降雨作用對邊坡穩定性的影響研究

渠群英，郭愛菊，宋 艷

（1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心,山東 濟南 250100；2.山東富誠工程施工有限公司,山東 德州 251200）

1 引言

目前,國內外相關學者針對降雨對邊坡穩定性的影響開展了廣泛研究。相關成果表明滑坡災害的發生與降雨天氣具有緊密相聯,降雨是引起滑坡破壞主要因素之一。目前,有限元數值分析是一種較為常見的分析降雨作用下邊坡穩定性的方法。

周家文等[1]研究降雨作用下非飽和邊坡有限元滲流,隨著持續性降雨,前表層土體出現瞬態飽和,邊坡穩定性系數逐漸降低。降雨后邊坡安全系數繼續降低,隨排水增加而逐漸恢復。蔣中明等[2]結合GeoStudio模擬軟體分析某公路邊坡在長期降雨條件下的滲流過程,隨后將計算得出的邊坡滲流場導入有限差分軟件FLAC3D研究其穩定性。降雨結束后一天時間內,邊坡穩定性系數逐漸降低,隨后巖土中水分逐漸向外排出,邊坡安全系數增加。但是降雨結束后的一定時間內,巖土產生軟化使邊坡安全系數進一步降低。Adarsh S· Chatra等[3]結合FLAC3D軟件分析降雨條件下邊坡的穩定性,研究降雨強度及持時對邊坡的孔隙水壓力,土體位移等指標的變化。

鑒于前人已有的研究成果,本文利用Geostudio模擬降雨作用下邊坡穩定性的變化規律,分析降雨類型、強度以及持續性降雨的敏感因素,在此基礎上簡要探討響應加固措施。

2 路基邊坡沖刷特性的仿真模擬

2.1 計算數值模型

邊坡模型的長度為40 m,高度30 m,坡腳高度15 m。考慮邊界效應的影響,坡頂設置距離左側邊界10 m,坡腳距離右側邊界13 m。考慮到計機的計算能力,盡量減小尺寸效應的影響,邊坡模型采用四邊形網格劃分方式,并對表層巖土區域網格進行加密,模型共計節點為4181,單元網格共計4301,監測點布設在邊坡的上、中、下位置,見圖1。

圖1 邊坡模型

2.2 計算參數與本構模型

計算采用摩爾-庫倫本構模型,土體滲透系數取飽和滲透系數,滿足達西滲透定律。同時,各土層的滲透模型采用Van Genuchten模型。土體強度參數見表1。

表1 模型的主要參數

2.3 實現過程

土體的孔隙水壓力一般指土體達到飽和含水率狀態時所對應的水壓力大小,即水位線以下土體為飽和狀態,此時土體的孔隙水壓力為正值；在非飽和土中時,由于孔隙內尚有一定空氣存在,形成類似彎液面,土體的孔隙水壓力小于大氣壓力,此時土體的孔隙水壓力為負值。基于GeoStudio中SEEP/W模塊計算邊坡的自重應力的分布狀態,得到土體初始的孔隙水壓力狀態。在此基礎上,將以上得到的初始自重條件下邊坡的孔隙水壓力與SLOPE/W模塊計算得到的應力狀態進行結合,計算此時邊坡的穩定性系數。同時,根據不同降雨條件下的孔隙水壓力與應力狀態,亦根據以上步驟,進一步計算得到邊坡在不同降雨條件下的穩定性系數。

計算邊坡為土質邊坡,坡高為l0 m~15 m,邊坡類型為土質邊坡。根據《滑坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864-2016）,如表2~表3可知,鑒于該處周邊的環境綜合判定其工程安全等級,因此取邊坡在一般工況下的安全系數為1.30,降雨作用下安全系數取1.15。計算自重條件下的邊坡穩定系數為1.10,根據以上規范要求可知,自重條件下的邊坡處于一般穩定狀態。

表2 邊坡穩定性安全系數

表3 邊坡安全等級劃分

3 模擬結果分析

3.1 降雨強度

通過模擬邊坡受到不同強度的降雨,研究降雨強度對邊坡安全系數的影響。主要考慮小雨15 mm/d,中雨30 mm/d,大到暴雨50 mm/d,暴雨100 mm/d,特大暴雨150 mm/d的降雨強度,降雨持時均為48 小時。圖2 所示為降雨強度與邊坡穩定性關系圖。由圖2 可知,邊坡受到不同強度的降雨作用下,其穩定性系數均隨時間呈逐漸降低的趨勢。15 mm/d降雨強度作用下,邊坡穩定性系數減小的幅度最小,分析認為雨強較低時,邊坡受到的總降雨量較小,土體的含水率變化較小,土體的孔隙水壓力與土體的基質吸力變化幅值較低,對邊坡的抗剪強度影響較小,因此邊坡穩定性系數減幅較小。降雨強度不斷增加,邊坡穩定系數下降幅度也逐漸增大,降雨強度為150 mm/d時,邊坡的穩定系數曲線下降趨勢達最大,在100 mm/d和150 mm/d的降雨作用下,48小時后邊坡的穩定性系數分別下降到0.99 和0.94,邊坡處于失穩階段。由于較大強度降雨作用下滲入邊坡內的雨水較多,使土體含水率顯著增加,邊坡的重度增幅較大,土體抗剪強度也顯著降低；土體的基質吸力進一步降低,以上因素共同作用下使得邊坡的安全系數迅速降低,逐漸變為不穩定狀態。

