降雨入滲作用下的邊坡穩定性數值模擬研究

摘要：為研究降雨入滲作用下的邊坡穩定性問題，文章以云南省昭通市某高速公路邊坡為例，基于Geo-studio有限元數值軟件，探究了不同雨強、不同雨型作用下的高邊坡穩定性問題，通過邊坡安全系數、孔隙水壓力以及位移分析了降雨對邊坡穩定性的影響。得到以下結論：（1）隨著降雨強度的增大，邊坡的安全系數減小，孔隙水壓力增大，峰值位移出現在特大暴雨（150 mm/d）工況中；（2）當降雨結束后，不同雨型作用下邊坡安全系數大小排序為均峰型＜前峰型＜中峰型＜后峰型，邊坡位移大小關系為后峰型＜中峰型＜前峰型＜均峰型；（3）隨著降雨時間的持續，孔隙水壓力大體上呈現增大的趨勢。該研究可為解決降雨入滲下邊坡穩定性提供參考。

關鍵詞：降雨入滲；邊坡穩定性；Geo-studio有限元軟件；安全系數；孔隙水壓力

中圖分類號：U416.1+4A040124

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，我國基礎建設規模不斷擴大，高速公路、水利工程以及巖土工程的投入也不斷加大。據不完全統計，截至目前，我國公路總里程數已達550萬km，公路建設逐步從平原地區轉向復雜山區。復雜山區工程地質條件差，地形地貌復雜，在修建高速公路過程中必然會產生大量的人工路塹高邊坡。人工路塹高邊坡自穩性差，在強降雨作用下，邊坡巖土體易軟化，形成地下水滲流，嚴重影響邊坡穩定性。因此，為保證山區高速公路工程的順利開展，研究降雨入滲作用下的邊坡穩定性顯得尤為關鍵。

近些年來，國內外研究學者針對降雨作用下的邊坡穩定性開展了大量的研究。目前對降雨作用下邊坡穩定性的研究多采用數值分析方法（Geo-studio、ABAQUS、FLAC 3D等）與極限平衡法。Fredlund等［1］通過設置不同參數對邊坡的滲流過程進行模擬，分析雨強變化對邊坡穩定性的影響，結果表明雨水的入滲會降低邊坡安全系數，使基質吸力下降。Aurelian等［2］將數值模擬與物理試驗相結合，分析不同雨強對殘積土邊坡內部土體基質吸力的影響，擬合得出降雨入滲深度與雨強的關系曲線。龍文華等［3］以惠州市天堂山滑坡為例，基于數值模擬軟件建立滑坡體地下水流模型，計算不同雨強下滑坡的穩定性系數，結果表明雨強強度的變化影響著滑坡穩定，隨著雨強強度的增加，滑坡穩定性系數不斷減小。譚銀龍等［4］以三峽庫區金雞嶺滑坡為例，采用Midas-GTS有限元軟件對不同工況下滑坡穩定性進行分析，結果表明在強降雨作用下，滑坡可能產生整體滑移，同時還可能產生土體次級滑移。劉坤等［5］利用Geo-Studio有限元軟件對邊坡初始滲流場和土體性質進行了研究，分析了降雨條件下邊坡滲流場和穩定性的變化，結果表明吸力摩擦角對邊坡穩定性影響最大。吳旭敏等［6］利用GeoStudio有限元軟件分析了不同降雨歷時、強度、主降雨類型對邊坡穩定性的影響，結果表明短期強降雨會造成邊坡穩定性劇烈下降，降雨入滲作用對邊坡安全系數有滯后的影響。周磊等［7］利用ABAQUS有限元軟件模擬降雨對微生物改良紅黏土邊坡穩定性的影響，結果表明在降雨作用下改良紅黏土邊坡位移得到較好的限制，邊坡安全系數大幅提高。

上述學者的研究主要集中于采用數值模擬軟件分析雨強對邊坡穩定性的影響，對雨型的研究不夠充分，因此本文在前人對邊坡穩定性研究的基礎上，結合云南省昭通市某高速公路邊坡工程，分析不同雨強以及不同雨型對邊坡安全系數、邊坡土體孔隙水壓力以及位移的影響，該研究為解決降雨入滲下邊坡穩定性提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

1.1.1 地形地貌

本項目位于云南省昭通市，工程區地勢險峻，地形起伏大。全線呈東西走向，全線地勢差異較大，主要地貌為低-中山地貌、盆地地貌以及壟崗谷地地貌。

1.1.2 地層巖性

邊坡表層分布黏土，以褐黃色為主，硬塑，稍濕，厚度約為1～2 m，韌性以及干強度中等，局部夾強風化泥頁巖風化碎塊。

下覆基巖上部為少量強風化泥巖，黑色，泥質結構，節理裂隙發育，巖芯呈碎石狀；下覆基巖下部為中風化泥巖，黑色，泥質結構，節理裂隙較為發育，巖芯呈短柱狀。

1.1.3 構造及地震

工程區斷裂帶走向北東，邊坡所處位置位于向斜南東翼，工程區內次級褶曲不發育，區內無斷層。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）附錄E，工程區抗震設防烈度為7度，地震加速度值為0.10 g，設計特征周期為0.45 s，設計地震分組為第三組。設計應按相關規范做好抗震設防。

