降水入滲對某河道岸坡穩定性影響分析

劉菲菲，蔣曉艷，王啟凡，安琳琳

(1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.華設設計集團股份有限公司常州分公司，江蘇 常州 213000；3.徐州市水利建筑設計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

水是導致邊坡、崩塌等地質災害的主要誘發因素之一，在水的作用下巖土體的物理、力學參數將發生變化[1-3]。一般情況下，巖土體含水量增大將導致其重度發生變化。水將導致巖土體抗剪強度參數降低，從而導致邊坡出現變形失穩破壞。因此，專家、學者對降水對邊坡穩定性產生的影響進行了深入的研究，取得了諸多學術成果[4-7]。數值模擬方法和物理模型試驗方法是邊坡穩定性研究中常用的方法，2種方法均可較為準確的分析邊坡變形失穩破壞情況，物理模型試驗與數值模擬分析方法相比，可為更為直觀的反應邊坡的變形破壞過程，但數值模擬分析方法可以獲取更多的數據信息，有利于邊坡變形破壞機制分析的研究。

通過前人的研究成果可以得知，水對邊坡穩定性影響較大，降水是造成邊坡失穩的重要因素之一，因此，結合某河道岸坡工程的實際情況，對降水條件下岸坡穩定性進行分析研究，為后續工作提供指導。

1 河道岸坡工程條件及數值分析模型建立

為了保證河道工程的安全，對河道邊坡進行了修復治理，周邊重要工程較少，具有較好的空間，可以采用放坡的方式進行支護處置。

通過現場調查，場地土層具有顯著的河道沖積土層，從上至下主要為素填土、粉土、粉質粘土、卵石層、粉質粘土層。河道岸坡總高度約為28m，結合周邊條件，采用三級放坡支護，放坡坡比均為1∶1.0，從上至下坡高分別為8.0、10.0、10.0m。

根據邊坡開挖坡比、坡高建立數值模擬計算模型，研究不采取加固措施和采用錨桿加固后不同降水條件下的岸坡穩定性情況，計算工況見表1。數值模擬計算模型2側采用法向約束、底部采用全約束的邊界條件。數值分析采用PLAXIS 3D軟件，各土層計算參數見表2。

表1 河道邊坡計算工況

表2 土層計算參數表

水土特征曲線是影響水土耦合分析計算的重要參數，其正確性對邊坡穩定性分析的準確性影響較大。目前，在邊坡水土耦合分析過程中主要采用Van Genuchgen確定該邊坡巖土體的水土特征曲線[8-9]。該方法主要計算過程如下：

(1)

式中，ua、uw—孔隙氣壓力和孔隙水壓力，kPa；ψ、ks—土體的基質吸力，kPa、飽和滲透系數，cm/s；m、n、α—待定參數，無量綱；Sr、kr—飽和度、相對滲透系數，無量綱；θr、θw、θs—殘余體積含水量、體積含水量、飽和體積含水量，無量綱。

在數值模擬方法中，通常采用強度折減法對邊坡工程的穩定性情況進行分析研究，該方法經過了多項工程的檢驗，計算結果較為可靠，此處不再贅述該方法的計算理論。

2 計算結果與分析

2.1 降水對邊坡孔隙水壓力的影響成果分析

根據建立的數值模擬計算模型，分析降水對河道邊坡孔隙水壓力的影響情況，計算結果如圖1所示。從圖1可以得知，降水導致的負孔隙水壓力的變化過程和降水強度關系較小，不同降水強度不影響負孔隙水壓力的變化過程。但是，降水強度對最大孔隙水壓力的形成時間影響較大。不同降水條件下不同深度的最大孔隙水壓力形成時間見表3。當降水強度過大時，邊坡可能形成表面徑流或者積水情況，同時，降水強度越大入滲深度也相對增大，隨著入滲深度的增大，入滲速度將減小，主要原因是隨著深度增大，孔隙水壓力減小，入滲速度也隨之減小。

圖1 降水強度對孔壓的影響曲線

表3 不同降水條件下不同深度的最大孔隙水壓力形成時間 單位：d

2.2 不同降雨時長邊坡破壞過程分析

采用100mm降水強度，對邊坡降水條件下的穩定性情況進行分析，PLAXIS 3D數值分析計算結果如圖2所示。根據數值模擬分析計算結果可知，該放坡的變形破壞首先發生于最下層邊坡的坡腳部位，隨著降水的進行，邊坡變形破壞影響范圍不斷增大，主要表現為由下至上的發展過程中。降水導致土層含水率增大、重度增大且抗剪強度參數等降低，邊坡穩定性將有所下降，降水入滲導致邊坡變形破壞范圍不斷向坡內發展，直至形成貫通的破壞面，如圖2(b)所示，邊坡的變形破壞與降水存在一定的滯后性，一般發生在降水后的幾天時間內。

圖2 河道邊坡破壞過程云圖

2.3 未加固條件下邊坡穩定性分析

在未采取支護的情況下，降水邊坡穩定性情況如圖3所示。根據變形曲線可以得知，邊坡穩定性呈現先減小后增大的變化趨勢，主要原因是降水發生后，雨水入滲導致表層巖土體穩定性快速下降。降水后，坡體內部的水體不斷排出，巖土體強度參數有所恢復，邊坡穩定性系數增大。降水強度越大，邊坡安全系數越低，邊坡穩定性下降速率越大。

圖3 未加固邊坡安全系數變化曲線

2.4 錨桿加固后邊坡穩定性分析

在未采取措施的情況下，邊坡穩定性在降水條件下迅速下降，邊坡將發生滑動破壞。為了保證邊坡的穩定性，采取錨桿支護，錨桿設計長度25m，錨固段25m。錨桿加固后，邊坡穩定性情況變化情況如圖4所示。采取錨桿加固后，邊坡穩定性變化過程同未加固條件下基本一致，表現為先減小后增大變化過程，但是邊坡安全系數有明顯的提升。表明采用錨桿支護可以有效提升邊坡的穩定性條件。

圖4 加固后邊坡安全系數變化曲線

3 結論

(1)不同降水條件下，降水強度越大，雨水入滲速度和深度越大，淺層巖土體入滲速度最大，將快速達到飽和狀態，導致表層巖土體發生滑動破壞。

(2)隨降水強度增大，邊坡穩定性系數逐漸減小，邊坡穩定性系數下降速率不斷增大。

(3)采用錨桿加固后，邊坡穩定性情況可以快速上升，與未加固情況一致，均表現為先減小后增大的變化規律。數值分析結果可知，錨桿加固在工程應用效果良好。