降雨類(lèi)型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

縱崗，王耀

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

降雨類(lèi)型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

縱崗，王耀

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

文章基于飽和-非飽和滲流理論和降雨入滲原理，利用有限元軟件ABAQUS模擬分析了不同降雨類(lèi)型下的邊坡穩(wěn)定性。短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致邊坡上部土體發(fā)生短暫的飽和，形成暫態(tài)飽和區(qū)甚至導(dǎo)致地表徑流。長(zhǎng)時(shí)弱降雨情況下雨水能夠滲入到土體深部位置，補(bǔ)給地下水。短時(shí)強(qiáng)降雨情況下邊坡安全系數(shù)降低的程度更大，但是長(zhǎng)時(shí)弱降雨情況下的滑坡危害程度更大。

短時(shí)強(qiáng)降雨；長(zhǎng)時(shí)弱降雨；穩(wěn)定性；ABAQUS

0 引言

降雨作為常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，是山體滑坡的主要誘因。每年發(fā)生的山體滑坡事故都會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大損失，因此研究降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性十分重要。同時(shí)不同的降雨類(lèi)型對(duì)邊坡的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生不同的影響，例如我國(guó)的西南地區(qū)作為滑坡事故的常發(fā)地帶，針對(duì)該地區(qū)的降雨特點(diǎn)，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨和長(zhǎng)時(shí)弱降雨兩種降雨類(lèi)型下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析就很有必要，能夠?yàn)榛碌念A(yù)防和治理提供理論參考。

1 飽和-非飽和滲流理論

在降雨條件下的邊坡滲流場(chǎng)的分析中，雨水的流動(dòng)是典型的二維飽和-非飽和問(wèn)題，達(dá)西定律仍然適用其滲流規(guī)律的描述。土體內(nèi)非飽和-飽和滲流的控制方程[1-4]形式為：

式中：h為總水頭；kx和ky為x和y方向的滲透系數(shù)；w為匯源項(xiàng)；mw為比水容量；ρw為水的密度；g為重力加速度；t為時(shí)間。

邊界條件為：

所使用的土-水特征曲線(xiàn)模型為V-G[5]數(shù)學(xué)模型：

式中：a、b、n為擬合參數(shù)；ψ為基質(zhì)吸力；θ為體積含水量；θs為飽和體積含水量；θr為殘余體積含水量；Se為飽和度。

降雨過(guò)程的土-水特征曲線(xiàn)為吸濕過(guò)程值，本模型中的土-水特征曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 吸濕過(guò)程的土—水特征曲線(xiàn)

2 降雨入滲影響邊坡穩(wěn)定性原理

降雨入滲是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括坡頂入滲、坡面入滲、順裂隙入滲、裂隙向土體滲流和重力條件下土體內(nèi)滲流等多種形態(tài)。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于邊坡土體滲透系數(shù)時(shí)，降雨很容易滲流到土體深部飽和區(qū)，直接補(bǔ)給地下水，而淺部土體難以達(dá)到較高的飽和度，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)降雨強(qiáng)度大于邊坡土體的入滲率時(shí)，雨水滲入邊坡表層土體，使得邊坡非飽和區(qū)上部土體的含水率逐漸增大，基質(zhì)吸力逐漸降低，邊坡內(nèi)出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)逐漸向內(nèi)部發(fā)展，邊坡坡面上出現(xiàn)正的水壓力（暫態(tài)水壓力），影響邊坡穩(wěn)定。此外，坡面形成地表徑流，對(duì)坡面造成沖刷，進(jìn)一步降低了土體的穩(wěn)定性。

與此同時(shí)，雨水滲透到土體表層中，使得土坡非飽和帶土體的基質(zhì)吸力不斷的降低，隨著基質(zhì)吸力的降低，使得土坡非飽和帶土體的抗剪強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致土坡穩(wěn)定性顯著降低。因此當(dāng)降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度超過(guò)一定的極限限度時(shí)，也就是說(shuō)存在一個(gè)臨界降雨量值，當(dāng)降雨量超過(guò)該值時(shí)，土坡則會(huì)失穩(wěn)，產(chǎn)生滑坡。

因此，降雨破壞邊坡時(shí)，要經(jīng)歷降雨→雨水邊坡滲透（包括裂隙滲透和地表徑流）→邊坡土體重力增大、強(qiáng)度降低→穩(wěn)定系數(shù)減小→局部失穩(wěn)滑動(dòng)→滑動(dòng)破壞的過(guò)程。