1.1.4 水文地質

工程區內未發現地表水體存在，地下水主要以第四系孔隙水、巖溶水以及裂隙水為主，裂隙水水量較小，以大氣補給為主。

1.2 邊坡穩定性影響因素

邊坡穩定性影響因素主要分為內部因素與外部因素兩方面。內部因素主要為地形地貌、土體性質以及巖體結構；外部因素主要為降雨、地震、風化作用以及人類活動。其中，由于降雨因素誘發邊坡失穩的案例約占滑坡總數的90%。

1.3 邊坡失穩機制

降雨入滲誘發滑坡的現象十分常見，如圖1所示為降雨作用下邊坡失穩的機制。

2 有限元模型的建立

降雨是造成滑坡的關鍵外界因素之一。降雨入滲會影響邊坡內部巖土體含水量以及孔隙水壓力，從而影響邊坡應力分布以及穩定性。因此，本文根據勘察資料以及現場試驗數據，采用Geostudio軟件，分析了不同雨強和雨型作用下的邊坡穩定性。

2.1 Geostudio軟件介紹

Geostudio軟件是一款便捷、高效的數值模擬軟件，被廣泛運用于土木工程的仿真模擬計算中。Geostudio軟件共有7個不同的計算模塊，包括動力響應計算模塊、應力應變計算模塊、穩定性計算模塊、滲流計算模塊等，通過Geostudio中的不同計算模塊可以解決降雨作用下巖土體滲流問題，如圖2所示為Geostudio有限元建模過程。

2.2 邊界條件

建立降雨入滲下邊坡模型主要涉及應力計算模塊（SIGMA/W）以及滲流計算模塊（SEEP/W）。

本節根據工程區工程地質條件，在滲流計算模塊（SEEP/W）中將模型下邊界設置為不透水邊界，將模型兩側設置為零流量邊界，將邊坡表面設置為降雨作用邊界。降雨作用邊界應根據雨強與滲透系數定義，當巖土體的滲透系數＞降雨強度時，將降雨邊界定義為定水頭邊界；當降雨強度＞巖土體的滲透系數時，將降雨邊界定義為單位流量邊界。

在應力計算模塊（SIGMA/W）中將模型下邊界進行固定，將模型兩側設置為x=0邊界。

如圖3所示為模型計算流程。

2.3 細觀參數的確定

細觀參數對有限元模擬結果的準確性影響較大，而Geostudio軟件并未給出細觀參數與宏觀參數的定量關系，因此本次模擬土體材料屬性依據地質勘測報告并結合室內試驗結果。如下頁表1所示為相關巖土體力學參數。

2.4 降雨工況

如下頁圖4所示為2021年工程區月均降雨情況。由圖4可知，雨季主要集中于6～9月。為研究不同雨強條件下的邊坡穩定性，根據相關規定進行雨強劃分如下頁表2所示。根據勘察資料以及表2將降雨入滲邊界中的降雨強度定為中雨（20 mm/d）、大雨（30 mm/d）、暴雨（80 mm/d）、大暴雨（100 mm/d）以及特大暴雨（150 mm/d）。

據前人研究降雨雨型并非恒定不變，因此本文考慮設置雨型為均峰型、前峰型、后峰型以及中峰型四種（降雨時長與降雨量120 mm均相同）［8-9］。具體降雨工況與降雨時間如表3所示。

2.5 模型的構建

本次高邊坡數值模型高度為30.5 m，采取4級放坡，每級邊坡平臺寬2.0 m，1～3級邊坡高為8.0 m，第4級邊坡高為5.9 m。模型共有1 897個網格節點以及1 787個網格單位，模型上布設有監測點。模型如圖5所示。

3 不同雨強下邊坡穩定性分析

3.1 邊坡安全系數

圖6為不同雨強下邊坡安全系數變化曲線。

由圖6可知，在同一時刻時，隨著降雨強度的增大，邊坡的安全系數不斷減小。當降雨等級為中雨（20 mm/d）和大雨（30 mm/d）時，邊坡安全系數隨時間變化較小，其中中雨、大雨工況下安全系數分別下降了0.23%、0.32%，出現該現象是由于雨水較少滲入巖土體，巖土體中的孔隙水壓力以及基質吸力幾乎不變，進而導致邊坡巖土體的抗剪強度并未降低，因此邊坡安全系數隨時間變化較小。當降雨等級為大暴雨（150 mm/d）時，邊坡安全系數從1.421下降至1.386，下降幅度為2.46%，說明大暴雨工況下，大量雨水滲入坡體，導致坡體抗剪強度降低。每種降雨強度下坡體的安全系數均＞1.385，因此說明坡體在此類降雨下處于穩定狀態。

