降雨作用下山西中南部通道黃土邊坡穩定性分析

呂 菲，郭曉亮

(鐵道第三勘察設計原集團有限公司，天津 300142)

地表水的入滲、沖刷與地下水的侵蝕是導致土質邊坡特別是黃土邊坡破壞變形的重要原因之一［1］。持續降雨條件下，雨水對黃土邊坡不斷沖刷、侵蝕，導致邊坡的地質特征和物理力學指標發生變化［2-4］。雨水沖刷、入滲對邊坡土體產生潛蝕作用，地表可形成密布的沖溝，局部有陷坑;同時，降雨入滲也導致了坡體含水量的增加，孔隙水壓力降低，土體抗剪強度下降，最終可能誘發邊坡失穩［5-8］。因此，必須對黃土邊坡降雨入滲的過程進行研究，了解土體含水量、孔隙水壓力及基質吸力等重要參數的變化規律，才能準確評價黃土邊坡的穩定性［9-12］。

山西中南部通道(晉中南)項目為“十一五”期間國家重點工程，全長1260 km，沿線地貌單元復雜，黃土廣布。為滿足設計安全的需要，通過選取晉中南線典型黃土邊坡進行不同強度的野外人工降雨試驗，測得降雨入滲過程中邊坡土體含水量、孔隙水壓力、土壓力等參數的變化規律。并通過GeoStudio軟件中的SEEP模塊求解了降雨條件下非飽和土坡中孔隙水壓力與含水量的分布，進而將數值模擬結果導入SLOPE中，分析了不同工況下的邊坡穩定系數。

1 野外人工降雨試驗

1.1 試驗設計

試驗點為晉中南線蘆則溝1號隧道西側50 m的黃土高邊坡，降雨坡面面積為22.5 m2，坐標為N∶38.18362°E∶111.04906°，坡高約 75 m，坡度約63.2°，坡向252°，地層出露自上而下分別為新黃土、老黃土和粉質黏土，坡角為季節性河道。

山西省年平均降雨量400～650 mm，集中于夏季，多陣雨。設計采用中雨(45 mm/24 h)、大雨(65 mm/24 h)、暴雨(75 mm/24 h)3種雨型對邊坡進行降雨。每次降雨時間1～3 h，雨后恢復時間2～3 d。

試驗過程中觀測邊坡一定深度的土壓力、孔隙水壓力、含水量、基質吸力，選用的儀器有BX系列電壓式土壓力傳感器、BX系列電壓式孔隙壓力傳感器、霍爾式流量傳感器、TRIMBLE土壤水分探測儀、張力計。儀器布置如圖1所示，共布設了7個土壓力傳感器(通道1-7)、2個孔隙水壓力傳感器(通道9、11)和12支張力計，儀器的埋深見表1。

降雨結束后，連續性觀測一段時間，直至上述測量數據穩定、邊坡恢復到干燥狀態后，方能進行第二次模擬試驗。

表1 傳感器和張力計埋深 cm

1.2 試驗結果

圖2、圖3為中雨強度(45 mm/24 h)降雨時土壓力降雨持時曲線(以3號、7號傳感器為例)。降雨開始后，坡體表層大量泥沙被沖走，1號～6號土壓力傳感器讀數明顯衰減(圖2)，7號土壓力傳感器沒有變小(圖3)，這是由于其埋設于試驗區域的最底端，前有擋板，表面沖刷對其影響較小。當降雨持續到30～40 min時，所有的傳感器壓力均上升，表明降雨造成的入滲量超過泥沙沖蝕量，坡體負荷開始增加，并持續到降雨結束。除了2號傳感器和7號傳感器的雨后應力超過初始應力外，其余點位的應力值均比初始應力小，可見本地區受降雨侵蝕嚴重。坡體土層抗剪強度的減弱和孔隙水壓力的增加對邊坡穩定會造成巨大危害。降雨持時越長，失穩可能性越大。

圖2 通道3土壓力降雨持時曲線

圖4為土壓力雨后持時曲線(以7號傳感器為例)。降雨結束后，隨著水分蒸發和下滲，所有土壓力傳感器讀數均呈減小趨勢。中午時段氣溫高、蒸發量大，壓力值減幅較大;夜間蒸發微弱、霧水補充，壓力值反而有所增加，但整體上壓力值減小。

本區地下水埋深大，邊坡土體孔隙發育，邊坡50、100 cm深度的初始孔隙水壓力為負值，1號孔壓-2.934 kPa(通道9)、2號孔壓-4.257 kPa(通道11)。

圖4 通道7土壓力雨后持時曲線

圖5為孔隙水壓力降雨持時曲線(以1號孔壓為例)。降雨開始后，雨水持續入滲，孔壓傳感器讀數穩定上升，但沒有越過零位，說明埋點處土體沒有達到飽和狀態，此時土體處于危險狀態。如圖6所示，降雨結束后，由于水分蒸發與下滲，孔壓傳感器壓力值緩慢下降逐漸恢復，邊坡表層也趨于穩定。

