甘肅某黃土路塹邊坡降雨入滲穩(wěn)定性分析★

黃海萍，周 杰，任永忠

(1.甘肅弘昊建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

俗話說：“十個(gè)滑坡九個(gè)水”，由此可知降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響舉足輕重。降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較為復(fù)雜，它涉及到氣候條件、水文條件以及坡體所處的地層條件等影響因素，為此關(guān)于這一熱點(diǎn)大量學(xué)者開展了相關(guān)的研究。汪華斌等[1]研究了如何設(shè)置與實(shí)際情況接近的降雨入滲邊界與動(dòng)態(tài)流量邊界下初始孔隙水壓力分布問題。韓同春等[2]研究層狀土邊坡地表與地下滲流的相互作用機(jī)制問題，針對(duì)上粗下細(xì)型層狀土邊坡降雨入滲忽略坡面徑流影響導(dǎo)致入滲分析不符合實(shí)際這一問題提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。楊天嬌等[3]研究了土質(zhì)邊坡降雨入滲的過程中地下水滲流的推進(jìn)、孔隙氣體遷移和邊坡土體變形之間的相關(guān)作用。陳文鋒等[4]考慮孔隙水壓力及滲透系數(shù)隨飽和度的變化，基于坡頂位移曲線提出預(yù)警與失穩(wěn)點(diǎn)選擇判據(jù)。王東等[5]通過構(gòu)建非飽和土邊坡數(shù)值模型，利用蒙特卡洛方法對(duì)不同降雨、土壤參數(shù)條件下模型邊坡土壤孔隙水壓力、土壤含水率與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系進(jìn)行了研究。由于對(duì)降雨型邊坡穩(wěn)定性的研究，試驗(yàn)是一種可靠的研究方法。許多學(xué)者通過開展室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)的研究，也得出了有益的結(jié)論[6-9]。

由于巖土工程具有明顯的地域性，不同的地形地貌及地層巖性，其坡體的變形規(guī)律及穩(wěn)定性就有所不同，為此本文以甘肅某黃土路塹邊坡為研究對(duì)象，對(duì)其采用Plaxis 3D V2020進(jìn)行數(shù)值分析。

2 工程概況

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，按地層變化情況，將其概化為3層，具體參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

3 模型建立

在Plaxis 3D V2020中建立如圖1所示的邊坡模型圖，模型大小為100 m×50 m，坡高為25 m，地下水位位于坡腳下方5 m處，網(wǎng)格劃分疏密程度為“中等”，模型為平面應(yīng)變模型，單位為10節(jié)點(diǎn)單元，模型底部為固定邊界，模型前后、左右均為滑移邊界。有限元模型如圖2所示。

材料模型選用摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，軟件分析時(shí)所采用的土體參數(shù)見表1。土體類型選用軟件USDA數(shù)據(jù)庫中的“沃土”：粒徑小于2 μm的質(zhì)量占總質(zhì)量的20%，2 μm～50 μm的占40%，50 μm～2 mm的占40%，按國內(nèi)分類屬于細(xì)粒土類型。土的飽和滲透系數(shù)ksat=0.375 1 m/d，土的滲透性函數(shù)和土水特征曲線使用van Genuchten方程擬合，結(jié)果如圖3，圖4所示，圖中兩條曲線由軟件自動(dòng)生成，其中kr=k/ksat表示相對(duì)滲透系數(shù)，為無量綱量，S為飽和度。

4 數(shù)值分析結(jié)果

4.1 不同坡角邊坡模擬結(jié)果分析

在本節(jié)中針對(duì)坡角為30°，45°和60°不同條件下的坡體飽和度、基質(zhì)吸力及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。其采用降雨速率為25 mm/d，持續(xù)時(shí)間為1.0 d。

1)坡體飽和度和基質(zhì)吸力。

圖5為不同坡角條件下坡體飽和度分布云圖，圖6為不同坡角條件下坡體基質(zhì)吸力分布云圖。由圖5可以看出，在相同的降雨條件下其坡體的飽和度分布云圖較為接近，因?yàn)槠麦w的飽和度與降雨量有關(guān)，坡角對(duì)其影響較小。由圖6可得，不同坡角條件下坡體的基質(zhì)吸力分布也較為接近，但是其數(shù)值略有所不同。坡角角度分別為30°，45°和60°時(shí)，其坡體基質(zhì)吸力分別為4.293 kPa，4.105 kPa，4.177 kPa，從數(shù)據(jù)來看坡角為30°時(shí)基質(zhì)吸力最大。

2)坡體穩(wěn)定性分析。

圖7為不同坡角條件下坡體總位移分布云圖，圖8為不同坡角條件下在未降雨原始狀態(tài)和降雨?duì)顟B(tài)下坡體安全系數(shù)變化曲線。圖7圖例顯示的數(shù)據(jù)是無實(shí)際物理意義的，這是軟件在求解邊坡安全系數(shù)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，但從分布云圖來看，30°坡角條件下其滑動(dòng)土體范圍較大，60°坡角條件下最小，45°次之，這說明坡度越小穩(wěn)定性越高，滑動(dòng)時(shí)所涉及的范圍較廣。從圖8可以看出，在降雨速率為25 mm/d，1 d的條件下，對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響量差值約為0.008。

