降雨對庫岸區邊坡穩定性的影響研究

王 緒

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，沈陽，350001)

1 引言

新安江水庫即千島湖，是浙江省內最大的水體，也是重要的森林生態系統。對千島湖的開發必須圍繞著生態平衡而展開，庫岸區邊坡的穩定性問題也是其中研究的重點。浙江是雨水充沛的省份，每年的雨季必然會有大量的強降雨，這會導致邊坡的穩定性降低。前人對庫區邊坡穩定性也有較多的研究。廖紅建等[1]以三峽水利工程為背景，研究了水位的周期性調節對庫岸邊坡的穩定性影響，得出了降水速度和滲透系數以及邊坡穩定性的關系；雷小芹等[12]研究了降雨導致邊坡失穩的機制；董金玉等[2]利用現場試驗以及巖土數值分析軟件分析了蓄水和降雨過程中邊坡變形破壞的特征，提出了邊坡變形特征的特點；李友林[3]則從地質條件的角度來分析邊坡類型對降雨的敏感度；葉帥華等[5，7]進行了黃土高邊坡遇到降雨條件下的穩定性分析，得出了相關規律；杜娟娟和黃亮[4，6，9-10]等主要研究降雨和水位下降對邊坡的影響，結果表明水位下降會導致安全系數先降后升；余兵與林渝等[8，11]發現邊坡的裂隙對安全系數也有較大影響。

然而，前人的研究多是立足在水位上升或者降雨等單一影響因素上進行的分析，實際情況下在雨季的時候庫區水位上漲的同時，降雨也會接踵而至，應該充分考慮兩者同時作用的情況。本文依靠高速公路路堤臨湖邊坡為工程背景，充分考慮了不同情況下降雨和水位升降對庫區臨湖路堤邊坡的穩定性影響。

2 工程概述

新安江水庫作為千島湖被人們廣為熟知，是著名的旅游景點。千島湖位于浙江省淳安縣內，是浙江省境內最大的水庫。擬建高速公路穿越過千島湖庫岸區，對千島湖的生態環境、庫區水質、生物多樣性等都有影響。臨湖建設公路路堤邊坡，庫岸區復雜的水文環境對路堤邊坡的穩定性有著很大的影響。高速公路經過千島湖時，臨湖段路堤邊坡通過拋石填湖制造平臺，然后在上面堆填路基填料并壓實形成路堤邊坡，邊坡的一部分在水面以下。湖面水位漲落受季節性降雨影響較大。經過調查可知夏季水位高達108m，冬季枯水期水位在98m左右，水位漲落差達10m。路堤邊坡填料是含有粗顆粒的粉質砂土，坡度最高為1∶1.5，由于邊坡高度較大，在邊坡上設置平臺作為緩沖。

路堤邊坡填料經過傾倒、壓實后，通過現場十字板試驗和室內測試得到的物理參數如表1。

表1 地基土力學參數

3 數值模型的建立

3.1 模型參數取值及網格劃分

為了模擬土質邊坡受到潮水漲落的影響，利用有限元軟件邁達斯建立邊坡模型。在本次計算過程中，將坡面邊界定義成為滲透邊界以分析水位作用。模型的邊界條件定義為左右約束其X方向的位移，底部固定。滲透邊界定義為左右邊緣為零流量邊界，底部為不透水層，模型的上緣(包括邊坡頂部、坡面和坡腳平臺)為滲透層，其滲流量與土體滲透系數、降雨量等有關。為了模擬水位的變化對邊坡穩定性的影響，計算開始前把湖面水位設置在坡腳處，而后緩慢上升10m。在邁達斯中，水位變化的模擬通過水頭大小來實現。模型的示意圖、網格圖和水位圖如圖1所示。

圖1 邊坡示意圖與有限元網格(單位：m)

潮水漲落及降雨對邊坡的穩定性影響是一個飽和-非飽和的滲透問題。既要考慮到土體飽和情況下的滲流問題，也要分析非飽和土體的特性，因此，土體的水土特征曲線，即SWCC和滲透性相關函數是必要的研究對象。圖2和圖3給出了基質吸力與體積含水量的關系曲線(SWCC)以及基質吸力與非飽和土滲透系數的關系，前者描述了含水率和土中的吸力的關系，后者決定了非飽和土中的滲透系數與基質吸力的關系。土體的飽和滲透系數為0.25m/d，結合水土特征曲線可推導出圖3所示的關系曲線。通過這兩條曲線，就可以由土的含水率得出土的基質吸力，這是進行邊坡非飽和土分析的基礎。

