降雨入滲對砂質邊坡變形和穩定性的影響

程昌明 陳 行 田明杰 彭雅婷 黃 帥

(1.重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160;2.四川農業大學土木工程學院，四川 雅安 611830；3.中國地震局地殼應力研究所，北京 100085)

降雨入滲對砂質邊坡變形和穩定性的影響

程昌明1陳 行2田明杰2彭雅婷2黃 帥3

(1.重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160;2.四川農業大學土木工程學院，四川 雅安 611830；3.中國地震局地殼應力研究所，北京 100085)

基于砂質邊坡的數值仿真模型，研究了降雨入滲對邊坡穩定性和變形的影響規律。研究發現：邊坡安全系數隨著降雨持續時間和強度的增大呈現降低的趨勢，隨著邊坡角度、高度的增加而減小，隨著內摩擦角、黏聚力的增加而增大；而邊坡高度和坡角對邊坡滑動深度影響較?。煌馏w內摩擦角大的邊坡容易發生淺層滑坡，黏聚力大的邊坡容易發生深層滑坡。隨著降雨持時的增加，在邊坡坡腳位置水平位移產生突變，為邊坡最容易剪切滑出位置?？够瑯兜目辜舫休d力越大邊坡安全系數就越大，但承載力大的抗滑樁會加深滑裂面的位置；抗滑樁在加固位置位于邊坡中下部時的安全系數比設置在上部時增加2%～5%。因此，在不改變危險滑裂面的情況下，合理設計抗滑樁強度可以提高邊坡安全系數。

砂質邊坡 降雨入滲 穩定性 變形 抗滑樁

近年來降雨引發的大量滑坡給我國帶來了巨大的經濟損失和生命財產損失，可知降雨成為誘發滑坡的主要外界因素[1-2]。巖土體內存在著大量孔隙、節理和裂隙，它們不僅改變了巖土體的力學性質，降低了其強度指標和變形模量，同時也嚴重地影響巖土體的滲透特性。據統計，大約90%的自然邊坡和人工邊坡的破壞與滲流有關。隨著降雨的持續作用，導致地下水位驟升，孔隙水壓力增大，有效應力降低，尤其是砂質邊坡，在孔隙水壓力的影響下，易發生土體失穩，并沿斜坡下滑與水體混合，影響著邊坡的穩定性。

在降雨入滲方面,國內外進行了一定的研究。Richards[3]將Darcy的線性滲流理論推廣應用到非飽和滲流中以后，人們才開始了非飽和滲流的研究。李承海等[4]從降雨對土體抗剪強度的影響、降雨對土體重度的影響、降雨形成的水壓力及降雨對土體的化學作用4個方面分析了降雨對邊坡穩定性的影響。周家文等[5]采用一個二維的有限元滲流-應力耦合程序進行分析，研究降雨入滲過程對邊坡的孔隙水壓力、位移以及安全系數的影響。朱麗娟[6]研究了降雨對非飽和黃土邊坡含水量的影響，指出坡高對邊坡土體含水量分布影響較小，但邊坡含水量增大區域隨坡高的增加而增加。戴繪等[7]揭示了強降雨作用下降雨過程與雨停后浸潤線變化規律。周靖人等[8]研究了不同降雨強度下，地下水位埋深的變化及埋深變化之后對厚沖積層邊坡的安全系數的影響規律。然而由于降雨與邊坡穩定性的關系不是簡單的一一對應，還與具體的降雨類型、土體性質等多種因素有關，國內在這方面的研究還不夠完整和細致，還需要豐富研究對象和內容。

1 降雨入滲邊坡的有限元模型

取準朔鐵路經過沖擊平原和河谷區域等地區的邊坡為主要研究對象，這些區域邊坡集中，邊坡土體多為風化砂質土。研究對象選取鐵路邊坡，處于鐵路終端，為低山區路基深路塹挖方集中地段，集中分布不同形式的路塹。選取府谷縣一典型邊坡，土坡長17 m，坡高12 m，坡角35°，砂質土其斷面如圖1所示。模型底部邊界60 m，坡頂向后延伸24 m，模型高度24 m。此外，為了更直觀地反映降雨持時對邊坡孔隙水壓力的影響，分別設置了邊坡不同位置的監測線。

