降水對邊坡土體穩定性的影響

董瑞晗

(三亞學院 管理學院,海南 三亞 572000)

本文利用Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊建立公路邊坡滲流場,根據對該地段地質勘查報告數據,設置模型滲流參數等,并結合SLOPE/W 模塊在相應工況下,進行不同強度降水條件下,公路邊坡穩定性的計算與分析,獲取降水強度與邊坡穩定性的關系,找到滑坡的臨界點,為解決邊坡失穩提供可靠的理論依據。

1 概述

大量事實表明,降水是影響非飽和土邊坡失穩的主要因素。其中降水強度和持續時間為主要。海南地處雷州半島的南部,屬熱帶季風海洋性氣候,全年雨量充沛,其中歷年5-10 月為降水期, 期間雨量較大和持續時間較長,還經常發生中到暴雨,連續降雨可持續10 余天,容易導致公路邊坡失穩,造成交通事故的發生,同時,也釀成無法估計的經濟損失,導致邊坡失穩的作用機理復雜多變,很難對其預測。

在2016 年10 月份,正值國慶小長假,海南省遭受特大暴雨,全省降水量在300mm～1000mm,部分地區降水量超過1000mm,為海南省自2000 年以來有史最大的降水。不僅給海南旅游業帶來巨大損失,還帶來各種地質災害,出現部分道路嚴重損壞導致,造成交通事故的發生。由此可以看出,降水量隨著時間的增加而增加,使土體從未飽和狀態轉化飽和狀態,當雨量和持續時間達到某一值后,由有效應力原理可知,土體中孔隙水壓力和總應力上升,使有效自重應力增加并引起土體承載力大幅度下降,會使公路邊坡失穩,使公路兩邊發生塌陷或者滑坡,導致道路受到破壞,造成嚴重的自然災

2 邊坡滲流場內各參數的選取確定

選取海南省儋州市洋浦開發區內主干道路為研究對象,屬于城市主道路,道路總長度3200m,選取一段道路建立簡化模型,模型尺寸如圖1 所示。

圖1 海南省儋州市洋浦開發區內擬建道路圖模型

根據海南省儋州市洋浦開發區內主干道路簡化建立的模型,土坡坡高25 m,寬度為30m,在分析過程中防止出現滑坡面為固定在坡頂點滑動,人為假定為坡頂為平面而不是尖角。坡頂平面長取10m,左側公路取10m。為了更加真實的模擬邊坡真實狀況及加載邊界條件,在公路左側簡化成豎直狀態,高度取5m。

表1 路基土容許承載力及工程設計參考建議值表

假設坡體內部孔隙水及裂縫水由降水補給,以邊坡表面為降水入滲面,區域底面假定為不透水面,不考慮蒸發量,降水強度按照50 年一遇頻偶q=15mm/h。

土- 水特征曲線和非飽和土滲透系數是表述土體非飽和滲流特性的重要參數。其中,土水特征曲線反映土體的持水能力,而非飽和滲透系數則反映土體在非飽和區導水的快慢。利用Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊根據試驗數據得出相應的數學模型來獲得土- 水特征曲線(圖2)及滲透系數函數(圖3)。

圖2 土- 水特征曲線

圖3 滲透系數函數

3 邊坡滲流場模型分析

模擬的降水量是通過在邊坡坡面施加的孔隙水壓力小于零的方式模擬,當降水量不大于土體中滲透性時,降水會全部流入土體中,排出因降水強度使土體達到飽和后,使部分水流失的可能性,如果大于土體中滲透性時(后期降水量),因土體達到飽和狀態,部分雨水無法滲入其中,這部分由于重力作用沿坡面流下,在其過程中形成薄薄的水膜,因此在計算中,常常取地表為位置水頭。

本文通過對海南省儋州市洋浦開發區內主干道路的降水進行模擬,從降水強弱、持續時間長短對邊坡失穩進行研究分析,分析各種降水條件下,降水入滲影響的邊坡暫態滲流場分部。通過Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊計算出空隙水壓力隨著土體含水量的變化影響,將其導入SLOPE/W模塊,運用瑞典條分法計算穩定安全系數,采用極限平衡法尋找可能性最大的滑動面。

降水強度根據海南2019 至2020 年降水統計數據,如圖4 所示,為了更具有普遍性,雨量取一下數據:70mm/d、100mm/d、130mm/d,假設3 種強度降水持續時間為2 小時,通過Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊計算得到總水頭以及孔隙水壓力等值線。

