降雨對邊坡穩定性影響分析

劉飛

（開封市汴龍勘查設計中心，河南 開封 475000）

1 引言

目前，在邊坡穩定性研究中常用的方法包括：數值模擬方法和物理模型試驗方法等，兩種方法在邊坡穩定性研究中均取得了良好的應用效果。在邊坡穩定性研究的眾多的研究成果中發現，水是誘發邊坡失穩的主要因素。結合某水利工程邊坡實例，建立數值模擬計算模型，對不同降雨條件下的邊坡穩定性問題進行研究。

2 邊坡工程概況及研究計算模型

為了滿足工程建設需要，研究的邊坡為回填邊坡。邊坡總高30 m，回填邊坡坡比為1∶1。從下至上，每級邊坡坡高分別為7、13、10 m。為了保證邊坡的穩定性，采用錨桿進行支護，設計錨桿總長30 m，錨固段長25 m。

根據邊坡坡比、坡高建立數值模擬計算模型見圖1 所示。數值模擬計算參數選取見表1、表2。數值模擬計算模型兩側法向約束、底部全約束。

表2 土層計算參數表

圖1 邊坡模型典型剖面圖

表1 邊坡計算工況表

水土特征曲線是影響邊坡滲流穩定性成果的重要參數。為了保證計算結果的可靠性，采用Van Genuchgen確定該邊坡巖土體的水土特征曲線。計算方法如下：

式（1）（2）中：ua、uw為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；θr、θw、θs為殘余體積含水量、體積含水量、飽和體積含水量；ψ、ks為土體的基質吸力、飽和滲透系數；m、n、α為待定參數；Sr、kr為飽和度、相對滲透系數。邊坡穩定性分析主要采用強度折減理論進行分析，由于該方法已經較為成熟，此處不再論述。

3 計算結果與分析

3.1 降水對邊坡孔隙水壓力的影響

降水對邊坡孔隙水壓力的影響結果見圖2。從圖中可知：不同降水強度造成邊坡中形成的負孔隙水壓力得變化過程基本一致，但不同降水強度導致形成的最大孔隙水壓力的時間不盡相同。不同降水強度不同深度處達到最大孔隙水壓力所用時間見下表3。隨著降水強度的增加邊坡可能出現短暫的積水現象，且降水入滲影響深度不斷增大。在降水強度不變的情況下，深度越大雨水入滲速度將不斷減小。其主要原因是隨著雨水的不斷入滲，導致孔隙水壓力不斷減小，從而導致入滲速度不斷下降。

圖2 降水強度對孔壓的影響圖

表3 不同降水強度不同深度處達到最大孔隙水壓力所用時間表

3.2 不同降雨時間下邊坡的破壞分析

以100 mm降水強度為例，對邊坡降水情況下的穩定性進行研究。降水發生后，邊坡首先在下級邊坡表面發生破壞，之后隨著降水的進行，邊坡變形深度不斷增大，變形范圍逐漸向上擴展。主要原因是，降水的持續，導致回填的素填土含水率不斷增高，且隨著雨水的入滲，邊坡的變形范圍不斷向坡體內部擴展直至形成貫通的滑裂面。在降水情況下，邊坡的變形、破壞存在一定的滯后效應，邊坡變形、破壞一般在降水后的一段時間內發生。

3.3 邊坡穩定性分析

在未采用錨桿支護條件下，不同降水強度條件下，邊坡穩定性系數均表現為先減小后增大的變化情況。在開始降水后，邊坡穩定性系數迅速下降，起主要原因是，雨水的快速入滲，導致邊坡淺表層出現滑動、破壞現象，邊坡穩定性系數下降。降水結束后，入滲至坡體內部的雨水不斷排水，邊坡素填土的含水量下降，抗剪強度參數緩慢恢復，導致邊坡安全系數不斷增大。隨著降水強度的不斷增大，邊坡穩定性下降速率不斷提高，邊坡安全系數最小值不斷減小。根據這一研究成果可知，降水強度對邊坡穩定性影響極大。

3.4 加固后邊坡穩定性分析

由于不采取支護措施，邊坡穩定性在降水工況下處于一個較低的水平，邊坡極易出現滑動破壞。因此，為了保證邊坡的穩定性，采取了錨桿支護，設計錨桿長度30 m，錨固段25 m。支護情況下穩定性變化規律與未支護條件基本一致，均表現為先減小后增大的變化過程，但安全系數最小值較未支護條件下有了顯著的提升。在錨桿支護條件下，100 mm降水強度下，邊坡最小安全系數是1.46，與未支護條件下的0.88 相比，有了顯著的提升，計算結果表明，該邊坡采用錨桿支護措施較為有效。

4 結論

①在不同降水強度條件下，雨水的入滲速度和深度隨著降水強度的增大而增大，其中淺表層巖土體入滲速度最快，這將導致邊坡表層巖土體將快速達到飽和狀態。②通過分析不同降水條件下的邊坡的穩定性情況，隨著降水強度的增大，邊坡穩定性系數最小值不斷增大，邊坡穩定性系數下降速率不斷增大，這與雨水入滲速度和邊坡變形、破壞特征是較為一致的。③通過對比天然和支護條件下的邊坡穩定性情況可以得知，采用錨桿支護作用下，邊坡穩定性系數也表現為先減小后增大的變化規律，這與未支護條件下是一致的。在錨桿作用下，邊坡穩定性系數有了顯著提升，在強降雨工況下，穩定相關系數亦可滿足要求，采用錨桿對邊坡進行支護是有效的。