3.2 孔隙水壓力

如圖7所示為不同雨強條件下孔隙水壓力隨時間的變化曲線。

由圖7可知，隨著時間的推進，監測點處孔隙水壓力不斷增大，當降雨歷時相同時，隨著雨強的增大，孔隙水壓力也不斷增大。當降雨強度為中雨（20 mm/d）時邊坡的監測點處孔隙水壓力為-20 kPa，當降雨強度為大暴雨（100 mm/d）時邊坡監測點處的孔隙水壓力為-5 kPa，在降雨強度為暴雨（80 mm/d）時邊坡部分區域的孔隙水壓力為0 kPa，即出現暫態飽和區域，隨著降雨強度以及降雨量的增大，暫態飽和區域不斷向四周擴散。

3.3 邊坡位移

降雨入滲會導致邊坡巖土體出現軟化，進而使邊坡出現一定程度的變形。不同降雨條件下邊坡的峰值位移情況如圖8所示。

由圖8可知，隨著降雨強度的不斷增大，邊坡巖土體的峰值位移也在不斷增加。當降雨強度為中雨（20 mm/d）時邊坡的峰值位移為3.2 mm，當降雨強度為暴雨（150 mm/d）時邊坡的峰值位移為13.1 mm，增加了9.9 mm位移，說明隨著降雨強度的增大，雨水大量滲入邊坡內部，使邊坡巖土體飽和度增加，致使邊坡抗剪強度降低，總位移增大，最終可能導致邊坡失穩。

4 不同雨型下邊坡穩定性分析

4.1 邊坡安全系數

如圖9所示為不同雨型下邊坡安全系數隨時間變化曲線。

由圖9可知，隨著降雨時長的增加，邊坡安全系數不斷降低。在前峰型降雨工況下，降雨前期邊坡安全系數大幅下降，在降雨后期邊坡安全系數下降趨勢較為平緩，而后峰型工況下邊坡的安全系數隨時間變化曲線與前峰型工況相反；中峰型降雨中邊坡的安全系數在降雨中期大幅下降；均峰型降雨中，邊坡的安全系數隨時間均勻下降。當降雨結束后，四種雨型作用下邊坡安全系數大小為：均峰型＜前峰型＜中峰型＜后峰型。

4.2 孔隙水壓力

如圖10所示為不同雨型條件下孔隙水壓力隨時間的變化曲線。

由圖10可知，隨著降雨時間的持續，監測點處孔隙水壓力大體上呈現增大的趨勢。前峰型降雨中，前期孔隙水壓力增長速率大于其余雨型，而后峰型降雨與其相反，后期孔隙水壓力增長速率較快。前峰型降雨在中后期孔隙水壓力又出現減小，主要考慮為前期降雨量較大，而后期雨水減小，前期雨水不斷下滲入土體，降雨速率小于下滲速率，最終導致孔隙水壓力減小。中峰型降雨孔隙水壓力后期與前峰型降雨相似，主要考慮為雨水在坡面形成穩定徑流。

4.3 邊坡位移

不同雨型條件下邊坡的峰值位移如圖11所示。

由圖11可知，在四種雨型中，均峰型工況下邊坡峰值位移最大，其值為9 mm，而后峰型工況下邊坡峰值位移最小，其值為5 mm。出現該現象是由于均峰型工況下，降雨強度恒定，導致雨水均勻滲入邊坡中，持續性的滲入會導致邊坡抗剪強度不斷降低，最終導致邊坡位移最大。當降雨結束后，四種雨型作用下邊坡位移大小為：后峰型＜中峰型＜前峰型＜均峰型。

5 結語

本文通過對降雨入滲作用下的邊坡穩定性進行研究，以山區實際高速公路工程為例，分析了影響邊坡穩定性因素以及邊坡失穩機制，并基于Geo-studio軟件分析了不同雨強以及不同雨型作用下邊坡安全系數、孔隙水壓力以及峰值位移變化趨勢。

本文得到如下主要結論：

（1）邊坡穩定性影響因素為：地形地貌、土體性質、巖體結構、降雨、地震、風化作用以及人類活動。

（2）降雨結束后不同雨型的邊坡安全系數大小為：均峰型＜前峰型＜中峰型＜后峰型。

（3）雨強與雨型影響邊坡巖土體孔隙水壓力，隨著雨強的增大，監測點孔隙水壓力也不斷增大。

（4）隨著降雨強度的不斷增大，邊坡巖土體的峰值位移也在不斷增加，當降雨強度為暴雨（150 mm/d）時，邊坡的峰值位移最大；均峰型工況下邊坡峰值位移最大，而后峰型工況下邊坡峰值位移最小。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-18

作者簡介：馮威雄（1992—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。