4.2 不同降雨速率模擬結(jié)果分析

不同的降雨速率對(duì)坡體的穩(wěn)定性影響較大，為此本節(jié)采用坡角為60°、降雨時(shí)長為1 d的條件下模擬分析了降雨速率為10 mm/d(小雨)、降雨速率為25 mm/d(中雨)和降雨速率為50 mm/d(大雨)的坡體飽和度、基質(zhì)吸力和安全系數(shù)的變化過程。

1)坡體飽和度和基質(zhì)吸力。

圖9為不同降雨速率條件下坡體飽和度分布云圖，圖10為不同降雨速率條件下坡體基質(zhì)吸力分布云圖。從圖9明顯的可以看出，隨著降雨速率的增大，坡頂頂部的飽和度逐漸增加。當(dāng)降雨速率為25 mm/d時(shí)，坡頂表面土體已達(dá)到飽和狀態(tài)。從圖10可以看出，隨著降雨速率逐漸增大，坡體的基質(zhì)吸力從坡頂表面處逐漸減小，當(dāng)降雨速率為25 mm/d時(shí)，坡頂表面土體減小較為明顯。

2)坡體的穩(wěn)定性。

圖11為不同降雨速率條件下坡體總位移分布云圖，圖12為不同降雨速率條件下坡體安全系數(shù)變化曲線。從圖11來看，隨著降雨速率的增加，坡腳部位土體總位移逐漸增大，坡體滑動(dòng)區(qū)域逐漸貫通。從圖12邊坡坡體的安全系數(shù)來看，隨著降雨速率的不斷增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，降雨速率由10 mm/d增至25 mm/d，其安全系數(shù)降低差值為0.004，而降雨速率由25 mm/d增至50 mm/d，其安全系數(shù)降低差值為0.008，說明隨著降雨速率的增加，坡體安全系數(shù)的減小并非線性減小。

4.3 不同降雨時(shí)長模擬結(jié)果分析

不同的降雨時(shí)長對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響也比較大，本節(jié)采用坡角為60°、降雨速率為25 mm/d的條件下模擬分析了降雨時(shí)長為1.0 d，3.0 d和5.0 d的坡體飽和度、地下水流速和安全系數(shù)的變化過程。

1)坡體飽和度和地下水流速。

圖13為不同降雨時(shí)長條件下坡體的飽和度分布云圖，圖14為不同降雨時(shí)長條件下坡體內(nèi)含水的流速變化云圖。從圖13可知，隨著降雨時(shí)長的增加，坡體內(nèi)含水量的飽和度逐漸由坡頂向坡體內(nèi)發(fā)展，分布比較均勻。從圖14可知，坡體內(nèi)水的流速開始從坡體表面向坡體內(nèi)流動(dòng)，隨著降雨時(shí)長的增加，流速逐漸增大。

2)坡體的穩(wěn)定性。

圖15為不同降雨時(shí)長條件下坡體總位移等值線圖，圖16為不同降雨時(shí)長條件下坡體安全系數(shù)變化曲線。從圖15可以看出，隨著降雨時(shí)長的增加，坡體滑動(dòng)面逐步貫通，在坡腳處變化較大。

從圖16可知，隨著降雨時(shí)長的增加，坡體的安全系數(shù)由2.274減小至2.056，此外時(shí)長的差值均為2 d，但其安全系數(shù)變化差值不同，從1 d～3 d，安全系數(shù)變化差值為0.157，而由3 d～5 d，安全系數(shù)差值為0.061，由安全系數(shù)差值來看，降雨的起始階段對(duì)其影響較大。

5 結(jié)語

本文采用Plaxis 3D V2020對(duì)降雨邊坡進(jìn)行了不同坡角、不同降雨速率和不同降雨時(shí)長的飽和度、坡體基質(zhì)吸力、穩(wěn)定性的分析，通過分析可得出以下結(jié)論：

1)通過對(duì)不同坡角影響因素的分析可知，隨著坡角角度的增大，坡體基質(zhì)吸力逐漸減小，但是減小幅度不明顯；其次坡體的安全系數(shù)逐漸降低，但不是與坡角同比降低。

2)隨著降雨速率的增大，坡頂頂部的飽和度逐漸增加。當(dāng)降雨速率為25 mm/d時(shí)，坡頂表面土體已達(dá)到飽和狀態(tài)。隨著降雨速率的不斷增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，降雨速率由10 mm/d增至25 mm/d，其安全系數(shù)降低差值為0.004，而降雨速率由25 mm/d增至50 mm/d，其安全系數(shù)降低差值為0.008，說明隨著降雨速率的增加，坡體安全系數(shù)的減小并非線性減小。

3)隨著降雨時(shí)長的增加，坡體內(nèi)含水量的飽和度逐漸由坡頂向坡體內(nèi)發(fā)展，分布比較均勻。坡體內(nèi)水的流速開始從坡體表面向坡體內(nèi)流動(dòng)，隨著降雨時(shí)長的增加，流速逐漸增大。隨著降雨時(shí)長的增加，坡體滑動(dòng)面逐步貫通，在坡腳處變化較大。