3 建立模型和計(jì)算方案

為了分析不同降雨類(lèi)型條件下的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，擬選用某一土質(zhì)邊坡，按照二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。該邊坡的幾何尺寸及地下水位如下圖所示。

圖2 邊坡尺寸（單位：m）

數(shù)值模擬計(jì)算所用的均值土坡的各項(xiàng)物理參數(shù)如表1所示。

土體各項(xiàng)物理參數(shù) 表1

該模型的邊界條件設(shè)置如下。

①位移邊界條件。約束模型兩側(cè)AF、DE的水平位移，約束模型底部FE的水平位移和豎直位移，坡面BC、AB、CD均為自由邊界。

②孔壓邊界條件。邊坡模型AB邊所處位置為地下水位線(xiàn)，在A(yíng)F、DE兩側(cè)水位線(xiàn)以下設(shè)置隨深度線(xiàn)性增加的靜水孔壓邊界，水位線(xiàn)以下邊坡土體飽和度為1.0。

③降雨邊界條件。把BC、CD邊設(shè)置為降雨流量邊界來(lái)模擬降雨，由于A(yíng)B面為飽和面，AB邊設(shè)置為降雨對(duì)其不產(chǎn)生影響的邊界。

④滲透邊界條件。本算例考慮雨水沿坡面BC、CD邊進(jìn)行入滲，AB邊為飽和邊界降雨不引起雨水的入滲，模型底面EF設(shè)置為不透水邊界。

圖3 模型邊界條件

圖4 計(jì)算網(wǎng)格模型

不同的降雨類(lèi)型對(duì)邊坡的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不同的影響，本文主要研究短時(shí)強(qiáng)降雨和長(zhǎng)時(shí)弱降雨兩種降雨類(lèi)型下的邊坡穩(wěn)定性，針對(duì)研究所做的對(duì)比方案如表2。

短時(shí)強(qiáng)降雨、長(zhǎng)時(shí)弱降雨的對(duì)比方案 表2

4 結(jié)果分析

4.1 初始狀態(tài)分析

在降雨入滲分析前，需要知道邊坡初始孔隙水壓力、初始飽和度、初始應(yīng)力分布等一系列初始條件。本文首先進(jìn)行一個(gè)靜水位作用的分析，以建立后續(xù)分析需要的初始狀態(tài)。

圖5所示為初始孔隙水壓力等值線(xiàn)圖，由圖可見(jiàn)水壓力的分布呈線(xiàn)性變化，底部水壓力為100kPa，頂部水壓力為-200kPa（吸力），這和我們所給出的條件是符合的。圖5孔隙水壓力為零的地下水浸潤(rùn)線(xiàn)成為正負(fù)孔隙水壓力的分界線(xiàn)。

圖5 降雨之前的孔壓分布圖

邊坡初始狀態(tài)穩(wěn)定性分析為：圖6和圖7表示的是降雨之前土坡穩(wěn)定性分析中位移等值線(xiàn)云圖和用增量位移判斷的滑動(dòng)面圖。邊坡失穩(wěn)數(shù)值計(jì)算的整個(gè)過(guò)程歷時(shí)0.6569s，從位移云圖上可以看出最大的位移出現(xiàn)在坡腳的位置，從而可以判定首先邊坡的坡腳出現(xiàn)屈服，然后向上延伸，當(dāng)時(shí)間等于0.6569s時(shí)出現(xiàn)塑性區(qū)的貫通，邊坡破壞。圖8表示的是邊坡左上角的頂點(diǎn)的場(chǎng)變量FV1隨X方向位移的變化曲線(xiàn)圖，如果以數(shù)值的計(jì)算不收斂作為土坡失穩(wěn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，那么相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)變量FV1為1.50532，即邊坡的安全系數(shù)Fs為1.50532。

圖6 位移等值線(xiàn)

