降雨條件下某土質公路邊坡的穩定性分析

摘要 降雨是影響邊坡穩定性的重要原因。該文以山西在建公路的土壤邊坡為研究對象，分析降雨作用下邊坡內孔隙水壓力、應力及位移的變化，計算其穩定性系數。根據降雨強度和降雨時間與土壤滲透率之間的關系，確定降雨邊界條件。通過SEEP/W模塊和SIGMA/W模塊分析了降雨條件下邊坡應力與位移的變化，并利用SLOPE/W求解了邊坡穩定性系數。結果表明：降雨時間與邊坡穩定性密切相關，不同降雨時間邊坡水位線變化和孔隙水壓變化不同，下坡滑動面從裂縫連接到巖土交界處。隨著降雨時間的增加，土體內部的應力和邊坡的位移變化越來越大。距離坡腳約1/2處的坡面范圍是位移最明顯部位，需重點關注。降雨下邊坡的處理措施主要包括：裂縫處理和坡排水措施、設置支撐工程、優化邊坡率、保護邊坡腳和坡頂、監測邊坡。該文的研究成果旨在為類似的工程項目提供參考。

關鍵詞 降雨條件；土質邊坡；穩定性；滑動面

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0145-03

0 引言

我國山西地區年降雨量集中在夏季，降雨量大，降雨時間長。在公路建設過程中，開挖會導致邊坡不穩定[1-2]或穩定性降低[3]。在降雨的作用下，邊坡的穩定性進一步降低，嚴重影響工程進度和周邊人員的人身財產安全[4-5]，降雨滲透作為邊坡失穩的重要誘因引起了人們的關注。因此，研究降雨條件下邊坡水位線和孔隙水壓力的變化，對邊坡的防護和處理具有理論和實際意義。

該文以山西省大同市粉末黏土邊坡為研究對象，以邊坡破壞的降雨特性和地下水位為邊界條件，分析了降雨下邊坡水位線和穩定性系數的變化。基于GEO-STUDIO的SEEP/W模塊模擬降雨下坡度水位線和孔隙水壓的變化，并根據模擬結果提出相應的坡度處理措施，為類似工程提供參考。

1 研究區概況

該文研究區域位于大同盆地，該區域屬大陸性半干旱氣候區。氣候干燥，雨水少，風沙多，晝夜溫差大，日照充足。年平均氣溫為6.5～7.5℃，歷年最高氣溫為38.3℃，最低氣溫為?37.3℃，無霜期為120 d，最大凍土深度為1.0～1.8 m，平均風速3.0 m/s，最大風速可達14～16 m/s。

該區域多年平均降水量為363～414 mm，周邊山區多于盆地中心。渾源縣和朔州市多年平均降水量大于400 mm，其余地區均小于400 mm。降水量年內分布不均勻，夏季（6—9月）降水量最大，占年降水量的74%～79%；冬季（12—2月）降水量最小，僅占年降水量的1.5%～3%；春季（3—5月）降水量約占年降水量的15%；秋季（10—11月）降水量占年降水量的6%～8%。

2 邊坡模型

根據地質勘探數據和現場滑坡情況，研究區滑坡的主要原因是降雨和地下水。因此，該文將考慮降雨和地下水對邊界條件的影響，并根據極限平衡理論評價研究區的邊坡穩定性。

邊坡在降雨作用下失穩主要是由于土壤含水量的增加，導致土壤顆粒之間的基質吸力減少，導致土體破壞。該文計算了達西定理在降雨作用下的土壤內部滲流[5]，而基質吸力在滲流作用下的變化是基于Van Genuchgen函數擬合確定[6]。瑞典條分法[7]是邊坡穩定性計算模型，如下所示：

K=∑（（（hi?h' i）γ+h' iγsat）cos a tanφ'）+cL ∑（（hi?h' i）γ+h' iγsat）sin a （1）

式中：γ為土體重度（kN/m3）；γsat為土體的飽和重度（kN/m3）；h' i為某土條降雨入滲深度（m）；hi為土條的高度（m）；φ為土體的有效內摩擦角（kPa）；L為滑動面的長度（m）；c為土體的黏聚力（kPa）。

2.1 模型參數

邊坡的邊界條件分別為降雨條件和地下水位條件，固定邊坡左右邊界，固定邊坡底部邊界。邊坡土材料的物理參數如表1所示：

2.2 模型計算

（1）含水率變化

該文利用GEOSTUDIO計算基坑邊坡的滲透性和穩定性，其中利用SEEP/W模塊模擬降雨的滲透性，計算降雨條件下土壤的孔隙水壓；降雨滲透后的邊坡穩定性采用SLOPE/W模塊計算。

