持續(xù)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性影響分析

王正龍WANG Zheng-long；孫小波SUN Xiao-bo

（中煤長江基礎建設有限公司，南京 210046）

0 引言

降雨滲流是影響邊坡穩(wěn)定性的主要誘因之一[1]。我國由于降雨引發(fā)的滑坡事故較高，占總滑坡數(shù)量的90%[2]。邊坡在雨季容易產(chǎn)生滑坡這是一個普遍現(xiàn)象，正常情況下這些邊坡是穩(wěn)定的，但隨著降雨時間的推移和雨水的入滲作用，一些看來十分可靠的邊坡也可能在雨季發(fā)生滑坡。調(diào)查研究表明，絕大多數(shù)邊坡失穩(wěn)出現(xiàn)在降雨期間或降雨之后，可見降雨入滲對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響具有重要意義。

本文根據(jù)某邊坡治理方案，研究持續(xù)降雨條件下對于邊坡穩(wěn)定性的影響，探究在不同降雨強度、不同降雨歷時情況下邊坡穩(wěn)定性的變化情況，以求為今后考慮降雨條件的邊坡治理提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某邊坡長約85m、高約26m，2016 年4 月邊坡左側及坡腳開挖鋪設了供熱管道，導致邊坡局部地段發(fā)生變形跡象，坡頂出現(xiàn)平行邊坡走向的裂縫，威脅到供熱管道的安全運營，擬對該段邊坡進行治理。

該地區(qū)原地貌屬于構造剝蝕低山丘陵區(qū)，后經(jīng)過人工回填形成現(xiàn)狀地形地貌，地表植被不發(fā)育，以雜草、灌木為主。該段邊坡地貌形態(tài)呈陡坡狀，坡面為陡坡，坡面坡度為23°～40°；坡頂?shù)匦位酒教梗植渴艿戒佋O供熱管道人工開挖形成凹坑。邊坡整體地形、地貌特點如圖1。且受管道施工開挖坡腳影響，地表發(fā)育有幾條平行邊坡走向的裂縫，邊坡兩側及前緣未發(fā)現(xiàn)滑動痕跡，說明該邊坡處于蠕變變形階段，滑面尚未貫通，邊坡穩(wěn)定性較差。裂縫如圖2所示。

圖1 邊坡整體地形地貌圖

圖2 邊坡裂縫圖

1.2 工程地質(zhì)條件

該邊坡位于暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季較為分明，春季干旱多風，夏季受東南亞季風氣候影響炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季受西伯利亞高壓氣流控制，雨雪稀少寒冷。整個邊坡地區(qū)的主要土層自上而下分別為素填土、雜填土、泥巖。

該地區(qū)地質(zhì)構造簡單，地層基本呈一單斜構造，巖層傾向與坡向相同。邊坡區(qū)及其附近未發(fā)現(xiàn)斷層、強烈褶曲及巖漿活動。裂隙構造在滑坡區(qū)較發(fā)育，是區(qū)內(nèi)主要結構面之一。

2 Geo-Studio 軟件建模

本次有限元模擬使用Geo-Studio[3，4，5]軟件進行，整個邊坡模型尺寸為長85m、高26m，邊坡坡度設置為39°。土層自上而下分別為素填土、雜填土、泥巖。其中，素填土土層層厚為4.0m，雜填土為10.0m，泥巖為12.0m。其模型具體尺寸參數(shù)如圖3 所示，模型建模圖如圖4 所示。

圖3 模型尺寸圖

圖4 模型建模圖

本次使用有限元軟件Geo-Studio 主要是模擬基于二維的土質(zhì)邊坡在不同降雨強度、不同降雨歷時下的穩(wěn)定性情況，其主要是通過邊坡安全系數(shù)、邊坡中孔隙水壓力來直觀表示。在本次的模型構建中，設置水位位于邊坡底部3m 處，持續(xù)的降雨條件使用Geo-Studio 軟件中的邊界條件來模擬。為了便于計算，不同的降雨強度通過設置邊界條件中的不同單位流量來表示，不同降雨歷時通過設置不同的計算時間來表示。本文運用Geo-Studio 軟件SEEP/W模塊和SLOPE/W 模塊對邊坡進行耦合模擬計算[6]，首先運用SEEP/W 模塊進行瞬態(tài)持續(xù)降雨的模擬，將得到的結果作為父項分析，耦合SLOPE/W 模塊計算坡體穩(wěn)定性。

本次模擬中所用的具體土層參數(shù)表如表1 所示，降雨強度分別設置為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 五個梯度，降雨歷時設置為6h、12h、18h、24h、30h五個梯度。

表1 土層參數(shù)表

3 模擬結果分析

為研究持續(xù)降雨條件下對于邊坡穩(wěn)定性的影響效果，本文一共設置了二組模擬對照分析，即不同降雨強度、不同降雨歷時，通過邊坡安全系數(shù)與孔隙水壓力大小來最終體現(xiàn)持續(xù)降雨條件下對于邊坡穩(wěn)定性的影響，為今后的邊坡防護提供依據(jù)和參考。

3.1 不同降雨強度

本次模擬分析主要模擬了不同降雨強度對于邊坡穩(wěn)定性的影響。共選取了降雨強度分別為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 五個梯度。在不改變其他條件的影響下，即降雨歷時不變，來探尋降雨強度與邊坡安全系數(shù)、孔隙水壓力之間的關系。