圖1 邊坡模型示意

邊坡的體積含水量和基質吸力曲線及物理參數如圖2和圖3所示，邊坡砂質土的顆粒分布和物理參數分別如表1和表2所示。

圖2 邊坡的體積含水量

粒徑/mm百分含量/%累計百分含量/%>50 25100．0051 2599 75215 4698 500 515 2583 040 2522 1967 79<0 07545 645 60

表2 邊坡材料參數

2 降雨入滲對邊坡穩定性的影響分析

2.1 降雨對邊坡安全系數的影響分析

采用邊坡不同的極限平衡法對邊坡進行安全系數計算，明確不同計算方法的差異性，如表3所示。

表3 不同極限平衡法計算的安全系數

由表3可知，Morgenstern-price法與條分法原理基本相同計算迭代方式不同，兩者所得相近。相對Bishop法，Janbu法考慮土條間切向力，假設比Bishop法更為準確，所得安全系數結果略小于Bishop法，且數值與剛體極限平衡法所得相近?？傮w看來多種計算方法下的安全系數并無顯著差異，因此軟件模擬邊坡安全系數是可信的。

分別計算了不同降雨強度和降雨持續時間對邊坡安全系數的影響規律。其中相同降雨強度(20 mm/d)，不同降雨持時條件下的邊坡安全系數如表4所示。

表4 降雨持時對邊坡安全系數的影響

由表4可知，降雨強度不變，降雨持時越長對邊坡影響越大。因土體材料各異，在大致10 d范圍以內，持時越長安全系數越低。降雨入滲對非飽和區域的顯著影響表現為入滲增加非飽和區的孔隙水壓力，減小土體有效應力；從而導致抗剪強度減小，是安全系數降低的主要因素。

相同降雨時間，不同降雨強度對邊坡安全系數的影響如表5所示。

表5 降雨強度對邊坡安全系數的影響

由表5可知，當降雨強度小于土壤的入滲能力、降雨完全入滲時，邊坡的穩定安全系數受降雨強度的影響顯著；在相同的降雨持續時間下，降雨強度增大，邊坡的穩定安全系數減小，對邊坡的穩定不利。

2.2 降雨下邊坡參數對安全系數的影響

研究了邊坡不同黏聚力、內摩擦角、高度和角度下的安全系數，如表6～表9所示。

表6 內摩擦角對邊坡安全系數的影響

表7 黏聚力對邊坡安全系數的影響

表8 邊坡高度對安全系數的影響

表9 邊坡角度對安全系數的影響

由表6～表9可得，邊坡的安全系數隨著內摩擦角的增加而增大，隨著安全系數的增大，滑坡最危險截面向邊坡淺層移動。說明土體內摩擦角大的邊坡更容易發生淺層滑坡；邊坡安全系數隨著黏聚力的增大而增加，隨著安全系數的增加滑坡最危險截面向邊坡深層移動。表明土體黏聚力大的邊坡更容易發生深層滑坡；邊坡安全隨邊坡角度、高度的增加而減小。邊坡角度和高度的變化并不顯著影響滑坡體的形狀和深度，只是拉長或縮短滑坡的弧形。

3 降雨入滲對邊坡變形的影響

3.1 降雨持時對邊坡變形的影響規律

分析降雨持續時間對邊坡位移的影響，降雨持續時間選取36 h，計算出邊坡不同位置的水平位移和豎向位移如圖4～圖6所示。

圖4 降雨持時對坡頂水平和豎向位移影響

由圖4～圖6可知，降雨持續時間越長邊坡變形量累積越大。隨著降雨持時的增加，邊坡坡頂的水平位移隨著X向距離的增加邊坡的豎向位移呈現減小的趨勢，而水平位移呈現增大的趨勢，說明在邊坡臨空位置的水平變形較大，是容易滑坡位置。此外還可以從坡面的水位位移隨著水平向距離的變化趨勢看出，在邊坡坡腳位置水平位移有個突變，說明在邊坡坡腳位置發生了較大的水平位移，為邊坡最應關注的位置。從量值上看來，坡頂、坡面和坡底的豎向位移大于橫向位移。

