降雨入滲條件下非飽和黃土邊坡穩定性分析

侯鵬飛

（山西交通控股集團有限公司 運城南高速公路分公司，山西 運城 044000）

引言

作為全球三大自然災害之一，滑坡對社會造成的危害僅次于地震，它阻礙交通、摧毀建筑物以及威脅人民的生命財產安全。降雨對邊坡巖土體參數的影響，主要體現在巖土體重度增大、巖土體材料抗剪強度參數的降低、邊坡應力狀態的變化、坡面及坡體的滲流產生動水壓力等。在我國西北地區，黃土邊坡大量存在，黃土因具有十分復雜的土水特征及工程特性，其穩定性問題需引起關注。許多學者也已經對降雨對邊坡穩定性的影響展開了研究[1-3]，但研究重心主要集中在南方多雨條件下的黏土質邊坡，且現有邊坡設計一般是基于飽和土理論，因此對于非飽和狀態下的黃土邊坡在降雨入滲條件下的穩定性研究還有待進一步開展。

現階段對于邊坡穩定性分析的專業分析軟件非常多[4-6]，有從1977年投入市場Gro-Studio系列軟件，發展至今已成一整套完整的巖土工程模擬計算軟件，其中包括SEEP/W（地下滲流分析模塊）在內9個專業模塊，SEEP/W模塊、SLOPE/W模塊在邊坡工程的計算分析應用廣泛，有基于有限元的ANASYS、ABAQUS，基于離散法的PFC、基于有限差分法的FLAC，同樣還有在計算分析中最常見的Midas/GTS有限元分析軟件，它既可以進行考慮最終穩定狀態或者考慮時間效果的滲流分析，也可以將滲流分析得到的孔隙水壓力與應力耦合進行有效應力分析。

1 工程概況

邊坡土體調查取樣分析滲透參數為4.2×10-4cm/s，為非飽和土體，容重為21 kN/m3，飽和容重為23 kN/m3。通過直剪試驗測得土體的黏聚力及內摩擦角，力學參數見表1。

表1 黃土力學參數

分析降雨條件時不僅要考慮平均降雨量且應考慮短期強降雨的影響，根據我國降雨強度等級的劃分標準[7]以及當地歷年的降雨情況，分析不同的降雨強度時將工況分為小雨、中雨、大雨、暴雨4種工況，降雨量參數取值及征象特征見表2。

表2 降雨參數（mm/d）

2 有限元模型建立

采用摩爾庫倫模型，選擇Midas/GTS軟件中的滲流分析模塊及邊坡穩定性分析模塊（SRM）對該邊坡進行模擬分析。邊坡土體為非飽和黃土，土體勻質各向同性。邊坡高為16 m，只存在一級邊坡，高10 m，坡比為11.5。初始水頭荷載：左側邊界施加初始水頭H=10 m，右側邊界施加初始水頭H=4 m，模型尺寸見圖1。模型網格模型見圖2，網格劃分采取線性梯度與等分形式相結合方式，圖2中的作用在邊坡坡面的荷載為降雨荷載。

圖1 建模尺寸

圖2 邊坡模型網格

3 結果分析

3.1 不同降雨強度下的邊坡變形特性分析

降雨對邊坡的破壞主要體現在雨水順裂縫或裂隙入滲對邊坡內部受水化作用顯著部位的力學強度進行削弱，從而導致巖體失穩。因此對不同降雨強度下的邊坡變形特征展開分析，可為邊坡防治提供理論參考。采用有限元強度折減法，得到不同降雨強度下邊坡等效塑性變形及位移見圖3～圖4。

圖3 不同降雨強度下持續6 h邊坡等效塑性區云圖

分析圖3可以看出，隨著降雨強度的不斷變化，邊坡的等效塑性區分布范圍同樣發生了變化。在降雨持續時間為6 h前提下，隨著降雨強度不斷增大，邊坡等效塑性區面積在不斷增大，且不斷向坡腳處延伸。在小雨（5 mm/d）持續降雨6 h后，邊坡最大塑性應變值為0.36；在中雨（15 mm/d）持續降雨6 h后，邊坡最大塑性應變值變為0.67；大雨（35 mm/d）持續降雨6 h后，邊坡最大塑性應變值為0.74；暴雨（75 mm/d）邊坡的最大塑性應變值為0.86。可以發現隨著降雨強度的增大，邊坡最大塑性應變值也隨之增大。

