強降雨下的高邊坡穩定性數值模擬研究

劉麗琴

(赫章縣水務局，貴州 赫章 553200)

0 引 言

高邊坡的穩定性研究一直都是巖土工程領域的熱門研究方向，影響邊坡穩定性的因素有許多，其中降雨對邊坡的穩定性影響較大，已有學者對其做了大量研究。如張明[1]等通過統計學研究和機理研究，總結了降雨型滑坡的研究歷史和現狀；王述紅[2]等通過數值模擬軟件，利用強度折減法計算邊坡滲流場與應力場耦合下的安全系數，研究了降雨影響邊坡穩定性的機理；汪華斌[3]等基于室內試驗與數值模擬分析結果進行對比分析，提出新的數值模擬邊界條件，改進了傳統方法；吳永[4]等從能量的角度研究入滲的裂縫水對邊坡穩定性的影響，分析了邊坡裂縫、降水入滲以及滑動面的形成機制；李寧[5]等采用非飽和土模型和改進后的入滲模型對降雨入滲模型進行改進，并提出一個降雨作用下的邊坡失穩的簡化模型；蔣中明[6]等通過編寫程序對非飽和滲流計算模型進行了完善，并與已有研究對比，驗證了該計算方法的準確性模型試驗；余培杰[7]通過采用數值模擬的方法，評估了降雨入滲對邊坡的影響程度，發現不同坡比的破壞模式也極為不同。

綜上研究可以發現，強降雨的入滲對邊坡內部的孔隙水壓力、應力場和穩定性會產生影響。因此，本文將采用FLAC3D數值模擬軟件，對強降雨作用下的高邊坡穩定性的變化規律進行研究。

1 工程概況

本文基于某礦區邊坡工程，對強降雨下的邊坡失穩進行研究。該工程邊坡高陡，邊坡臺階標高最高為555 m、最低為395 m，邊坡的最大高度可達255 m，邊坡角最小為36°、最大43°，臺階的坡面角最大65°、最小43°，臺階高度11.85 m。地質剖面圖見圖1。該區域年降雨量較大，平均年降雨量可達1 500 mm以上。

圖1 邊坡模型圖

2 礦區邊坡模型建立

FLAC3D軟件采用有限差分法對模型進行有限元分析，能夠模擬分析土體、巖石以及其他材料的受力特性，能夠對各種材料的塑性破壞進行模擬分析，且不需要計算剛度矩陣，對內存空間的要求較低，故本文利用FLAC3D軟件建立數值模型。為保證計算結果可靠，模型需符合工程實際，根據地質剖面圖采用摩爾-庫倫本構模型進行建模，并對該模型進行布點監測，見圖1。本模型X軸與Y軸長度均為1 000 m，其中X軸垂直于礦體走向，Y軸平行于礦體走向，Z軸垂直于X-Y平面。為了研究強降雨下的坡體穩定性，本文對模型進行強降雨模擬，降雨量參考該地區最大日降雨量75.8 mm/d，對模型在模擬強降雨6、12、18和24 h后的邊坡穩定性進行研究分析。模型相關參數取值見表1。

表1 數值模擬參數

3 邊坡穩定性分析

3.1 降雨入滲對孔隙水壓力的影響分析

為分析降雨入滲對空隙水壓的影響，本文根據監測點的位置選取3個剖面進行監測。不同降雨時間下現狀邊坡與最終邊坡孔隙水壓力云圖見圖2，不同降雨時間下邊坡孔隙水壓力變化情況見圖3。

圖2 不同降雨時間下現狀邊坡與最終邊坡孔隙水壓力云圖

圖3 不同降雨時間與邊坡孔隙水壓力關系圖

通過計算發現，現狀邊坡與最終邊坡的孔隙水壓力隨降雨時間的變化趨勢有些差異。降雨初期，現狀邊坡的土體和巖體尚未飽和，強降雨引起的入滲導致該坡體的淺層水位有所上升，部分監測區域可以觀測到較大面積的負孔隙水壓力區域，分布位置較廣；小部分監測區域觀測到少數負孔隙水壓力區域，但隨著持續強降雨，土體和巖體趨近于飽和狀態會形成徑流，而在坡底處的負孔隙水壓力會逐漸上升，并比坡頂處先出現暫態飽和區，即孔隙水壓力為零的區域，而且不斷向坡頂發展，暫態飽和區面積在持續模擬強降雨12h后達到最大。而最終邊坡則略有不同，在模擬強降雨初期，在所有監測區域觀測到負孔隙水壓力區域，且均為大面積，伴隨模擬強降雨的進行，在邊坡內部也觀測到負孔隙水壓力區域，模擬強降雨12h后暫態飽和區在南部坡底率先出現；而北部坡底直到模擬強降雨18 h后才觀測到暫態飽和區，并隨時間逐步向坡頂發展，且在坡底達到最大。

3.2 邊坡應力場分析

不同降雨時間下現狀邊坡與最終邊坡最大剪切應力云圖見圖4。不同降雨時間下邊坡最大剪應力變化情況見圖5。通過計算發現，現狀和最終邊坡的剪切應力變化較大的位置均出現在坡角處，且相同降雨時間下，現狀邊坡的應力比最終邊坡小。剪切應力變化最大的時間段出現在模擬強降雨6 h后，6 h后剪切應力依舊隨時間增大，但變化趨勢減緩。究其原因，是由于入滲的水分增大了邊坡巖石土體的自重，當達到飽和時形成徑流，并流向坡底處，使剪切應力變化最大的位置出現在坡底，所以在坡腳處出現滑動面，從而由坡腳剪出并發生剪切破壞的可能性最大。

圖5 不同降雨時長與最大剪應力關系圖

3.3 邊坡安全系數分析

邊坡穩定系數與模擬降雨時長的關系見圖6；現狀邊坡和最終邊坡的安全系數統計見表2。由上述結果可以發現，在未降雨時，現狀邊坡和最終邊坡均處于穩定狀態，但隨著降雨時間的持續，邊坡的穩定性不斷下降。而模擬降雨6 h后，最終邊坡的安全系數比現狀邊坡的安全系數大。原因是開挖后的最終邊坡出露的灰巖抗水性以及抗風化性質比現狀邊坡出露的石英巖要好，不易被水軟化。

圖6 不同降雨時長與邊坡安全系數關系圖

表2 不同降雨條件下邊坡安全系數表

4 結論與建議

本文通過FLAC3D軟件對強降雨作用下礦區邊坡穩定性進行了研究，主要結論如下：

1) 降雨初期，巖土體尚未飽和，降雨入滲會導致淺層水位上升，引起較大面積的負孔隙水壓力區域；長時間降雨后，巖土體趨于飽和并在坡體表面形成徑流，引起暫態飽和區，并不斷向坡頂發展。

2) 通過對邊坡應力場的分析發現，現狀和最終邊坡的剪切應力變化較大的位置均出現在坡角處，且相同降雨時間下，現狀邊坡的應力比最終邊坡小。剪切應力變化最大的時間段出現在模擬強降雨6 h后，6 h后剪切應力依舊隨時間增大，但變化趨勢減緩。

3) 由上述結果可以發現，在未降雨時，現狀邊坡和最終邊坡均處于穩定狀態，但隨著降雨時間的持續，邊坡的穩定性不斷下降。