圖5 降雨持時對坡面水平和豎向位移影響

圖6 降雨持時對坡底水平位移的影響

3.2 降雨對邊坡應力的影響

分析分析降雨強度對邊坡有效應力的影響，降雨強度分別選取10 mm/d、20 mm/d、60 mm/d和80 mm/d，計算出邊坡不同位置的水平有效應力和豎向有效應力如圖7～圖9所示。

圖7 邊坡坡內有效應力

圖8 邊坡坡頂有效應力

由圖7～圖9可知，總體來看降雨強度由10 mm/d增加至80 mm/d時，降雨強度對邊坡有效應力的影響小于地下水位上升對邊坡有效應力的影響。隨著降雨強度的增加，邊坡水平有效應力和豎向有效應力出現減小的趨勢，說明隨著降雨強度的增加邊坡內的孔隙水壓力增加，而相應地有效應力減小。且隨著邊坡高度的增加邊坡坡內和坡面的水平有效應力均呈現出增加的趨勢，豎向有效應力則呈現出減小的趨勢。而坡頂水平有效應力和豎向有效應力隨著x坐標的增加呈現出增加的趨勢。

圖9 邊坡坡面有效應力

4 抗滑樁位置對邊坡穩定性的影響

通過改變抗滑樁的受剪承載力來模擬不同材料引起的差異，剪切承載力分別取100 kN、300 kN、500 kN；通過比較同一種抗滑樁植入邊坡的不同位置時對安全系數的影響?？够瑯都庸滩煌恢脮r邊坡的安全系數及加固后降雨強度邊坡安全系數的影響規律分別見表10和表11所示。

表10 不同承載力抗滑樁在滑坡不同位置下的安全系數

表11 不同降雨強度對加固邊坡的安全系數影響

由表10和表11可知，抗滑樁剪切承載力越大，對邊坡的安全系數貢獻越大；但是對邊坡滑坡區域的影響也越大，在初期形成的滑坡中植入的抗滑樁抗剪強度越大，滑坡的再次出現的危險截面位置就越深入，影響范圍也就越大。同一種抗滑樁在邊坡的不同位置時對滑坡產生的滑裂面并無明顯改變，但對邊坡安全系數的影響卻很明顯。承載力100 kN、300 kN、500 kN的抗滑樁布置在滑坡下部時相較布置在上部時安全系數分別提高了2%、5%、3.5%，表現為抗滑樁布置在滑坡中下部時對邊坡安全系數有較大的提高。對同一邊坡而言，強度較低變形呈塑性的抗滑樁對邊坡的滑裂面影響較小，主要是形變吸能提供安全系數；而強度較大、變形呈剛性的抗滑樁對邊坡的滑裂面影響顯著，改變滑裂面提供安全系數。該結論可以對邊坡的監測提供依據。

5 結 論

(1)降雨入滲引起土體孔隙水壓力增大，導致有效應力減小是引起滑坡的主要原因，降雨持續時間和強度越大邊坡安全系數越低。邊坡安全系數隨著邊坡角度、高度的增加而減小，高度和角度不顯著影響滑滑坡體的形狀和深度，只是拉長或縮短滑裂面的弧形。安全系數隨著內摩擦角、黏聚力的增大而增大，而兩者會影響滑裂面的形狀具有一定的影響，表現為土體內摩擦角大的邊坡更容易發生淺層滑坡，黏聚力大的邊坡更容易發生深層滑坡。

(2)降雨持續時間越長邊坡變形量累積越大。隨著降雨持時的增加，在邊坡坡腳位置水平位移有個突變，說明在邊坡坡腳位置發生了較大的水平位移，為邊坡最易剪切滑出的位置。且隨著降雨強度的增加，邊坡水平有效應力和豎向有效應力出現減小的趨勢，說明隨著降雨強度的增加，邊坡內的孔隙水壓力增加，而相應地有效應力減小，其對邊坡穩定性影響不利。

(3)邊坡采用抗滑樁加固后的抗剪承載力越大對邊坡安全系數的提升就越大，但承載力大的抗滑樁會加深滑裂面的位置，可能會引起二次更大程度的滑坡?？够瑯都庸踢吰挛恢貌煌瑢Π踩禂涤绊懗潭炔煌?，相同抗滑樁在加固位置位于邊坡中下部時比設置在上部時增加2%～5%的安全系數。因此合理設計抗滑樁強度可以在不改變危險滑裂面的情況下提高邊坡安全系數。

[1] 劉新喜，夏元友，蔡俊杰，等.降雨入滲下強風化軟巖高填方路堤邊坡穩定性研究[J].巖土力學,2007,28(8):1705-1709. Liu Xinxi，Xia Yuanyou，Cai Junjie，et al.Study on stability of high-filled embankment slope of highly weathered soft rock under rainfall infiltration[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(8):1705-1709.