圖5 孔隙水壓力降雨持時曲線

圖6 孔隙水壓力雨后持時曲線

圖7為邊坡不同埋深處的體積含水率，降雨后距地表75 cm以下土體含水率與旱季同深度初始含水率基本一致，表明濕潤峰達到70～80 cm，是本次降雨的主要影響深度。降雨結束后，比較降雨結束后24 h與48 h土層含水量可知，接近土體表層(＜0.5 m)蒸發作用明顯，隨時間推移含水量逐漸降低，土體深部(＞0.5 m)入滲作用明顯，隨時間推移含水量稍有增加。

圖7 含水率與深度關系曲線

待邊坡土體恢復至初始狀態后又進行了大雨(65 mm/24 h)和暴雨(75 mm/24 h)降雨試驗，土壓力、水壓力及含水量變化規律與上述試驗類似，此處不再贅述。隨著降雨強度的增加和降雨時間的延長，入滲影響范圍增加。這就表明，即使在沒有裂縫、空洞或滑裂面的黃土地區，強降雨也可能誘發淺層滑坡。

2 降雨入滲數值模擬

邊坡各土層物理力學指標如表2所示。

表2 中南通道各土層物理力學參數統計

根據邊坡地質特征建立模型如圖8所示，并綜合考慮計算速度與精度的要求對模型進行網格劃分。具體的有限元網格劃分為三角形，整個模型有1 620個單元，900個節點，詳見圖9。

圖8 邊坡斷面示意(單位:m)

圖9 有限元網格劃分

在給定初始水位線和水力學函數情況下，根據邊界條件，計算出邊坡初始狀態的孔隙水壓力和體積含水量分布。由圖10可以看出，初始狀態下，負孔隙水壓力(基質吸力)最大值-604 kPa出現在坡頂，正孔隙水壓力392.28 kPa出現在坡底，水壓力大致沿地下水位線垂直方向從上往下遞增，地下水位附近及往下出現滲流，滲流速度最大為4.34×10-7m/s。

圖10 初始狀態坡體孔隙水壓力分布

由圖11可以看出，初始狀態下，坡體體積含水量和孔隙水壓力基本對應，從上往下遞增，但在地下水位線附近，梯度增加，等值線有起伏，與水位線不一致，坡頂體積含水量為1.59%，底部體積含水量為44%。

圖11 初始狀態坡體體積含水量分布

根據野外人工降雨資料，本次模擬雨型為中雨、大雨、暴雨，對應雨強為30、60、75 mm/d。研究邊坡地表線按坡度可分為三段，坡度從上到下分別為9°、21°、47°。換算到坡面單位流量雨強見表3。

表3 坡面單位流量

由圖12～圖15可以看出:隨降雨強度增加和降雨時間延長，坡體孔隙壓力和含水量逐漸增加。降雨1 d時，由于坡體初始地下水線埋深大，地表土體較干，三種雨強對坡體水理性質改變不大，最大影響深度也只達到0.6 m。降雨10 d時，影響深度達到5 m，但沒有出現飽和區。降雨100 d時，邊坡土體水力性質發生質變，邊坡表層都出現或大或小的暫態飽和區，當雨強為暴雨(75 mm/d)時形成了貫通穩定的潛水水位線，濕潤鋒更是下移到9 m左右。

圖12 雨強30 mm/d不同降雨持時坡體孔隙水壓力分布

圖13 雨強60 mm/d不同降雨持時坡體孔隙水壓力分布

圖14 雨強75 mm/d不同降雨持時坡體孔隙水壓力分布

圖15 降雨100 d不同雨強坡體體積含水量分布

3 降雨作用下邊坡穩定性分析

將上述不同降雨強度和降雨持時的SEEP/W計算結果導入SLOPE中，采用三種極限平衡法(Ordinary、Bishop、Janbu)對不同降雨工況下的邊坡穩定性進行分析。

由圖16可以得知，隨降雨強度增大，降雨時間延長，邊坡穩定性降低。降雨1 d時，安全系數下降0.003～0.01，基本對邊坡穩定不產生影響。降雨100 d情況下，降雨強度為30 mm/d時，安全系數的降幅在0.074～0.098，降雨強度為60 mm/d時，安全系數的降幅在0.089～0.127，降雨強度為75 mm/d時，安全系數的降幅在0.118～0.159。降雨1 d時，安全系數基本不發生變化，降雨10 d時，安全系數下降速率加快，降雨100 d時，安全系數依然下降且未見平緩的趨勢。由此可見，在無裂隙、無薄弱面工程地質條件下，持續降雨對黃土高邊坡的穩定性依然存在影響。

圖16 安全系數隨降雨持時變化

4 結論

(1)降雨開始時，沖刷帶走剖面大量松軟土層，當進行到半小時后，入滲量超過泥沙沖蝕量，此時土壓力和孔隙水壓力上升，邊坡負荷增加，抗剪強度減小，邊坡進入危險狀態。降雨結束后，雨水下滲繼續進行，隨后吸力恢復，孔壓消散，邊坡表層趨于穩定。

(2)邊坡坡體孔隙水壓力、含水量與降雨強度和降雨持時呈正相關關系。降雨強度越大，降雨時間越長，越不利于邊坡穩定。

(3)根據晉中南線試驗段鐵路具體情況，黃土邊坡防護宜采用孔窗式護墻與骨架護坡相結合的設計方案，既滿足強度要求又綠化邊坡，同時應加強排水措施，降低降雨入滲和沖刷對黃土邊坡穩定性造成的危害。

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