降雨入滲對土質邊坡穩定性影響

張喬軍

（貴州水利科技開發有限責任公司，貴州 貴陽 550002）

1 引 言

邊坡失穩問題是中國西南山區最嚴重的地質災害之一。研究表明，影響邊坡失穩的因素有很多種，常見的比如降雨、地震、構造運動、地質條件及水文條件等。其中降雨又是影響邊坡失穩最重要的因素之一。目前大量學者針對降雨對邊坡穩定性的影響開展了研究。文章基于數值模擬，建立數值計算模型，系統地研究了降雨強度和降雨持續時長對邊坡孔隙水壓力和穩定性的影響。文章的研究可為類似工程提供參考。

2 數值模擬

文章采用GeoStudio 數值軟件進行計算，分析邊坡在不同降雨強度和降雨持續時長對邊坡穩定性的影響。建立數值模型見圖1 所示。鑒定邊坡土體為典型的砂土類型。為了更直觀地分析邊坡不同位置的滲流及位移變化情況，文章選擇了兩個坡頂和坡腳代表性的監測點（A 點和B 點，詳見圖1）。參考相關研究文章計算中采用的土體物理力學參數見表1 所示。計算中假定土體時連續均勻的介質，且降雨強度在一定時間內保持不變。

表1 巖土體物理力學參數表

圖1 邊坡典型剖面圖

文章計算了三種不同的降雨強度，分別為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d。兩種不同的降雨持續時間，分別為降雨停止后1 d和6 d。

3 計算結果與分析

3.1 降雨強度對邊坡孔隙水壓力的影響

圖2 匯總得到不同降雨強對邊坡坡頂和坡腳位置處孔隙水壓力的影響。根據圖2（a）和圖2（b）對比分析可知。不同的降雨強度下，監測點的孔隙水壓力隨降雨持續時間的增大而先增大后保持不變。在降雨時間小于10 h時，坡頂和坡腳的孔隙水壓力迅速增大，當降雨持續時間大于12 h，監測點的孔隙水壓力有所波動隨后保持不變。其中孔隙水壓力隨降雨強度的增大而有所增大，對于監測點A來說，在降雨強度為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d 工況下，孔隙水壓力的最大值分別為-25 kPa、-24 kPa和-19 kPa；對于監測點B來說，在降雨強度為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d 工況下，孔隙水壓力的最大值基本與A 點相同。總體來看，不同降雨強度下，兩個監測點孔隙水壓力變化在0.4 kPa-2 kPa左右。

圖2 降雨強度對邊坡孔隙水壓力的影響圖

3.2 降雨歷時對砂坡孔隙水壓力的影響

圖3 匯總得到降雨持續時長對邊坡孔隙水壓力的影響。結果表明，坡體坡頂和坡腳位置處的降雨時間對孔隙水壓力影響明顯不同。圖3（a）結果表明，腳頂位置處的變化最明顯。總體來看，坡頂位置處的孔隙水壓力隨時間的增大而先增大后減小最后保持平穩。對于降雨時長為1 h、降雨時長為2 h及降雨時長為3 h 下，坡頂位置處最大孔隙水壓力分別為-16 kPa、-13.8 kPa 和-13.6 kPa。圖3（b）結果表明，腳腳位置處的變化比較小，不同歷時下，坡腳位置處的孔隙水壓力基本保持不變，最大值均為-23 kPa。總體來看，降雨歷時在一定時長內會比較顯著的影響邊坡孔隙水壓力的幅值，當超過這個范圍對邊坡孔隙水壓力影響逐漸變弱。

圖3 降雨持續時長對邊坡孔隙水壓力的影響圖

此外，隨著降雨時間的增加，雨水入滲深度增大，水量供給量增多，滲入邊坡的水增多。根據水文學入滲原理，雨水滲入坡內的深度隨降雨時間的增大而增大。

3.3 降雨入滲對邊坡穩定性的影響

文章采用強度折減法得到邊坡在不同工況下穩定性的變化情況。圖4 匯總得到邊坡穩定系數隨降雨強度的影響。結果表明，不同降雨強度下，邊坡的穩定性系數變化規律基本相同，均表現出隨時間的增大而先減小后增大。且邊坡的穩定系數隨降雨強度的增大而減小。對于降雨強度為50 mm/h時，邊坡的穩定系數由開始的1.25 降低至最小值1.18，隨后增大至1.19；對于降雨強度為100 mm/h 時，邊坡的穩定系數由開始的1.25 降低至最小值1.15，隨后增大至1.16；對于降雨強度為150 mm/h 時，邊坡的穩定系數由開始的1.25 降低至最小值1.123，隨后增大至1.15。可以看出三種不同的降雨強度下，邊坡的穩定系數都表現出先減小后有所增大的趨勢，這是因為隨時間的增大，降雨入滲的一部分排出土體內部，導致基質吸力增大，土體的穩定性上升。

圖4 降雨強度對邊坡穩定性的影響圖

圖5 匯總得到邊坡穩定系數隨降雨歷時的影響。結果表明，不同降雨歷時對邊坡的穩定系數的影響表現出較大的差異。其中三種不同的降雨歷時在降雨12 h前，邊坡的穩定系數逐漸降低。當降雨歷時為2 d 和3 d 時，邊坡的穩定性系數在12 h后迅速上升，而降雨歷時為1 d，其上升速度不明顯。降雨歷時越大，降雨期間的穩定性系數最大值越大。其中在降雨時長為1 d 時，邊坡的穩定性系數最大值為1.125，最大值在降雨初期；在降雨時長為2 d時，邊坡的穩定性系數最大值為1.165，最大值在20 h；在降雨時長為3 d時，邊坡的穩定性系數最大值為1.165，最大值在降雨初期，最大值在42 h。可以看出，降雨歷時對邊坡的穩定系表現出較強的初期失穩和雨停失穩現象。對于降雨歷時較小的邊坡穩定性，需考慮降雨初期邊坡穩定性，對于降雨歷時較大的邊坡穩定性，則需要考慮雨停后的邊坡穩定性。

圖5 降雨時長對邊坡穩定性的影響圖

4 結論

①不同的降雨強度下，監測點的孔隙水壓力隨降雨持續時間的增大而先增大后保持不變。總體來看，不同降雨強度下，坡頂和坡腳監測點孔隙水壓力變化在0.40-2 kPa。②坡體坡頂和坡腳位置處的降雨時間對孔隙水壓力影響明顯不同。坡頂位置處的孔隙水壓力隨時間的增大而先增大后減小最后保持平穩。坡腳位置處的孔隙水壓力基本保持不變。降雨歷時在一定時長內會比較顯著的影響邊坡孔隙水壓力的幅值，當超過這個范圍對邊坡孔隙水壓力影響逐漸變弱。③不同降雨強度下，邊坡的穩定性系數隨時間的增大而先減小后增大。這是因為隨時間的增大，降雨入滲的一部分排出土體內部，導致基質吸力增大，土體的穩定性上升。④降雨歷時對邊坡的穩定系表現出較強的初期失穩和雨停失穩現象。