強降雨條件下非飽和土邊坡穩定性研究

華月新

(惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司，廣東 惠州 516003)

滑坡是指在一定地形地質條件下，由于外界條件發生變化，導致原狀邊坡土體應力場發生改變，破壞了原有的力學平衡條件，使邊坡在自重和其他荷載聯合作用下，沿滑裂面突發性地向下移動[1-3]。我國幅員遼闊，約2/3為山地，受地質構造和氣候條件的影響，每年發生滑坡災害數以萬計，西南地區尤為嚴重，給人民群眾的生命財產安全造成巨大損失，降雨條件下邊坡穩定性分析已成為工程界研究的熱點問題[4]。近年來，隨著我國基礎設施建設的快步推進，其施工過程往往不可避免地對原狀邊坡產生擾動，在遭遇降雨等不利因素影響時，極易導致滑坡災害的發生，因此有必要對降雨條件下的邊坡穩定性分析開展研究[5-7]。本文以均質土坡為例，考慮降雨入滲對邊坡應力場的影響，采用有限元強度折減法，對邊坡進行穩定性分析，對不同降雨條件下邊坡安全系數的變化規律進行研究，研究結果可為邊坡抗滑穩定分析與設計提供參考。

1 計算理論與方法

1.1 流固耦合模型

利用Galerkin 有限元方法，離散節點孔壓和位移，可得流固耦合控制方程[8]：

(1)

1.2 飽和非飽和理論

降雨在非飽和土中滲流滿足質量守恒方程，以達西定律為基礎，結合滲流過程中流體質量守恒，推導出以基質勢為因變量的滲流控制方程[9]：

(2)

(3)

式中：kx、ky分別為X、Y方向的滲透系數；h為基質勢；ρw為水的密度；g為重力加速度；mw為比水容重。

1.3 強度折減理論

強度折減法主要思想是將原始土體的強度參數c和φ按照一定比例進行折減，將折減后的強度參數作為新的材料輸入進行計算。以此類推，直到邊坡塑性區貫通或坡頂相對位移急劇增大時停止，此時折減系數即為邊坡安全系數Ks。基于摩爾庫倫模型強度折減公式為[10]：

tanφ′=tanφ/k

(4)

c′=c/k

(5)

式中：k為強度折減系數；c、φ為土體實際抗剪強度指標；c′、φ′為折減后的強度參數。

2 降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩定性分析

2.1 有限元計算模型

強降雨入滲條件下，邊坡土體快速由非飽和狀態進入飽和狀態，相應區域孔隙水壓力會急劇升高，同時抗剪強度會有所降低，瞬態滲流場和應力場耦合作用下，邊坡更容易發生失穩破壞。本文針對以均值土坡為例，對不同降雨條件下邊坡安全系數的變化規律進行研究。邊坡有限元模型見圖1，A、B、C分別為坡頂、坡中和坡腳處3個位移觀測點。邊坡坡角45°，坡腳長15 m, 坡頂長25 m, 高度25 m，初始水位位于坡腳處。模型共劃分1 585個單元和1 687個節點，采用ABAQUS孔壓應力耦合CPE4P單元模擬。初始應力場為地下水和自重引起的應力場。土體彈性模量為200 MPa，泊松比0.3，密度為1 300 kg/m3。凝聚力為19 kPa，摩擦角為27°，滲透系數為0.44E-6 m/s。土體孔壓和滲透折減系數隨飽和度變化見圖2。

圖1 二維邊坡模型

圖2 孔壓和滲透系數隨飽和度變化曲線

2.2 不同降雨持時對邊坡穩定性影響

為研究不同降雨持時對邊坡穩定性影響，取雨強為20 mm/h，分別設置降雨持時0、10、20、30、40、50、60和70 h共8種工況，用有限元強度折減法對不同工況下邊坡穩定性進行分析。圖3為降雨持時分別為0、30和60 h 3種工況下的邊坡孔隙水壓力分布云圖。從圖3中可以看出，3種工況下，邊坡孔隙水壓力最大值分別為150、157.5和167.7 kPa，最小值分別為-250、-59.7和-53.5 kPa。隨著降雨持時的增加，邊坡孔隙水壓力逐漸增大，其中邊坡上部負孔隙水壓力在降雨初期變化顯著，隨著降雨時間增加則趨于穩定。