圖7 增量位移判斷的滑動(dòng)面

圖8 FV1隨U1的變化關(guān)系

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖9為上述邊坡在經(jīng)歷短時(shí)強(qiáng)降雨、長(zhǎng)時(shí)弱降雨兩種不同雨況下，邊坡坡肩孔隙水壓力隨高程變化的對(duì)比圖。在I、J短時(shí)強(qiáng)降雨方案下，表層的土體（5m以?xún)?nèi)）孔隙水壓力幾乎增到0kPa,接近飽和狀態(tài)。主要原因是此時(shí)的降雨強(qiáng)度大于土體的飽和滲透系數(shù)，水分在邊坡內(nèi)部的運(yùn)移很慢，在邊坡的上部形成暫態(tài)飽和區(qū)。K、L長(zhǎng)時(shí)弱降雨方案下，上部土體遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到飽和，只是影響深度加大。也就是說(shuō)如果一旦發(fā)生土體滑坡，長(zhǎng)時(shí)弱降雨下的滑坡危害性會(huì)更大。因?yàn)槎虝r(shí)強(qiáng)降雨下的滑坡多會(huì)發(fā)生在邊坡的上部，滑坡土體的體積相對(duì)較小。而長(zhǎng)時(shí)弱降雨下的滑坡影響范圍大，滑坡土體的體積較大。

圖9 短時(shí)強(qiáng)雨、長(zhǎng)時(shí)弱雨，孔隙水壓力隨高程變化對(duì)比圖

圖10 短時(shí)強(qiáng)降雨下，安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

圖11 長(zhǎng)時(shí)弱降雨下，安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

由圖10、11分析后可知，在飽和滲透系數(shù)一定時(shí)，無(wú)論短時(shí)強(qiáng)降雨還是長(zhǎng)時(shí)弱降雨，在降雨結(jié)束時(shí)，邊坡安全系數(shù)都大幅的降低。在降雨停止后隨著時(shí)間的推移，入滲到土體內(nèi)的雨水開(kāi)始蒸發(fā)或由坡面向外滲出，邊坡內(nèi)的孔隙水壓力開(kāi)始減小，基質(zhì)吸力增大，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)又逐漸的升高。由于水分消散的速度由快到慢，安全系數(shù)上升的幅度也由大到小，最后基本維持在一個(gè)定值，在一定的時(shí)間之內(nèi)不能恢復(fù)到雨前初始狀態(tài)的安全系數(shù)大小。說(shuō)明了降雨時(shí)間間隔的長(zhǎng)短對(duì)于安全系數(shù)的恢復(fù)程度有直接的影響，可見(jiàn)降雨時(shí)間間隔對(duì)邊坡的穩(wěn)定性十分重要。

同時(shí)，對(duì)比短時(shí)強(qiáng)降雨與長(zhǎng)時(shí)弱降雨方案下土體邊坡安全系數(shù)大小可知，短時(shí)強(qiáng)降雨停止時(shí)安全系數(shù)較長(zhǎng)時(shí)弱降雨停止時(shí)的安全系數(shù)更小。其原因是短時(shí)強(qiáng)降雨方案下，降雨強(qiáng)度大于土體的飽和滲透系數(shù)而產(chǎn)生地表徑流，雖然有一部分雨水并沒(méi)有滲入到邊坡內(nèi)，但是該部分雨水將隨著邊坡坡面產(chǎn)生順坡流動(dòng)，順坡流動(dòng)會(huì)對(duì)邊坡上部土體產(chǎn)生較大的沖刷作用，進(jìn)一步對(duì)邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)又會(huì)再次降低。

5 結(jié)論

通過(guò)以上算例分析可知，不同降雨類(lèi)型對(duì)邊坡穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

①短時(shí)強(qiáng)降雨情況下雨水入滲較淺，孔隙水壓力變化較大，特別是邊坡上部土體甚至出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)；而長(zhǎng)時(shí)弱降雨情況下孔隙水壓力變化較小但是雨水入滲較深。

②無(wú)論短時(shí)強(qiáng)降雨還是長(zhǎng)時(shí)弱降雨都會(huì)導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)大大降低，但是短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致的安全系數(shù)降低程度更大。

③土體滲透系數(shù)與降雨強(qiáng)度的比例關(guān)系大小對(duì)邊坡安全性能同樣會(huì)產(chǎn)生很大的影響，這可以作為以后的一個(gè)研究方向。

[1]吳夢(mèng)喜，高蓮士.飽和-非飽和土體非穩(wěn)定滲流數(shù)值分析[J].水力學(xué)報(bào)，1999(12)：38-42.

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[3]顧慰慈.滲流計(jì)算原理及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2000.

[4]吳林高，繆俊發(fā)，張瑞，等.滲流力學(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996.

[5]朱軍.飽和非飽和三維多孔介質(zhì)非穩(wěn)定流分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2001,34(3)：5-8.

TU46

A

1007-7359（2016）06-0091-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.035

縱崗（1985-），男，安徽宿州人，畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)，碩士；助教，主要從事建筑工程施工方面的教學(xué)工作。