本次模擬中，降雨歷時設定為12h。不同降雨強度條件下邊坡安全系數(shù)與其變化率圖及其孔隙水壓力變化圖如圖5、圖6、圖7 所示。

圖5 不同降雨強度下邊坡安全系數(shù)變化圖

圖6 不同降雨強度下12h 后的邊坡安全系數(shù)變化率圖

圖7 不同降雨強度下孔隙水壓力變化率圖

由圖5 可以看出，在降雨歷時等其他條件均不變的情況下，邊坡安全系數(shù)隨著降雨強度的增大而逐漸減小，這與現(xiàn)實情況較為符合，隨著降雨強度的逐漸增大，單位面積上的降雨逐漸增多，雨水入滲隨即增多，致使邊坡土體越來越不穩(wěn)定，從而導致邊坡安全系數(shù)逐漸降低。

由圖6 可以看出，12h 后的邊坡安全系數(shù)亦是隨著降雨強度的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，當降雨強度為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 時，安全系數(shù)分別為1.956、1.769、1.691、1.688、1.676，變化率分別為9.6%、4.4%、0.2%、0.7%。可以明顯的看出，在降雨強度為1.3mm/h 時，安全系數(shù)出現(xiàn)了較大的轉(zhuǎn)折。這可能是因為雖然降雨強度不斷增大，但邊坡土體自身已經(jīng)達到了飽和狀態(tài)，不在發(fā)生劇烈變化，使得安全系數(shù)的降幅減緩乃至停留在某一數(shù)值附近不在發(fā)生大的變化。

由圖7 可以看出，孔隙水壓力隨著降雨強度的增大而逐漸增大，當降雨強度為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 時，最大孔隙水壓力分別為95.8kPa、100.6kPa、103.8kPa、104.4kPa、105.3kPa，變化率分別為5%、3.2%、0.6%、0.9%。其原因與上文中所述類似，即降雨強度不斷增大使得邊坡土體自身達到飽和狀態(tài)，從而使得孔隙水壓力增長減緩。

3.2 不同降雨歷時

本次模擬分析主要模擬了不同降雨歷時對于邊坡穩(wěn)定性的影響。共選取了6h、12h、18h、24h、30h 五個梯度。在不改變其他條件的影響下，即降雨強度不變，來探尋降雨歷時與邊坡安全系數(shù)、孔隙水壓力之間的關系。

本次模擬中，降雨強度設定為1.3mm/h。不同降雨歷時條件下邊坡安全系數(shù)與其變化率圖及其孔隙水壓力變化圖如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 不同降雨歷時下邊坡安全系數(shù)變化圖

圖9 不同降雨歷時下邊坡安全系數(shù)變化率圖

圖10 不同降雨歷時下孔隙水壓力變化率圖

由圖8 可以看出，在降雨強度等其他條件均不變的情況下，邊坡安全系數(shù)隨著降雨歷時的增大而逐漸減小，即降雨時間越長，邊坡越容易滑坡。

由圖9 可以看出，當降雨歷時為6h、12h、18h、24h、30h 時，安全系數(shù)分別為1.872、1.691、1.648、1.634、1.620，變化率分別為9.7%、2.5%、0.8%、0.9%。由圖10 可以看出，當降雨歷時為6h、12h、18h、24h、30h 時，最大孔隙水壓力分別為78.3kPa、103.8kPa、119.7kPa、125.6kPa、130.8kPa，變化率分別為32.6%、15.3%、4.9%、4.1%。降雨時間越長，邊坡安全系數(shù)越低、孔隙水壓力越大，但從圖9、圖10 中可以看出，在降雨時長為18 小時時安全系數(shù)與孔隙水壓力均發(fā)生較為明顯的轉(zhuǎn)折，這可能是因為在降水初期18小時內(nèi)，土體基質(zhì)吸力迅速降低，地表水力傳導率較大，因此雨水得以全部入滲。同時，隨著降雨時間越來越長，飽和區(qū)域在邊坡表面形成的速度越來越快，最終導致基質(zhì)吸力迅速降低，大大削弱了土體自身的抗剪強度，與此同時安全系數(shù)下降幅度最大，孔隙水壓力快速增長。

降雨持續(xù)18 小時以后，土體自身已經(jīng)達到了飽和狀態(tài)，安全系數(shù)的降幅減緩乃至停留在同一數(shù)值不再發(fā)生改變，且孔隙水壓力變化幅度也逐漸放緩。

4 總結

本文運用Geo-Studio 軟件，基于某邊坡工程的實際案例，探尋不同降雨強度、不同降雨歷時對于邊坡穩(wěn)定性的影響。得出了以下結論：①總體來說，邊坡安全系數(shù)隨著降雨強度和降雨歷時的增大而減小，孔隙水壓力隨著降雨強度和降雨歷時的增大而增大。②邊坡安全系數(shù)并不一味隨著降雨強度和降雨歷時的增大而不斷減小，其減少速度是先快后慢后趨于平緩，同時孔隙水壓力亦并不是一味隨著降雨強度和降雨歷時的增大而增大，其增大速度也是先快后慢后趨于平緩。③在持續(xù)降雨條件下，土體自身已經(jīng)達到了飽和狀態(tài)，導致了安全系數(shù)和孔隙水壓力變化速度逐漸平緩。