圖2 邊坡土體水土特征曲線

圖3 邊坡土體基質吸力與滲透系數關系曲線

3.2 水位變化在模型中的實現

在庫岸區路堤邊坡的穩定性分析中，水位漲落的速度有著重要的作用。通過當地水文資料調查，可知夏季最高水位上升速度可達0.43m/d。為此，本文選擇了三種工況用于模擬不同水位上升速度對路堤邊坡穩定性的影響。工況1、工況2和工況3庫岸區水位上升速度分別為0.4m/d、0.2m/d和0.1m/d，分析時間分別為55d、80d和130d。即以坡腳為水位零點，水位從坡腳開始上升至10m處，并持續30d。當水位下降時，工況4、工況5以及工況6分別代表了坡面水位以0.4m/d、0.2m/d和0.1m/d的速率從10m處下降至坡腳，分析總時間分別為58d、110d和160d。水位的變化可以通過坡面孔隙水壓力的改變來實現。

邁達斯分析邊坡穩定性是采用強度折減法分析理論。通過邊坡強度系數的折減，可得到邊坡土體在極限情況下的應力應變最大值、剖面的滑動面、塑性區的位置和發展以及邊坡整體的安全系數，并由此反映出客觀的邊坡破壞機理。

圖4 水位上升工況

圖5 水位下降工況

3.3 降雨條件模擬

與其他有限元軟件一樣，邁達斯可以通過設置降雨邊界函數來模擬降雨條件。降雨強度可以設置單位時間的流通量來實現。但是只能夠模擬降雨全部入滲進邊坡的情況，排除了坡面徑流和積水的可能。在現實降雨過程中，由于降雨強度和坡面滲透性的限制，可分為三種情況。一是當降雨強度小于邊坡的滲透性，降雨流量可以全部通過滲透進入坡體里面；二是當降雨強度大于邊坡滲透性時，降雨流量的一部分滲透進入邊坡，而另外一部分將會在邊坡表面形成小型積水，在積水達到一定程度之后會相互連接在一起形成坡面徑流，從而使坡面積水通過徑流排到湖中去；最后一種情況是當邊坡的表面土層由于滲透已經接近飽和了，此時坡體的滲透性接近于零，雨水無法滲入坡體中，則會導致所有雨水會通過坡面徑流排走，并不會進入邊坡內部。

本次計算模擬降雨強度分為三個不同的等級，分別為0.004m/d、0.008m/d和0.016m/d。邊坡降雨條件在有限元中也可以通過流量邊界條件進行設置，在坡頂和坡面進行滲流量邊界條件的設置以模擬降雨強度。工況7、工況8和工況9是當水位以0.4m/d的速率上升時不同降雨強度對邊坡穩定性的影響。工況10、工況11和工況12則是模擬水位下降時不同降雨強度對邊坡穩定性的影響。

表2 模擬工況總匯

4 數值模擬結果分析

4.1 水位上升對邊坡穩定性的影響分析

圖6展示了工況1-工況3的安全系數與分析時間的關系。從圖中可以看出，隨著水位逐漸上升，不同工況下的安全系數都呈現出上升的態勢。其中工況1安全系數上升得最快，頂點也最高，這種現象表明水位上升越快，安全系數上升更快更高。導致這種現象出現的原因是當水位上升時，湖面的水緩慢滲透進入坡體內部，對邊坡土體產生了一個指向邊坡內部的動水壓力，邊坡土體從非飽和過渡到飽和，從而使土顆粒更加密實，邊坡趨于穩定。水頭上升的快慢直接影響了動水壓力的大小，所以導致了水位上升越快，安全系數越高的現象。隨著水位越高，安全系數上升得更快了。這是因為水位較低時，動水壓力的方向幾乎是水平的，對土體顆粒之間的作用較低；而當水位較高時，動水壓力的方向近似垂直于坡面，所以對邊坡穩定性貢獻更高。

