基于有限元方法的降雨條件下公路路塹邊坡穩定性研究

作者簡介：代 超（1989—），碩士，工程師，主要從事公路設計工作。

摘要：文章依托某高速公路四級路塹高邊坡，通過對邊坡雨水入滲形式進行分析，結合實際情況，利用Geo Studio有限元軟件進行計算，得到如下結論：（1）邊坡降雨入滲可以從時間和空間兩個維度進行分析，主要是因為雨水入滲導致邊坡土體軟化、基質吸力降低等情況，引發邊坡失穩變形；（2）隨著降雨強度的增加，邊坡安全系數不斷降低，其表層孔隙水壓不斷增大，土體位移也不斷增大；（3）降雨類型的變化主要是不同時長及瞬態降雨強度的變化，邊坡安全系數降低速率與瞬態降雨強度呈現負相關，表層孔隙水壓與瞬態降雨強度呈正相關，均峰型降雨引發的邊坡位移最大。

關鍵詞：降雨入滲；路塹邊坡；Geo Studio；邊坡穩定性

中圖分類號：U416.1+4A100314

0 引言

隨著我國綜合國力的不斷提升，公路建設投入不斷增加，高速公路已經成為人們出行中必不可少的一環。隨著高速公路建設向地形復雜的山區拓展，不可避免會遇到許多因開挖而形成的路塹高邊坡，這些邊坡在降雨情況下的穩定性一直是學者們研究的重點。宋宜祥等^［1］考慮到傳統的降雨入滲計算方法在基質吸力與層間積水點形成關系深入程度的不足，利用Green-Ampt模型改進了多層結構邊坡的降雨入滲算法，進一步分析了入滲深度與時間的關系，認為該方法的精度較傳統方法更高。劉坤等^［2］將年平均降雨量、滲透性系數、地下水位位置、基質吸力摩擦角等參數作為變量，研究了相同降雨工況下，邊坡滲流場和穩定性的變化。吳旭敏等^［3］根據實際工況，采用Geo Studio等軟件分析了降雨時間、長度、類型等因素對邊坡穩定性的影響。王江平等^［4］根據非飽和土理論，利用Geo Studio軟件研究了降雨強度、滲透系數等對邊坡穩定性的影響。潘威等^［5］為研究降雨對黃土路基邊坡穩定性的影響，建立了降雨入滲情況下的路基偏微分方程，根據其顯式解對不同降雨工況下邊坡土體含水率變化情況進行了深入分析。許四法等^［6］研究了不同降雨條件下，含雙層軟弱夾層邊坡的基質吸力和水體積分數的變化規律。本文依托某高速公路四級開挖路塹高邊坡，通過調研分析邊坡雨水入滲形式，結合實際情況，利用Geo Studio有限元軟件進行計算，分析了路塹邊坡在不同降雨強度和降雨類型工況下的穩定性。

1 降雨入滲過程分析

降雨是引發邊坡失穩變形的主要原因之一。降雨入滲導致邊坡土體軟化、基質吸力降低、地下水滲流，從而引發邊坡失穩變形。整個入滲過程可以從時間和空間兩個方面描述。

從時間上來看，初始降雨時期，坡表土體較為干燥，含水率低，因此滲透能力較強，大部分雨水均能滲入土體中。但隨著雨水入滲量的增加，坡表土體含水率上升，滲透能力降低，雨水不能完全滲入坡體，匯聚成表面徑流。隨著降雨時間的持續增長，坡表土體達到飽和狀態，其表面靜水壓力與動水壓力相等，形成一個暫態飽和區，該區域隨著降雨時間的不斷增長，沿著邊坡向深處逐步擴展，直至雨停后一段時間才縮小至消失。該區域的存在使邊坡土體的基質吸力明顯降低，土體軟化，抗剪強度大幅下降，最終導致邊坡失穩破壞。

從空間上看，邊坡降雨入滲主要是邊坡土體內部含水率的分布變化。均質邊坡土體內部含水率變化如下頁圖1所示。圖1中縱軸0～Z表示邊坡表面至邊坡深處的深度，橫軸表示降雨入滲情況下土體的含水率。受雨水影響從邊坡表層到邊坡深處主要可以分為4個區域：（1）飽和區，該區域內土體含水率達到飽和狀態，在降雨入滲過程中，該區域整體含水率基本不變；（2）過渡區，該區域內土體含水率較高，但尚未達到飽和狀態，含水率隨深度變化明顯，深度越大，含水率越低；（3）傳導區，該區域跨越深度范圍大，但含水率隨深度變化不明顯；（4）濕潤區，該區域土體含水率隨深度變化逐漸接近土體原始含水率。