[2] 張力方,徐 杰,彭艷菊,等.東海地區新構造運動研究[J].地震地質,2014,36(3):692-704. Zhang Lifang，Xu Jie，Peng Yanju，et al.A study on geotectonic movement in the east china sea，seismology and geology[J].Seismology and Geology,2014,36(3):692-704.

[3] Richards L A.Capillary conduction of liquids through porous medium[J].Physics，1931，5(1)：318-319.

[4] 李承海，羅慶鋒.降雨對土質邊坡穩定性影響分析[J].巖土工程技術,2007,21(6):313-314. Li Chenghai，Luo Qingfeng.Rainfall effect analysis on soil slope stability[J].Geotechnical Engineering Technique,2007,21(6):313-314.

[5] 周家文，徐衛亞，鄧俊曄，等.降雨入滲條件下邊坡的穩定性分析[J].水利學報，2008，39(9)：1066-1073. Zhou Jiawen，Xu Weiya，Deng Junye，et al.Stability analysis of slope under the condition of rainfall infiltration[J].Journal of Hydraulic Engineering,2008，39(9)：1066-1073.

[6] 朱麗娟，王鐵行，胡 炘.降雨對非飽和黃土邊坡含水量變化規律分析[J].地下空間與工程學報，2009，5(1):95-99. Zhu Lijuan，Wang Tiehang，Hu Yi.Influence of rainfall on moisture content in unsaturated loess slop[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009,5(1):95-99.

[7] 戴 繪，秦衛星，張岳安.強降雨作用下山谷型尾礦壩浸潤線演化規律[J].金屬礦山,2013(7):149-152. Dai Hui，Qin Weixing，Zhang Yuean.Evolution law of phyreatic line in valley-type tailings dam under heavy rainfall[J].Metal Mine,2013(7):149-152.

[8] 周靖人，楊天鴻，于慶磊,等.降雨對厚沖積層邊坡穩定性影響[J].金屬礦山,2014(9):11-14. Zhou Jingren,Yang Tianhong，Yu Qinglei.et al.Impact of rainfall on stability of thick alluvium slope[J].Metal Mine,2014(9):11-14.

(責任編輯 徐志宏)

Influence of Rainfall Infiltration of Sandy Slope on Deformation and Stability

Cheng Changming1Chen Hang2Tian Mingjie2Peng Yating2Huang Shuai3

(1.ChongqingWaterPowerVocationalTechnologyCollege，Chongqing402160，China；2.CollegeofCivilEngineering，SichuanAgriculturalUniversity，Ya'an，611830，China;3.InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China)

The influence of rainfall infiltration on stability and deformation of sandy slope are studied based on the numerical simulation model.The results show that with the increase of rainfall duration and intensity，slope safety factor tends to decrease.The safety factor decreases with the slope angle and height increase，while it increases with the increase of internal friction angle and cohesion.The height and angle of slope have less effect on the depth of slope sliding，and the slope with large internal friction angle are more likely to happen the shallow slide，while the slope with high cohesion are more likely to happen deep landslide.With the increase of rainfall duration，horizontal displacement at the foot of the slope appears sudden change，and this position is most likely to produce shear sliding.The greater of the shear bearing capacity of the slope，the greater of the safety factor is.However，anti-slide pile with large bearing capacity will deepen the critical slip surface.Safety coefficient of the slope reinforced by anti-slide pile at the bottom of the slope increased by 2%～5% than that at the top of the slope.Thus，the reasonable design strength of the anti-slide pile could increase the slope safety factor without changing the dangerous slip crack surface.

Sandy slope，Rainfall infiltration，Stability，Deformation，Anti-slide pile

2015-03-02

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(編號：2011AA11A102)。

程昌明(1982—)，男，講師。

TU 457

A

1001-1250(2015)-05-175-06