節點統共是43350 個。在開展參數分析的時候，滑坡在降水發生改變的情況下，滲流的邊界狀態如下：①流量邊界：斜坡表面為降水帶來入滲的流量邊線，當降水程度比表面坡體的深入速率大的時候，把土體的入滲速率值當做邊界流量的數值；當降雨程度比表面坡體的入滲效率小的時候，把降水程度值當做邊界流量值。②兩側與底部滲流邊界：模型底部以及兩邊是自由入滲邊線，因為基巖的滲透性較小，所以可以將其當做不滲水邊界。

2.3 計算結果與研究

根據所記錄的最近幾年滑坡當地的降水量，此地區月最高降雨量大致是 304mm(7 月)、最低降水量是 0mm(12 月以及 1 月)，日最高降水量是94.7mm(同年8 月19 日)。從整體數據來看，這個地區的降水一般集中為每年的4 月到9 月，幾乎占同年降水量的85%，最大降水量發生于每年的7 月和8 月。根據這個降水量分布數值，將日最大降水量是94.7mm 當做研究條件，探究在這個最大降水背景下土地坰滑坡的穩定程度以及分析各種情況和在這個分析背景下選用強度折減方式獲得的滑坡體的安全指數。

經過研究可得，在排除基質吸力狀況下的安全系數減小程度比結合基質吸力條件下的減小程度要略微小一點，這種情況是由于在極限降水條件下非飽和土的比例伴隨降水時長的增加在漸漸變小，基質吸力的帶來的強度也在一步步減少。由對數據的研究中得知：在2h 降水強度是947mm 的時候，在非飽和范圍內，降水起始之后，土質邊坡最初在飽和區逸出點之上左右呈現出暫態飽和區，伴隨降水時長的增加，暫態飽和區域持續沿著坡面擴大、延展，沿著坡面中下區域的暫態飽和區表現較為顯著，且伴隨降水過程的持續往邊坡中部擴大，所影響的范圍也漸漸擴大，逐步在坡面呈現出以暫態飽和區組成的“飽和殼”。并且能夠發現，伴隨降水程度的減小，非飽和區的暫態飽和部分也開始一步步的變小，并且暫態飽和區的孔隙水壓力也開始逐漸的減小，從而相較于其他時刻的基質吸力也開始增長，強化土質的抗剪程度，提升邊坡的穩定程度。由其余數據的分析可得，伴隨單位時間內的降水量的增加，滑坡坡面的浸潤線變化就隨之變化顯著。當暴雨降水程度是94.7mm 時，滑坡的安全指數伴隨降水程度的提升而降低，在排除基質吸力的影響作用下，當降水的持續時長是2h，滑坡的安全指數大致是1.002，當暴雨持續的時長是24h，滑坡的安全系數提升大致1.100；若是結合基質吸力的作用，2h 土坡的安全指數是1.005，24h 的安全指數是1.205。

3 結語

降水入滲導致土體邊坡最初在飽和區逸出點之上左右呈現出暫態飽和區，并且暫態飽和區的范圍也逐漸變大，飽和區的厚度也在增長；在各種的降水程度的狀況下，暫態飽和區的范圍以及往邊坡里面擴大的厚度也各不相同，伴隨降水程度的增加，暫態飽和區的區域以及厚度也開始隨之增加。相反，降水程度變小的時候，暫態飽和區的區域以及厚度也就隨之下降，相應的安全系數也就有所提升，邊坡的安全程度也開始改善。

在劇烈降雨條件下，伴隨降水時長的增加，單位時長內的降水強度也就持續增加，滑坡體中的浸潤線浮動就更為顯著，基質吸力對其穩定程度的作用就比較明顯；在結合基質吸力狀態下的安全指數減少程度比排除基質吸力狀態下的減少程度要略為顯著。

在降水量一定的條件下，滑坡的安全系數伴隨降水程度的上升而下降；倘若排除基質吸力的因素，降水程度由94.7mm/24h 提高到94.7mm/2h，邊坡的安全系數也由1.100 下降至1.002；倘若結合基質吸力的作用因素，降水程度由9.47mm/24h 提高至94.7mm/2h，邊坡的安全系數也由 1.205 下降至 1.005。

因此在對邊坡展開整改以及治理時需要更多地考慮到邊坡的含水量，使邊坡保持在較為干燥的情況下，從而有利于邊坡保持其穩定狀態。