2 模型及工況

本文基于實際工程情況，選用Geo Studio軟件計算降雨條件下邊坡土體的滲流情況，并進行穩定性分析。根據工程地勘報告，選擇了典型工況的路塹高邊坡進行研究。該邊坡總高度為30.3 m，分四級開挖，從上至下坡度分別為：1∶1.5、1∶1.25、1∶1.25、1∶1.0，高度分別為6.1 m、8 m、8 m、8 m，每級臺階寬度均為2 m。在模型使用了三角形和四邊形網格進行自動加密劃分。進行數值仿真分析時，選用Geo Studio軟件中的SEEP/W滲流模塊、SIGMA/W應力模塊以及SLOPE/W穩定性模塊進行計算。使用SEEP/W滲流模塊時，設置下邊界為不透水邊界，左右邊界為0流量邊界。坡表主要根據不同工況的降雨強度以及坡表土體的滲透系數進行設置：當兩者之比較小時，設置坡表為單位流量邊界；當兩者之比較大時，設置坡表為定水頭邊界。在使用SIGMA/W應力模塊時，定義下邊界為全約束，定義左右邊界為法向約束。其二維模型如圖2所示。邊坡各層土體材料力學參數如表1所示。

計算流程為：劃分邊坡網格后，將其導入SEEP/W滲流模塊計算邊坡初始孔壓分布，以瞬態計算確定其內部的滲流場情況；然后將計算后的模型導入SIGMA/W應力模塊，計算邊坡整體的應力和位移情況；最后導入SLOPE/W穩定性模塊確定邊坡穩定狀態。

該工程所處區域干濕季節分明，降雨主要集中于夏季，其他季節較為干燥。為了研究不同降雨類型和降雨強度對邊坡孔隙水壓力、邊坡土體水平位移以及邊坡整體穩定性的影響，綜合當地實際降雨情況（最大為37 mm/d），并按照相同的降雨時間，設置了五種降雨強度工況，分別為：中雨（20 mm/d）、大雨（30 mm/d）、暴雨（80 mm/d）、大暴雨（100 mm/d和150 mm/d），均采用均峰型進行降雨。此外，設置總降雨量均為120 mm的前峰型、中峰型、后峰型及均峰型這四種工況，以研究不同雨型的影響，具體工況如表2所示，具體峰型如圖3所示。

3 結果分析

3.1 降雨強度對邊坡穩定性的影響

在五種不同的降雨強度工況下，路塹邊坡的安全系數變化如圖4所示。由圖4可知，隨著降雨時長的增加，不同降雨強度下的路塹邊坡安全系數均有下降的趨勢；當降雨時長相同時，降雨強度越大，則路塹邊坡的安全系數越低；五種降雨強度連續降雨3 d，邊坡的最低安全系數依然gt;1.385，即此時的邊坡仍處于穩定狀態。當工況為中雨（20 mm/d）和大雨（30 mm/d）時，因其降雨強度小，雨水入滲量少，因此邊坡抗剪強度變化小，整體穩定性較高，所以其安全系數隨降雨時長而變化的程度較小。當工況為大暴雨（150 mm/d）時，降雨強度大，雨水大量入滲，導致邊坡抗剪強度也大幅下降，整體穩定性變弱，因此而其安全系數隨著降雨時長而出現明顯的降低。

隨著降雨強度的增加，邊坡表層的負孔隙水壓不斷增大。當降雨強度為暴雨（80 mm/d）時，邊坡表面出現了暫態飽和區，后隨著降雨強度的增大，暫態飽和區范圍不斷增大。但在不同降雨強度工況下，邊坡僅表層孔隙水壓力變化較為明顯，其內部孔隙水壓力變化不明顯。因此可認為降雨對邊坡的影響集中在坡表，即邊坡表面失穩風險更大。

而分析邊坡位移可知，邊坡土體位移隨著降雨強度的增大而增大，其位移最大處也是孔隙水壓力變化最大處。究其原因是降雨強度增大，雨水入滲量增多，滲入深度增大，從而導致土體抗剪強度降低，則邊坡位移增大，失穩可能性上升。此外，坡頂位移較坡腳位移變化明顯，究其原因是坡頂黏土受雨水入滲影響較坡腳中風化泥巖更大。

