非飽和土邊坡滲流特性和穩定性研究

史旭波，王 飛，孫娜科

（中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050200）

1 概述

降雨入滲、水位變動等自然活動常常影響邊坡穩定，嚴重時造成邊坡滑坡。我國作為世界上地質災害發生最多的國家之一，每年因邊坡坍塌、滑坡等災害導致的國家經濟損失和人民生命安危不計其數。由此引發了科學界對邊坡問題研究的熱潮。

越來越多的科研工作者針對非飽和土邊坡滲流特性和穩定性問題開展研究，并取得了一系列的成果。姚海林等[1]基于某非飽和膨脹土邊坡工程，通過建立三維數值模型研究了降雨入滲對邊坡穩定性的影響，并對敏感參數進行參數分析。朱文彬等[2]利用數值模擬手段，開展了公路邊坡降雨引起的滲流分析，對邊坡的穩定性進行了研究。夏瓊等[3]通過有限元軟件對土質路基邊坡滲流場進行模擬，研究了不同降雨模型下邊坡的滲流特性和穩定性。吳江鵬等[4]數值分析了土質邊坡開挖下邊坡的變形破壞，并總結了邊坡的變形機理。基于此，深入研究了降雨作用下土質邊坡變形破壞規律。廖紅建等[5]基于某庫岸邊坡工程，探討了庫區水位變化下坡體的穩定性，并獲得了坡體滑動的變形規律和機理。董金玉等[6]通過數值手段分析了庫水位升降對大型堆積體邊坡的影響，研究了邊坡的破壞機理，并進一步對邊坡的變形進行了預測。徐晗等[7]通過ABAUQS有限元軟件，研究了降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩定性，系統研究了降雨時長和降雨強度等影響。

本文基于某實際邊坡工程，利用有限元軟件對該工程進行模擬，研究了地下水位變化和降雨入滲對邊坡穩定的影響。

2 工程概況

某水庫作為著名的旅游景點，擬建高速公路穿越該庫岸區，對該庫區的生態環境、庫區水質、生物多樣性等都有影響。而且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175m，冬季枯水期水位在165m左右，水位漲落差達10m。

3 有限元模型的建立

3.1 三維數值模型

基于實際工程的水庫邊坡建立有限元數值模型，模型對邊坡的地形地質條件做了一定簡化處理，以方便計算。該邊坡由均質的含礫粘性土構成，邊坡的示意圖如圖1所示。邊坡的本構關系采用M-C屈服準則。模型的邊界條件如下：模型的底部約束x和y方向的位移，模型的左右邊緣約束x方向的位移，模型頂面，包括坡面和兩個平地面為自由邊界。網格類型為雙線性位移和孔壓下的四結點平面應變四邊形單元（CEP4P），其網格節點共2060個，單元共有1982個。

圖1 模型示意圖

3.2 計算參數的選擇

依據現場勘探資料，水庫邊坡土體參數取值如表1所示。

表1 材料參數表

4 數值模擬結果分析

為研究庫岸邊坡水位上升速率對庫岸邊坡穩定性的影響，分析了四種不同水位上升速率工況：0.5m/d、1.0m/d、1.5m/d和2.0m/d（初始水位為165m，結束水位為175m）。

圖2給出了不同水位上升速率下邊坡穩定性系數隨作用時長的變化曲線。如圖2所示，庫岸邊坡穩定性系數曲線的變化規律一致：在邊坡水位上升過程中，邊坡穩定性系數首先緩慢變小，隨后快速變大。這是由于庫區水位上升過程的初期階段，土體含水率的增長導致邊坡土體抗剪強度降低，其造成的不利影響大于邊坡滲水導致的水浮力對邊坡穩定性的有利影響。隨著水位的進一步上升，邊坡滲水導致的水浮力對邊坡穩定性的有利影響逐漸擴大，因此邊坡穩定性迅速變好。對比四種不同水位上升速率工況的穩定性系數變化曲線可見，在水位上升高度一致的情況下，邊坡的最終穩定性系數隨著水位上升速率的增大而增大。這是因為水位上升速率越快，邊坡內部土體浸潤線明顯滯后于水庫水位，這導致指向邊坡內部的動水滲透壓力增大，因此邊坡穩定性增強。綜上所述，水庫在蓄水過程中為保證庫岸邊坡的穩定性，在水位上升初期，應低速提升水庫水位；當水位提升到某一高度后，需快速提升水位。

圖2 不同水位上升速率下邊坡穩定性系數變化曲線

為研究庫岸邊坡水位下降速率對庫岸邊坡穩定性的影響，分析了四種不同水位下降速率工況：0.25m/d、0.50m/d、0.75m/d和1.00m/d（初始水位為175m，結束水位為165m）。