圖4 海南2019 與2020 年降水

從左往右依次為70mm/d、100mm/d、130mm/d 強度下降水的總水頭等值線如圖5、6、7 所示。

圖5 70mm/d 降水總水頭等值線

圖6 100mm/d 降水總水頭等值線

圖7 130mm/d 降水總水頭等值線

從左往右依次為70mm/d、150mm/d、200mm/d 強度下降水的空隙水壓力等值線。如8、9、10 圖所示。

圖8 70mm/d 降水空隙水壓力

圖9 150mm/d 降水空隙水壓力

圖10 200mm/d 降水空隙水壓力

根據以上可知,隨著降水量逐漸的增加,零水位線隨著降水量的增加而上增加,從而導致坡頂負空隙水壓力(基質吸力)范圍將進一步縮小。將以上計算的出空隙水壓力分步和初始條件導入Geostudio 軟件中的SLOPE/W 模塊進行穩定性分析,計算安全系數。

假設雨量取為90mm/d,在這種強度降水下,持續時間分別為2 小時、4 小時、6 小時,通過Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊計算得到孔隙水壓力等值線。

從左往右依次為在90mm/d 下,持續時間分別為2 小時、4 小時、6 小時作用下的孔隙水壓力等值線分布圖。如圖11、12、13 所示。

圖11 2 小時孔隙水壓力

圖12 4 小時孔隙水壓力

圖13 6 小時孔隙水壓力

由空隙水壓力分布情況可知,隨著降水逐漸的增加,雨水隨之慢慢滲入土中,土坡表面孔隙水壓力逐漸減小,導致雨水未能滲入到土體中間層,從而使中間層的孔隙水壓力保持不變。當降水持續到4 h 后(圖14),由于初始含水量比其他部分高,土體滲流速度快,導致地下水位的迅速上升,整個非飽和區的負空隙水壓力(基質吸力)都有不同程度的減小,出現減小的滑坡面,不至于使邊坡失穩,當降雨持續到6h 后(圖15),滑坡面逐漸增大,出現滑坡的風險增大。

圖14 持續降水4 小時

圖15 持續降水6 小時

降雨入滲引起的邊坡穩定性問題一直困擾著人們,本文利用Geostudio 軟件SEEP/W 和SLOPE/W 模塊進行降雨過程中的滲流場的模擬,得到以下幾點認識。

從模擬結果可以看出, 隨著降雨強度增大,使得非飽和逐漸轉化暫態飽和區,讓土體內負空隙水壓力(基質吸力)降低,孔隙水壓力也增大,從而導致抗剪強度參數減小,使得邊坡穩定性系數減小,導致邊坡穩定性的下降。因此,在公路的建設當中,應該盡可能地對邊坡頂部的土質表面實行硬化處理,從而有效避免土坡表面負空隙水壓力(基質吸力)在降水條件下的降低。同時,坡腳部位由于離地下水位一般相對較近,在持續降雨條件下更易飽和,使得整個邊坡負空隙水壓力(基質吸力)都逐漸下降,容易引起邊坡失穩的問題,應引起人們的注意,因而,在公路建設時,對離地下水位較近的邊坡,進行人工降水,降低地下水位的高度,使其在降水條件下,邊坡不易飽和的狀態,保持邊坡的穩定性。

4 結論

本文主要是考慮降水強弱、持續時間長短對邊坡穩定性的影響進行分析, 在降雨入滲情況下, 雨水的入滲使得邊坡頂部非飽和區縮小, 出現局部暫態飽和區, 導致邊坡土體基質吸力下降, 抗剪強度減小, 從而導致邊坡穩定性的下降。降雨入滲是導致邊坡失穩的主要因素, 其中尤以降雨強度的影響最為顯著。降雨持續時間對邊坡穩定的影響程度與降雨強度大小有關。在降雨量相同的情況下, 不同的降雨方式也影響邊坡的穩定性。當降雨歷時不變時, 隨著降雨強度的增加, 淺部土體的含水率在增大, 基質吸力在減小, 土坡的穩定系數逐漸降低, 但當降雨強度增大到一定值, 超過土體的入滲能力后, 這種變化的趨勢在減小; 降雨強度不變時,隨著降雨歷時的增大, 土坡的穩定性也在降低。