圖2 降雨強度與邊坡穩定性關系圖

3.2 降雨類型

自然降雨有多種類型,簡化分析,取遞增型、遞減型、中心型、平均型四種降雨類型,分析不同降雨類型對邊坡穩定性影響。選取的四種降雨類型總降雨量均是130 mm,降雨類型及對應流量見圖3。圖4是降雨類型與邊坡穩定性關系圖。

圖3 降雨類型

圖4 降雨類型與邊坡穩定性關系圖

由圖4可知,當降雨強度與邊坡的穩定性系數呈正相關,隨著降雨強度越大,邊坡的穩定系數降幅也較大。遞增型降雨類型的前期雨強較小,邊坡穩定系數曲線變化較小；隨著降雨后期雨強逐漸增加,邊坡的安全系數大幅降低。遞減型降雨在前期雨強最大,前期降雨使土體含水率顯著增大,土體抗剪強度迅速降低使邊坡穩定性系數降幅較大。遞減型降雨穩定系數在前期降幅最大,后期隨著降雨強度逐漸減小,邊坡的穩定性系數降幅也逐漸降低。中心型降雨條件下,由于前期雨強對土體含水率及孔隙水壓力等影響較小,因此對邊坡安全系數的影響較低；降雨后期雨強逐漸增大,雨水迅速滲入土體內部導致土體的含水率顯著增加,使得土體淺表層出現一定深度暫態飽和區域,此時土體抗剪強度顯著降低,邊坡安全系數逐漸降低。隨著降雨強度降低,邊坡淺表層區域內的土體逐漸處于飽和狀態,由于滲透系數降低導致土體入滲量降低,沿著坡表向下形成徑流,所以邊坡穩定系數的變化較小。均勻型降雨在各階段的雨強保持穩定,雨水滲透性由快逐漸降低,對應于邊坡穩定系數前期較均勻下降,后期趨于穩定狀態。

3.3 長期持續降雨

通過施加降雨強度為30 mm/d的等強型降雨,持時共計12天,研究降雨持時對邊坡穩定的影響,繪制其對應的安全系數隨時間變化,圖5是長期降雨條件下該邊坡的穩定系數隨時間變化的曲線圖。

由圖5可知,邊坡在受到長期持續性30 mm/d的降雨作用下,穩定系數逐漸降低,第288 小時時刻邊坡的安全系數達到最小值,約0.97,表明此時邊坡已經處于失穩狀態。邊坡穩定系數在降雨前期下降幅度較大,降雨后期逐漸趨于平緩。分析認為,降雨前期邊坡土體內的含水量較低,土體抗剪強度相對較大,此時邊坡穩定性系數較高；持續降雨作用下,水分不斷向下入滲,土體含水率逐漸增加,土體基質吸力逐漸降低,抗剪強度顯著降低,導致邊坡的整體安全系數降幅增加。降雨持續一定的時間后,邊坡表層土體的含水率逐漸上升,達到相對飽和狀態后,表層土體的滲透系數降低,過量的雨水無法繼續滲透,過量的降雨不能繼續向下滲入邊坡內部,多余的水分在坡表匯聚,在重力作用下形成一定流量坡面徑流,逐漸向下流走,對應于此時邊坡穩定性系數不再顯著降低。降雨完成后,此時邊坡安全系數變為0.97,為整體失穩階段。

圖5 長期降雨與邊坡穩定性關系圖

4 邊坡加固防護措施

綜上可知,降雨作用將極大影響邊坡的穩定性,使邊坡由穩定逐漸變為不穩定狀態。因此,有必要考慮降雨作用下邊坡的加固防護措施。

（1）邊坡排水防護措施

排水防護工程的主要措施有邊溝、截水溝、排水溝、急流槽、盲溝等。其中邊溝、截水溝與排水溝是低等級公路中最常見的防護措施。

（2）邊坡工程防護措施

邊坡工程防護是指使用砂漿、石灰、水泥、等施工材料的工程防護措施,植被土與邊坡護面墻是最常見的加固形式。

邊坡護面墻常用于易風化、較破碎的巖質邊坡,主要防治坡面的風化、侵蝕及部分局部滑坡等破壞。但是該支護方式不能承受加固結構墻后的主動土壓力。常見的邊坡護面墻主要有孔窗式及拱式等形式。

5 結論

利用Geostudio模擬分析降雨強度、類型及持續性時間對邊坡安全系數的影響,并簡要討論考慮降雨作用下邊坡加固措施,主要結論如下：

（1）不同類型降雨類型對邊坡安全系數影響較大,邊坡的安全系數的降低隨著降雨強度呈正相關,中心型降雨作用下邊坡安全系數最小。

（2）邊坡在暴雨及大暴雨的情況下安全系數都小于1.3,需要采取針對性的加固措施。

（3）考慮降雨強度30 mm/d,持時12 天后,邊坡的穩定系數小于1.0,此時邊坡失穩。

（4）降雨作用對邊坡的穩定性影響較大,宜注意排水措施,根據實際情況采取相應的坡面防護。