降雨條件下邊坡形態對穩定性的影響

魏 巍

(貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550005)

1 概述

影響邊坡穩定的因素較多，其中水對邊坡巖土體穩定性的影響是多方面的，且非常活躍，通常水會加速甚至誘發巖土體的變形與破壞[1]。據統計，90%土坡是因為水的原因導致失穩。巖土體中水的作用主要表現為：物理作用，諸如軟化和泥化作用、潤滑作用、結合水的強化作用等[2,3]；化學作用，如離子交換作用、水解作用、溶解作用、溶蝕作用、水化作用、氧化還原作用、滲透作用及沉淀作用等；力學效應，包括孔隙動水壓力作用和孔隙靜水壓力作用。物理作用和化學作用通常改變巖土的物質成分或結構，進而改變其粘聚力和內摩擦角[4]，孔隙靜水壓力作用能夠降低巖土體的有效應力，孔隙動水壓力能夠在巖土體中產生一個剪應力從而降低其抗剪強度[5]。以上三種作用在巖土體受力過程中相互耦合，產生復雜影響[6]。邊坡形態不同會引起局部滲透率不同，同時對邊坡破壞機理產生影響[7,8]。基于此，本文以貴州省財政學校新校區工程邊坡支護為例，模擬降雨對不同形態邊坡產生的影響。通過對比不同坡比及不同開挖寬度下孔隙水壓、水平位移、邊坡穩定性等方面，對降雨作用下工程地質條件相似的邊坡支護提供參考。

2 工程概況

2.1 邊坡形態及降雨特征

貴州省財政學校新校區位于清鎮市老胡寨北側，趙五寨東側，距老胡寨大約2 km，距趙五寨大約1 km。擬建的龍鳳大道與騰龍路從擬建項目場地東西兩側通過，場地交通方便。擬建校區內中部偏西南方向有山體，頂點高程1 349.8 m。邊坡總長233.9 m，最大高度33.9 m，屬超規范一級邊坡，分為DX段和XE兩段。邊坡巖體為強風化硅質砂泥巖及中風化灰巖。DX段邊坡上部采用1∶1放坡，下部采用擋墻支護；XE段上部分階放坡，坡率為1∶0.5，平臺寬度2 m。

2.2 滑坡物質結構及土體參數

經綜合分析后，確定c,φ,γ值，取值結果見表1。

表1 清鎮市老胡寨巖土計算參數統計表

3 數值模擬及結果分析

3.1 計算模型及土體參數

結合工程實例采用非飽和滲流有限元法結合折減強度進行模擬[8]，根據貴州省財政學校新校區邊坡情況設計并確定參數取值。

為了分析降雨入滲條件下，邊坡坡率對整體穩定性的影響，坡率為1∶1.5,1∶1,1∶0.75,1∶0.5下邊坡整體的穩定性(見圖1)。開挖后邊坡穩定性與開挖臺階寬度關系較大。如圖2所示，建立平臺寬度為4 m，8 m，12 m，16 m，20 m五組模型，其中AE面處于水面處，毛孔細水壓力為0。

3.2 模擬結果分析

3.2.1不同坡比的影響

為分析邊坡在不同坡比下降雨滲入條件對邊坡穩定性的影響，采用非飽和滲流有限元法結合折減強度模擬了坡比為1∶1.5,1∶1,1∶0.75和1∶0.5的四種邊坡在相同降雨條件下，邊坡的孔隙水壓力、流速矢量以及位移增量的變化趨勢。

降雨初期，雨水主要從坡頂、坡面處滲入；隨后雨水在向土體深處滲入的同時向坡腳處聚集。圖3為降雨20 h后四種邊坡的孔壓分布云圖。不同坡比下，邊坡土體的孔隙水壓力變化趨勢幾乎相同，說明不同坡比下的邊坡穩定性變化趨勢基本相同。

降雨20 h時邊坡流速矢量圖如圖4,圖5所示，降雨條件相同的情況下，不同坡比邊坡流速矢量變化相似。坡比越大時坡中降雨滲透率有較明顯的減小。坡率不同導致坡中接收雨水時折角不同，坡比較大會減小坡面實際接收到的降雨強度，間接影響坡中入滲率。坡比越大，坡中降雨入滲深度越淺，越容易形成表面徑流。

