降雨強度及持時對邊坡穩定性影響研究

鐘曦岳

(大連市水利建筑設計院有限公司，遼寧 大連 116100)

隨著城市建設進程的推進，土地資源日益稀缺，越來越多的工程開始修建于山區，邊坡護坡不當往往造成山體滑坡、崩塌失穩，造成財產重大損失和人員傷亡[1-2]。因此，邊坡穩定性研究成為巖土工程領域的重點研究課題。降雨入滲對邊坡穩定性影響顯著。降雨水分在邊坡地表時，會逐漸向下滲透到邊坡體內部，增大了邊坡土體的飽和度，降低了土體的抗剪強度，誘發邊坡失穩，導致邊坡滑坡或坍塌。此外，降雨還會導致邊坡土體內部的水壓增大，使得土體的抗剪強度進一步降低。在強降雨時，水壓可能會很快上升，從而迅速引發邊坡失穩。國內外研究人員提出了各種理論和數值模擬方法評價降雨條件下邊坡的穩定性，包括極限平衡法、極限分析法和數值模擬方法，如有限元法、有限差分法、離散元法等[4]。趙衡等[5]利用FLAC3D軟件對某路塹邊坡進行數值模擬分析，得出邊坡破壞方式為對稱破壞，并提出斜坡穩定性極限平衡計算方法。喬翔等[6]針對某公路邊坡的剖面模型，采用極限平衡法對坡體不同部位進行穩定性分析，并根據受力分析提出合理的邊坡加固方案。劉勇等[7]以改良的極限平衡法為基礎，結合室內測試和數值模擬技術，揭示降雨對邊坡安全系數產生顯著影響的影響因素，如降雨強度和降雨時長等，并計算了在降雨入滲作用下，非飽和土質邊坡的穩定性。

大量邊坡失穩工程案例表明，邊坡土體在遭受降雨入滲作用時很容易出現失穩破壞。雨水的滲透會使坡面土體飽和度增加，導致其抗剪能力下降，嚴重影響邊坡穩定性。本文以某水庫邊坡為研究對象，分析降雨強度和持時對邊坡安全系數和變形滲流特征的影響，為降雨條件下邊坡的支護設計方案提供參考。

1 工程概況

某水庫邊坡模型示意圖如圖1所示，坡面前緣長10m，后緣長20m，橫向投影23m。邊坡主要巖性為坡積土，由泥巖露頭和早期淺成巖等巖性組成含少量碎石，碎石粒徑在5～15mm之間，含量約30%，坡積土下部為花崗巖基巖，厚約15～25m。斜坡土體的物理和力學參數見表1。根據斜坡幾何尺寸和物理力學參數，利用ABAQUS軟件對對邊坡滲流及穩定性的影響進行分析。

表1 斜坡面土體物理力學參數

圖1 邊坡模型示意圖

2 邊坡降雨入滲數值模擬

2.1 降雨強度對邊坡滲流的影響

在ABAQUS數值模擬中，降雨強度可以表示為單位流量q(m/h)。通過設置降雨邊界條件實現降雨入滲模擬。斜坡前后及地面采用固定約束邊界，以限制邊坡在該方向上的位移。邊坡除邊界位移條件限制外，還需設置孔隙水壓邊界條件。將邊坡前緣孔壓設置為零，降水滲透基底處孔隙水壓不為零，透水界線設置為離坡底位置10米處，其它區域設置為不透水界線。邊坡土體經過雨水的滲透，會逐漸滲入土體內部，導致土體飽和度增加，同時加大了孔隙水壓強。降雨強度為72h，邊坡不同位置的孔隙水壓分布云圖。如圖2所示。

圖2 雨量強度不同的邊坡孔壓分布情況

邊坡孔隙水壓沿深度逐漸減小，坡底處孔壓最高。邊坡最大孔隙水壓受降雨強度影響，降雨強度由5mm/h提高到10、15、20mm/h，最大孔壓分別提高到107.5、109.7和110.9kPa。隨著降雨強度的加大，邊坡安全系數在降雨持續72h內逐步降低，見表2。這是因為降雨降低了坡面土體的抗剪強度。降雨強度增大，孔隙水入滲程度增大，導致土體的抗剪強度明顯降低。