當水位達到最高點而后趨于穩定時，邊坡整體的安全系數不再上升，反而隨著分析時間的增加漸漸下降，最終趨于穩定。這是由于當水頭穩定后，土體含水量漸漸飽和，動水壓力也就隨之消失了。而后由于土中的孔隙充滿了水，導致土體強度的衰減，安全系數慢慢下降，直到其穩定在1.4左右。

時間(d)

4.2 水位下降對邊坡穩定性的影響分析

經過計算分析，得出水位下降對邊坡穩定性的影響，結果見圖7所示。由圖中可以看出，當邊坡湖面水位下降時，邊坡整體的安全系數先是下降，而且下降的趨勢慢慢趨于緩慢。當下降到最低點時反彈，最終上升至1.5左右才穩定。這種現象的內在原因是動水壓力方向的改變。當水位下降時，土體內部水位的下降滯后于湖面，此時產生的動水壓力由土體內部指向外部，所以導致土體的不穩定性增加。開始時邊坡土體的穩定性下降得比較快，而后安全系數下降的頻率越來越慢。這是由于水位較高時動水壓力的方向幾乎垂直于坡面向外，而且坡體的下部分由于飽和所以強度下降。當水位較低時，動水壓力的方向變成幾乎水平。動水壓力的大小與水位下降速率直接相關，這與前文所得結論是一致的。

經過最低點后，由于動水壓力的逐漸消失和坡體內部水的排出，導致土體的穩定性增強了，最終比水位下降前更高。這就說明了相對于飽和土，非飽和土的穩定性更高。這是非飽和土基質吸力的存在使土顆粒之間的連接更加緊密的緣故。

時間(d)

4.3 降雨對邊坡穩定性的影響分析

圖8顯示的是當水位上升時，不同降雨強度對邊坡穩定性的影響。可以看出，跟水位漲落相比，降雨的作用對邊坡穩定性的影響不大。降雨對邊坡具有一定的削弱作用，使邊坡表面土體吸水，基質吸力降低，導致邊坡土體強度下降，安全系數減小。在這個過程中，由于降雨量是有限的，以及土體滲透系數等影響，導致了降雨只能使邊坡表層的土體基質吸力降低甚至飽和。降雨強度的大小與土體基質吸力降低的快慢有關，降雨強度越大，基質吸力減小得越快。可以知道，降雨使雨水滲透進入土體內部，會產生水頭壓力，使邊坡更穩定。但是這個作用非常微弱，并沒有達到很大的影響。所以降雨對邊坡的主要作用是降低邊坡表層的基質吸力，削弱穩定性。

圖9是邊坡水位下降時，不同降雨強度對邊坡穩定性的影響。可以看出，無論水位上升還是水位下降，降雨對邊坡穩定性的影響都是小于水位漲落的，而且降雨對邊坡的主要作用就是降低邊坡的穩定性。

時間(d)

時間(d)

5 結論

本文利用邁達斯有限元軟件，結合工程路堤邊坡案例以及當地水文及降雨條件，計算分析了在比較理想的情況下庫岸區水位上升以及降雨條件對邊坡穩定性的影響。數值模擬采用了飽和-非飽和模型進行研究。因為非飽和與飽和土相比，具有基質吸力的作用，使邊坡土體顆粒相互之間連接更加緊密，有利于提高穩定性。而水位的變化和降雨條件可以降低甚至消除這種負孔壓的作用，這是庫岸區邊坡分析的特點。經過計算分析研究，主要的結論如下：

(1)邊坡水位的升降對邊坡穩定性具有重要的影響。當水位上升時，動水壓力的作用使安全系數增加；當水位穩定，土體接近飽和時，動水壓力消失，邊坡安全系數降低，最終由于基質吸力的消失而變得更加不穩定。

(2)當水位下降時情況與上升時相反，安全系數先降低后升高，最終比水位下降前更高。只是在同樣的水位升降下，邊坡土體的排水時間比進水時間更長。水位上升和下降的速度也有一定的影響，變化更快導致動水壓力更大，對邊坡穩定性會更有利或不利。

(3)對于庫岸區邊坡，影響邊坡穩定性因素主要是邊坡的水位，坡面的降雨由于產生的動水壓力較小，所以對邊坡的作用是削弱了邊坡的穩定性。這一點無論水位上升還是下降的情況下都是一樣的。