該文根據大同近5年的降雨資料設計降雨雨型，降雨歷時60 min，雨強為60 mm/h。

下雨條件下邊坡的孔隙水壓力如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著降雨時間的增加，邊坡的水位線逐漸向坡體內部移動，由于降雨，邊坡、坡頂和坡腳的含水量逐漸飽和。坡腳的含水量變化最為明顯，其含水量明顯大于其他邊坡部位，其孔隙水壓力也遠大于其他部位。從坡腳到坡頂，土壤的孔隙水壓力越來越大。孔隙水壓力越大，邊坡土體越容易損壞。從圖1可以看出，坡腳最有可能隨著降雨時間的增加而受損。此外，坡頂和坡面也是必須保護的部位，在施工過程中要重點加強坡腳處理和坡頂保護。按SLOPE/W計算，發現30 min和60 min時邊坡的穩定性系數分別為1.25和0.74。穩定性系數的降低也說明降雨時間持續增加，邊坡越容易失穩。該文通過坡腳、坡面、坡頂的破壞規律和水位線的變化，探討邊坡的施工技術。

（2）應力變化

該文利用GEOSTUDIO的SIGMA/W模塊模擬降雨后的邊坡應力及位移變化情況，計算降雨條件下邊坡內部的應力及其位移變化情況。

雨型條件不變，主要對邊坡的邊界進行設置，設置左右邊界水平位移固定，底部邊界水平和垂直的位移全部固定，如圖2所示。

降雨30 min和降雨60 min的邊坡位移及內部應力變化，如圖3所示。

圖3中，土體內部的云圖為應力曲線，網格為位移變化情況。從圖3可以看出，隨著降雨時間的增加，土體內部的應力和邊坡的位移變化越來越大。降雨30 min時土體應力主要是由于自重引起的，土體應力分布范圍較廣。邊坡的位移主要發生在坡頂，坡面和坡腳的位移變化較小。降雨60 min時土體應力變化較大，從底部到頂部應力分布范圍變小，土體內部的應力整體變大。邊坡的位移主要發生在坡頂、坡面和坡腳。坡頂位移方向向下，坡面上半部分的位移變化不大，下半部分向外凸起（向圖中左側偏移），坡腳處有微微隆起，說明隨著降雨時間的增加坡面下半部分受到的應力變化較大，發生的位移變化也較大，是邊坡發生滑移的重要部位，在后續治理過程中要重要關注。

綜上所述，從土體含水率變化可以發現，降雨條件下土體含水率的變化會引起土體孔隙水壓力的變化，導致孔隙水壓力變化較大部位發生土體破壞，并引發邊坡的失穩。邊坡的坡腳處是孔隙水壓力變化較大部位，另外，坡頂和坡面的孔隙水壓力變化也不可忽視。從邊坡土體的應力及位移變化可以看出，隨著降雨時間的增加，土體應力發生變化，導致土體在應力作用下發生位移，而坡面距離坡腳約1/2處的位移是位移變化最明顯部位，因而在治理過程中要重點關注。

3 防治措施

（1）坡面排水措施

通過邊坡水位線的變化和孔隙水壓的變化，可以發現邊坡和坡頂的滲透也是邊坡含水量增加的重要原因。因此，在邊坡施工過程中，應做好邊坡排水系統。

（2）降低邊坡坡率

通過（1）可以發現，邊坡的坡度越大，邊坡的穩定性越差，在相同的外部條件下，邊坡越容易失穩。因此，在工程條件允許的情況下，可以適當降低邊坡率。

（3）錨桿加固

當降雨對邊坡的穩定性較大，其他技術不能滿足邊坡穩定性的要求時，可以通過錨桿支撐來提高邊坡的穩定性。

4 結語

（1）隨著降雨時間的增加，邊坡的水位線逐漸向坡體內部，由于降雨，邊坡、坡頂和坡腳的含水量逐漸飽和。坡腳的含水量變化最為明顯，其含水量明顯大于其他邊坡部位，其孔e7a2d1404686f8b7016692351b9954b7隙水壓力也遠大于其他部位。

（2）坡腳最有可能隨著降雨時間的增加而受損。此外，坡頂和坡面也是必須保護的部位，在施工過程中要重點加強坡腳處理和坡頂保護。

（3）隨著降雨時間的增加，土體內部的應力和邊坡的位移變化越來越大。距離坡腳約1/2處的坡面范圍是位移最明顯部位，要重點關注。

（4）該文提出了邊坡防滑的綜合處理技術，主要包括：坡面排水措施、降低邊坡坡率和錨桿加固。

參考文獻

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