圖3 孔隙水壓力分布云圖(不同降雨持時)

圖4為3種工況下的邊坡飽和度分布云圖。從圖4中可以看出，3種工況下，邊坡飽和度最小值分別為0.08、0.091和0.101。隨著降雨持時的增加，邊坡土體飽和度呈上升趨勢。對比3種工況下飽和度云圖可以發現，隨著降雨持時增加，邊坡下部土體逐漸趨于飽和，上部非飽和土體部分區域逐漸縮小。

圖4 邊坡飽和度分布云圖(不同降雨持時)

圖5為邊坡觀測點水平向位移隨降雨持時變化曲線。從圖5中可以看出，其水平向位移隨觀測點高程增加而增大。在降雨0～5 h以內，A、B兩觀測點位移隨降雨持時變化較為陡峭。這是由于在降雨初期，邊坡上部土體孔隙水壓力變化較大；隨著降雨持時增加，邊坡上部土體孔隙水壓力逐漸趨于穩定。當降雨持時達到30 h左右時，3個觀測點水平向位移變化速率均發生明顯變化。圖6為邊坡安全系數隨降雨持時變化曲線。從圖6中可以看出，在降雨0～10 h以內，邊坡安全系數降低較快。當降雨持時大于10 h時，邊坡安全系數隨降雨持時增加線性變化。

圖5 觀測點水平向位移隨降雨持時變化曲線

圖6 邊坡安全系數隨降雨持時變化曲線

為研究不同降雨強度對邊坡穩定性影響，設置降雨持時30 h，分別設置降雨強度5、10、15、20、25、30和35 mm/h 7種工況，對邊坡穩定性進行分析。圖7為降雨強度分別為5、20和35 mm/h 3種工況下的邊坡孔隙水壓力分布云圖。從圖7中可以看出，3種工況下，邊坡孔隙水壓力最大值分別為152.7、157.5和162.9 kPa，最小值分別為-206.7、-59.7和-50.6 kPa。隨著降雨強度的增加，邊坡孔隙水壓力逐漸增大，其中邊坡上部負孔隙水壓力隨著降雨強度增加變化速率由大到小。

圖7 孔隙水壓力分布云圖(不同降雨強度)

圖8為3種工況下的邊坡飽和度分布云圖。從圖8中可以看出，3種工況下，邊坡飽和度最小值分別為0.08、0.091和0.106。隨著降雨持時的增加，邊坡土體飽和度呈上升趨勢。對比3種工況下飽和度云圖可以發現，隨著降雨強度增加，邊坡下部土體逐漸趨于飽和，上部非飽和土體部分區域逐漸縮小。

圖8 邊坡飽和度分布云圖(不同降雨強度)

圖9為不同降雨強度下邊坡觀測點水平向位移隨降雨持時變化曲線。從圖9中可以看出，其水平向位移隨降雨強度增加而增大。對比3種工況下位移變化速率可知，邊坡位移變化速率隨降雨強度增加而不斷增大。圖10為邊坡安全系數隨降雨強度變化曲線。總體來看，邊坡安全系數隨降雨強度增加而逐漸減小，兩者呈線性變化。

圖9 不同降雨強度下邊坡觀測點水平向位移隨降雨持時變化曲線

圖10 邊坡安全系數隨降雨強度變化曲線

3 結 語

本文基于非飽和土體理論，并結合有限元強度折減法，對不同降雨持時和降雨強度作用下的邊坡穩定性進行研究。研究結果表明，在強降雨條件下，邊坡上部負孔隙水壓力在降雨初期變化顯著，隨著降雨時間增加則趨于穩定。在降雨0～5 h以內，邊坡土體上部位移速率較大。在降雨0～10 h以內，邊坡安全系數降低較快。當降雨持時大于10 h時，邊坡安全系數隨降雨持時增加線性變化。隨著降雨強度增加，邊坡位移變化速率隨逐漸增大。總體來看，邊坡安全系數隨降雨強度增加而逐漸減小，兩者呈線性變化。