圖4 不同降雨強度下持續6 h邊坡水平位移云圖

分析圖4可以看出，隨著降雨強度的增加，邊坡發生水平位移區域面積也發生擴大，且在小雨（5 mm/d）持續降雨6 h后，邊坡的最大水平位移值僅為7.57 mm，隨著降雨強度為中雨（15 mm/d）、大雨（35 mm/d）、暴雨（75 mm/d）持續降雨6 h，邊坡最大水平位移值分別增至13.68 mm、17.42 mm、20.83 mm，最大位移值均位于坡腳處。

3.2 不同降雨強度下邊坡水滲特性分析

因邊坡在水作用下發生失穩，在降雨過程中或者降雨后，因為雨水在滲入破壞面過程與降雨量大小以及巖土滲透性相關，因此降雨對邊坡穩定性影響具有時效性。不同強度降雨下邊坡穩定性，持續降雨6 h后邊坡巖體孔隙水壓力見圖5。

圖5 不同降雨強度下持續6 h邊坡孔隙水壓力分布

分析圖5可知：在邊坡初始孔隙水壓力分布與邊坡左右兩側初始水頭高度相關，與初始水位線趨勢基本一致。且初始水位線以上孔隙水壓力值均為負值，水位線以下孔隙水壓力均為正值。降雨后隨降雨強度逐漸增大，邊坡滲流場也隨之發生變化。空隙水壓力等值線分布隨降雨強度增加呈現較明顯的變化，這是因為隨著降雨入滲至坡面，受到自身重力作用，雨水沿著坡面向坡腳以及坡體內部滲流，孔隙水壓力等值線出現不斷下移情況。由圖5（a）可以看出，隨著降雨強度增大，坡腳處積水不斷增加，孔隙水壓力變化最為明顯。初始狀態下坡腳處孔隙水壓力值為13.42 kPa，隨著降雨強度為小雨（5 mm/d）、中雨（15 mm/d）、大雨（35 mm/d）、暴雨（75 mm/d）持續降雨6 h后，坡腳處的孔隙水壓力值分別變為16.70 kPa、18.21 kPa、19.61 kPa、19.62 kPa。分析發現該土體的滲透參數為4.2×10-4cm/s，在暴雨條件下，由于降雨強度大于土體的滲流系數，使得坡面形成暫態飽和，當土體在未達到飽和狀態時，降雨強度越大坡腳處孔隙水壓力越大，但隨著土體達到飽和狀態，坡腳處的孔隙水壓力值和基本不變，認為此時裂隙水對邊坡的作用基本穩定。

分析圖5（f）不同降雨強度下邊坡安全系數變化曲線可以發現，初始狀態下該邊坡安全系數為1.37，邊坡此時處于穩定狀態。隨著降雨強度的增大，邊坡表面土體體積含水率逐漸加大，邊坡土體的整體抗剪能力降低，邊坡安全系數在逐漸降低，小雨（5 mm/d）持續降雨6 h后安全系數降為1.33；在降雨強度從大雨（35 mm/d）增至暴雨（75 mm/d）時，邊坡安全系數從1.12減小為1.08，減小幅度較小。是因為坡面形成暫態飽和，但此時安全系數接近邊坡臨界穩定狀態時的安全系數，降雨強度或者降雨持續時間的進一步加大，邊坡都有發生失穩的危險。因此需考慮降雨入滲條件對該邊坡的穩定性影響，對受降雨影響最大的邊坡坡腳處設置排水管等措施能夠有效促進積水的排出。

4 結語

（1）在降雨持續時間為6 h的前提下，隨著降雨強度的不斷增大，邊坡等效塑性應變值及位移值也不斷增大，最大塑性應變為0.86，最大位移為20.83 mm，均位于邊坡坡腳處。（2）隨著降雨強度的不斷增大，孔隙水壓力等值線出現不斷下移，坡腳處因積水明顯孔隙水壓力不斷增大，坡腳處孔隙水壓力最大值為19.62 kPa。（3）邊坡安全系數隨著降雨強度的不斷增大逐漸降低；邊坡安全系數最小為1.08，接近邊坡臨界穩定狀態，因此需考慮降雨入滲條件對該邊坡的穩定性影響，對受降雨影響最大的邊坡坡腳處設置排水管以促進積水排出。