邊坡土體破壞的本質是剪應力大于土體本身所能承受的強度，在降雨入滲過程中，在水浸潤下粘聚力、內摩擦角等抗剪強度指標均減小，土體自重增加使下滑力增大。提取計算結束時的位移的總變化量，得到位移增量云圖來定性的分析位移變化趨勢及受損程度，如圖6,圖7所示。邊坡位移變化規律基本一致，均在坡腳處向臨空面水平位移最大，坡比越小坡腳處的水平位移相對較大；隨著坡比的增大，邊坡整體水平位移變大，坡面向臨空方向發展的水平位移量增大。

3.2.2不同平臺寬度的影響

邊坡的開挖平臺在一定程度上相當于減小邊坡高度從而達到提高邊坡穩定性的效果。然而，降雨條件下大平臺與坡頂處雨水入滲率均較大。為了研究不同平臺寬度在降雨入滲作用下對邊坡安全性的影響，在相同降雨條件下對平臺寬度分別為4 m，8 m，12 m，16 m和20 m的四種邊坡進行降雨入滲分析，采用折減系數法計算邊坡安全系數。

不考慮裂縫入滲，圖8，圖9為降雨30 h平臺寬度為8 m和12 m時的孔壓云圖，當平臺寬度較大時，平臺表面孔隙水壓力小于其深層孔壓。這是由于隨降雨量不斷增加，坡面雨水匯入使平臺處容易形成積水層雨水入滲率較快，坡腳處入滲速率比平臺處更快，地表水經過該處入滲至坡體內部，導致邊坡平臺處寬度為16 m比8 m的孔壓更高，土體發生軟化基質吸力降低、抗剪能力降低。隨著入滲深度逐漸增加，飽和土體的區范圍向邊坡內部擴散，當飽和區面積積累到一定程度后邊坡發生破壞。

邊坡不同寬度的開挖平臺，均使平臺上部體積減小自重荷載減輕，平臺下坡腳處受邊坡荷載相對減小，坡腳和坡面處的位移均減小。開挖平臺寬度8 m的邊坡在降雨72 h后的位移增量云圖如圖10所示，開挖平臺上部坡面處水平位移相比未設平臺變化較小，坡腳處出現應力集中導致局部變形量較大，如圖11所示。

在邊坡破壞過程中，坡腳處先發生局部剪切變形，隨后向上發展逐漸擴大成連續的破壞面。開挖平臺處土體減少，使局部應力得到釋放，阻礙塑性區發展，增強邊坡穩定性。在不考慮降雨影響時，開挖平臺對下部坡體的穩定性有積極影響并阻礙連續破壞面的形成。考慮降雨入滲時，平臺處雨水易沿平臺上部坡腳處入滲，土體抗剪強度降低，加劇上部坡腳的破壞程度。當平臺距邊坡坡腳較近時，平臺下部自重減輕量大，但平臺上部坡腳處破壞加劇對穩定不利。在考慮降雨影響時，應控制平臺位置高于正常開挖位置，減弱上部坡腳的破壞程度。此外，開挖平臺處應做好排水措施，避免雨水大量滲入。

3.2.3安全系數

通過對不同坡比和平臺寬度下，降雨和未降雨條件下邊坡安全系數，分析坡比、平臺寬度在降雨時對邊坡的影響，為多雨地區邊坡支護提供參考。邊坡的安全系數隨坡比增大呈現線性遞減，坡比越大，降雨對邊坡的影響越大，安全系數下降比例越大。不考慮降雨影響時，邊坡的安全系數隨開挖平臺寬度增加呈線性正相關遞增。在考慮降雨入滲情況下，當平臺寬度增大到一定程度后，由于平臺處入滲率較高，更多地表水從該處入滲至坡體內部，平臺下部土體自重增大且抗剪能力降低。這使開挖寬度增大時邊坡安全系數的增長率降低(見圖12，圖13)。

4 結語

本文以貴州省財政學校新校區工程邊坡為研究背景，建立降雨入滲條件下邊坡數值模型，分析邊坡形態對入滲機理和邊坡穩定的影響，可為降雨作用下工程地質條件相似的邊坡支護提供參考。

隨坡比增大，邊坡整體向臨空方向的水平位移量增大，穩定性降低。降雨條件下，坡頂的入滲速率大于坡中入滲速率。坡比越大坡中的入滲速率越小，入滲深度越淺，易形成表面徑流。

邊坡開挖平臺可減弱坡腳處的破壞變形，有效釋放坡中局部應力，阻礙塑性區的發展，有效提高邊坡穩定性，增大整體安全系數。非降雨條件下，增大臺階寬度可線性提高安全系數；降雨作用下，平臺寬度越寬安全系數提升幅度越小。