3.2 降雨類型對邊坡穩定性的影響

在總降雨量為120 mm的四種不同降雨類型工況下，路塹邊坡的安全系數變化如圖5所示。由圖5可知，不同雨型的邊坡安全系數變化規律不一致，總體上隨著降雨量的增加，安全系數呈現減小趨勢，但降雨強度較小時，安全系數降低速率也較小，降雨強度較大時，其安全系數降低速率也較大。前峰型降雨中，其前期降雨強度較大，此時邊坡安全系數減小較快，降低速率較大，而后期降雨強度降低，其邊坡安全系數減小較慢，速率較?。缓蠓逍徒涤陝t相反，其前期邊坡安全系數變化較小，后期隨著降雨強度的增加，其安全系數變化較大；中峰型中期安全系數降低最明顯；均峰型的安全系數降低速率較為均勻，隨時間變化不明顯。四種雨型下最終安全系數差別較小，均處于穩定狀態。但仍然呈現出后峰型gt;中峰型gt;前峰型gt;均峰型的現象。究其原因是前期降雨強度越大，導致邊坡安全系數的降低越明顯，而隨著降雨量的持續增加，安全系數進一步降低，因此其最終的安全系數越小。

邊坡孔隙水壓變化速率也與降雨強度有關。前峰型降雨中，前期降雨強度大，孔隙水壓力增加速率也大，后期降雨強度降低，其增加速度變緩，且表層水分向深層遷移，使表層孔隙水壓有所減小。后峰型降雨中，邊坡前期孔隙水壓增加速率較慢，后期隨著降雨強度的增加，其孔隙水壓增加速率顯著增大。中峰型降雨中，前期變化與后峰型相似，后期變化與前峰型相似。均峰型降雨中，前期雨水充分滲入，使得邊坡孔隙水壓力持續上升，后表層土體含水率近于飽和，其孔隙水壓力較為穩定。

分析邊坡位移可知，邊坡土體位移隨著降雨強度的增大而增大，且均峰型gt;前峰型gt;中峰型gt;后峰型。究其原因是均峰型降雨使得雨水能夠連續不斷地深入邊坡，使得土體不斷被軟化，導致位移最大。其他峰型在降雨強度較大時，其降雨量超過邊坡能夠滲入的水量，故而形成表面徑流，未滲入邊坡。

4 結語

本文依托某高速公路四級路塹高邊坡，對邊坡雨水入滲時隨時間和空間的變化情況進行了分析，并利用Geo Studio軟件中的SEEP/W滲流模塊、SIGMA/W應力模塊以及SLOPE/W穩定性模塊進行了計算，得到如下結論：

（1）在降雨前期，邊坡含水率較低，雨水入滲作用較明顯；隨著雨水入滲量的增多，邊坡含水率增大，形成暫態飽和區；雨水入滲量減少，形成表面徑流。而雨水入滲會使得邊坡隨著距坡表的深度形成四個區域，含水率從飽和狀態逐漸變化至初始狀態。

（2）五種降雨強度連續降雨3 d，路塹邊坡的安全系數隨著降雨時長的增加而降低；降雨相同時長的情況下，邊坡安全系數隨著降雨強度的增加而降低，但該五種工況下邊坡均處于穩定狀態。隨著降雨強度的增加，表層土體的孔隙水壓不斷增大，出現暫態飽和區，而深層土體變化較小，即邊坡表層失穩可能性更大。此外，邊坡土體位移隨著降雨強度的增加而增大。

（3）四種不同雨型按總降雨量為120 mm降雨3 d，邊坡總體安全系數隨著降雨量的增加而降低，均峰型降雨因其降雨強度均勻，雨水入滲量最大，土體軟化作用最明顯，故邊坡土體最終位移最大。

參考文獻

［1］宋宜祥，尹子航，黃 達.基于Green-Ampt模型的多層結構邊坡降雨入滲改進計算方法及穩定性影響研究［J］.水文地質工程地質，2022，49（6）：162-170.

［2］劉 坤，韓長玉，郝藝丹，等.基于降雨入滲的非飽和土邊坡穩定性影響因素分析［J］.水電能源科學，2022，40（10）：183-186.

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