不同水位下降速率下邊坡穩定性系數隨作用時長的變化曲線如圖3所示。如圖3所示，庫岸邊坡穩定性系數曲線的變化規律一致：在邊坡水位下降過程中，邊坡的穩定性系數首先迅速減小，隨后逐漸增大并趨于穩定。這是由于庫區水位下降過程的初期階段，土體含水量降低導致抗剪強度降低的有利影響遠小于坡體內外部分水位差導致的下滑力增大的不利作用，由此造成庫岸邊坡穩定性急劇下降；當水庫水位上升一定時間后，土體含水量降低導致抗剪強度降低的有利影響起主導作用，從而庫岸邊坡穩定性逐步增強。對比四種不同速率的穩定性系數可看出，當下降水位的高度一定時，水位下降越快庫岸邊坡的最終穩定性越差。綜上所述，水庫在排水過程中為保證庫岸邊坡的穩定性，在水位下降初期，應以較低的速率排水；當水位下降到某一高度后，應該加快排水速度。

圖3 不同水位下降速率下邊坡穩定性系數變化曲線

為研究不同降雨強度對庫岸邊坡穩定性的影響（保持降雨時長不變），分析了五種不同工況的結果。具體工況如下，降雨時長為1d，停雨時長為3d，降雨強度分別為：100mm/d、150mm/d、200mm/d、250mm/d和300mm/d。

不同降雨強度下邊坡穩定性系數隨作用時長的變化曲線如圖4所示。如圖4所示，未降雨條件下，庫岸邊坡的穩定性系數約為1.24。從圖中可以看出，不同降雨強度條件下邊坡穩定性系數變化規律一致：庫岸邊坡的穩定性系數隨著作用時長先迅速減小，隨后逐漸增大直至趨于穩定。降雨強度為100mm/d、150mm/d、200mm/d、250mm/d和300mm/d時的最小穩定性系數分別為1.17、1.14、1.11、1.09和1.085，可見邊坡的穩定性隨著降雨強度的增大越來越差，且邊坡穩定性系數下降速率也越來越大。從穩定性系數曲線上升段部分可以看出，邊坡穩定性系數增大幅度隨著降雨強度的增大而加快，這是由于降雨時長條件下，坡內浸潤線隨降雨強度增大而變高。當停雨后，坡內浸潤線越高的工況坡內滲水量愈大，孔隙水壓力消散速度也加快，土體抗剪強度也愈大，因此邊坡穩定性系數增大幅度更大。但當降雨強度超過250mm/d時，邊坡穩定性曲線上升段曲線重合，這說明此時降雨強度與穩定性系數無關，這是由于當降雨強度超過250mm/d時，邊坡土體已飽和，坡內浸潤線高度一樣，因此停雨后的下降速率無差別。

圖4 不同降雨強度下邊坡穩定性系數變化曲線

為研究不同降雨時長對庫岸邊坡穩定性的影響（保持降雨強度為135mm/d不變），分析了五種不同工況的結果。降雨時長分別為1d、1.5d、2d、2.5d和3d，與之對應的停雨時長分別為4d、3.5d、3d、2.5d和2d。

不同降雨時長下邊坡穩定性系數隨作用時長的變化曲線如圖5所示。如圖5所示，未降雨條件下，庫岸邊坡的穩定性系數約為1.24。從圖中可以看出，不同降雨時長條件下邊坡穩定性系數變化規律一致：庫岸邊坡的穩定性系數隨著作用時長先減小后增大。降雨時長分別為1d、1.5d、2d、2.5d和3d的最小穩定性系數分別為1.147、1.121、1.092、1.092和1.092。從降雨時長為1d、1.5d、2d三個工況可以看出，庫岸邊坡穩定性系數隨著降雨時長的增加，其下降速率增大。從降雨時長為2.5d、3d兩個工況可以看出，當降雨時長不低于2.5d時，庫岸邊坡最終穩定性一致。對比降雨時長1d、1.5d、2d三個工況曲線的上升段可以發現，邊坡穩定性系數隨著降雨時長的增加，其增長速率越快。這是由于降雨時長條件下，坡內浸潤線隨降雨強度增大而變高。當停雨后，坡內浸潤線越高的工況坡內滲水量愈大，孔隙水壓力消散速度也加快，土體抗剪強度也愈大。對比降雨時長2d、2.5d、3d三個工況曲線的上升段可以發現，邊坡穩定性系數增長速率基本一致，這是由于該工況下降雨后的坡體浸潤線一樣高。

圖5 不同降雨時長下邊坡穩定性系數變化曲線

5 結論

本文基于某實際邊坡工程，利用有限元軟件對該工程進行模擬，研究了地下水位變化和降雨入滲對邊坡穩定的影響。主要得到以下結論：

（1）在邊坡水位上升過程中，邊坡穩定性系數首先緩慢變小，隨后快速變大。在水位上升高度一致的情況下，邊坡的最終穩定性系數隨著水位上升速率的增大而增大。

（2）在邊坡水位下降過程中，邊坡的穩定性系數首先迅速減小，隨后逐漸增大并趨于穩定。當下降水位的高度一定時，水位下降越快庫岸邊坡的最終穩定性越差。

（3）邊坡的穩定性隨著降雨強度的增大越來越差，且邊坡穩定性系數下降速率也越來越大。邊坡的穩定性系數隨著降雨時長的增大而減小。