不同降雨強度下邊坡等效塑性應變云圖，如圖3所示。從圖中可以看出，降雨強度對邊坡塑性應變有一定影響。在降雨強度不同的情況下，邊坡的失穩區域從坡腳發展到坡頂，并形成連續近似圓弧的面，可視為滑動面。其中，15mm/h雨量強度下的斜坡塑性區貫穿的情況更為明顯。此外，隨著降雨強度的加大，邊坡最大塑性應變也有所提高。例如，降雨強度為15mm/h時，邊坡可塑性應變最大為4.306×10-1，而降雨強度為5和20mm/h時，邊坡塑性應變最大為5.446×10-2和8.394×10-2。

圖3 不同于下坡雨量強度應變示意圖

2.2 降雨持續時間對邊坡滲流的影響

不同降雨持續時間情況下，邊坡孔隙水壓分布云圖，如圖4所示。隨著降雨持續時間的增加，邊坡孔隙水壓逐漸增大，同時受降雨持續時間影響的還有邊坡最大孔隙水壓。最大孔隙水壓在降雨持續7h后達到最大值104.3kPa。降雨持續24h后，邊坡最大壓孔達121.3kPa。雨量持續增加至48h和72h后，坡面最大孔壓也相應增加至102.5和104.3kPa。

圖4 下坡滲水示意圖降雨時長條件不同

2.3 降雨持續時間對邊坡穩定性影響

隨著降雨持續時間增加，邊坡穩定性系數也在逐漸降低，見表3。這是由于隨著持續時間的增加，總降雨量也相應增加，從而導致邊坡周圍的蓄水量越來越大，土體的孔壓和飽和度也在逐步增大，導致邊坡土體抗剪切強度因降雨入滲影響逐漸減小，極易發生山體滑坡災害。因此，邊坡抗剪切強度會在降雨持續時間較長的情況下顯著降低，從而導致邊坡穩定性系數降低更為明顯[8]。

表3 與降雨持續時間條件下坡面穩定系數不同

降雨強度5mm/h，降雨持續48h和72h后邊坡塑性應變云圖，如圖5所示。由圖5(a)可知，坡面上的最大應變是9.8×10-2，塑性區的最大應變也是在圖5(b)中的坡腳處，最大應變是8.39×10-3，并延伸到坡頂上的塑性應變區，呈現連續貫通的近似圓弧面，由坡腳向坡頂方向發展至終止，可看作是邊坡的潛在滑動面。降雨持續時間不同會造成邊坡塑性變化。邊坡失穩時塑性區隨著降雨持續增加而逐漸擴大范圍。這是由于雨水逐漸滲入土體內部，造成土體飽和度增加，孔壓增大，對基質的吸力降低，最終引起土體塑性變形而引起的。邊坡的安全系數隨著可塑性面積的增加而變小。此外，長時間的雨水浸潤，不僅使坡面表層土體抗剪強度降低，而且使坡面深部土體產生連續的滑動面，從而出現貫通的塑性區。

圖5 不同于下坡持續時間的雨量等有效適應

3 結語

本文以某水庫邊坡為研究對象，采用有限元數值模擬軟件ABAQUS，分析邊坡在不同降雨強度和時長條件下的安全系數變化，得到以下結論。

(1)降雨強度增大會導致邊坡孔隙水壓增大，當降雨強度為5、10、15、20mm/h時，邊坡土體最大孔壓分別為104.3、107.5、109.7、110.9kPa。

(2)降雨強度為5mm/h，坡腳最大應變能力分別為9.8×10-2、8.39×10-3m，降雨歷時48和72h后，塑性應變區從坡腳延伸至坡頂，形成潛在滑動面。

(3)降雨強度對邊坡的塑性應變有明顯的影響，塑性應變會因降雨強度的增大而增加。在降雨強度為5、10mm/h時，邊坡最大塑性應變分別為5.446×10-2、8.394×10-2m，降雨強度為15mm/h時，邊坡最大塑性應變為4.306×10-1m。