前期降雨及雨型對土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性影響分析

王小龍

（神河高速公路管理處，山西 忻州 034000）

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)逐步向山區(qū)推進(jìn)，山嶺地帶不可避免出現(xiàn)大量的高陡邊坡，當(dāng)雨季降雨頻繁入滲，會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[1]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，日本每年因降雨入滲導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞多達(dá)上萬個，美國由于滑坡地質(zhì)災(zāi)害年平均損失超過10億美元，而我國邊坡災(zāi)害造成的損失也非常巨大[2-3]。降雨入滲會引起邊坡的表層含水量及地下水位逐漸上升，導(dǎo)致基質(zhì)吸力和土體抗剪強度降低，造成邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡[4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對邊坡穩(wěn)定性展開了大量研究[5-7],但研究方向大多為內(nèi)在要素，如巖土體的類型和性質(zhì)、邊坡形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌、地下水等。而對于邊坡穩(wěn)定性的外部因素研究相對較少。基于此，本文采用有限元分析方法，針對不同雨型及前期降雨情形下土質(zhì)高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究，分析結(jié)果對土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性控制及防護(hù)提供理論依據(jù)。

1 計算步驟及模型

使用Geo-Studio有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，其中邊坡穩(wěn)定性和地下水滲流分別通過Slope/w、Seep/w模塊實現(xiàn)。試驗過程基于有限元計算法，采用Seep/w對降雨入滲影響下的邊坡進(jìn)行二維非飽和滲流分析，并且基于極限平衡法，運用Slope/w軟件對邊坡的穩(wěn)定性能展開詳細(xì)分析，具體試驗步驟如下：

a）輸入非飽和土相關(guān)公式、參數(shù)；

b）設(shè)定降雨因素，運用Seep/w軟件進(jìn)行滲流分析；

c）計算邊坡的孔隙水壓力；

d）輸入邊坡幾何特征、土壤特性、降雨時間及雨型等參數(shù)；

e）邊坡安全系數(shù)分析。

1.1 模型建立

運用Geo-studio有限元軟件建立邊坡計算模型，邊坡模型及其網(wǎng)格劃分大致如圖1所示，其中實線條表示邊坡內(nèi)地下水位，虛線條表示AB截面，整個模型中共1 068個結(jié)點，996個單元。邊坡模型中各項參數(shù)如表1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

表1 邊坡模型參數(shù)

1.2 材料參數(shù)

在邊坡滲流分析過程中，需在Seep/w軟件中設(shè)置滲透系數(shù)函數(shù)曲線與土水特征曲線兩個參數(shù)。根據(jù)張雪東[8]試驗可知，土水特征曲線可通過體積壓力板確定，本次試驗采用的土水曲線如圖2所示。邊坡穩(wěn)定分析過程中的各項材料參數(shù)如表2所示。另外，由于邊坡類型屬于非飽和土質(zhì)高邊坡，其土壤中存在隨含水量增減而變化的剪力強度，故試驗中需設(shè)置一個隨基質(zhì)吸力Ua-Uw變化引起的內(nèi)摩擦角φ。

表2 各材料參數(shù)

圖2 土水特征曲線

1.3 邊界條件

邊坡中左右兩側(cè)的地下水位分別為6 m、12 m，因此地下水位以下區(qū)域擬定為定水頭的邊界條件，而以上區(qū)域設(shè)置為零流量邊界；對于邊坡的坡面、坡腳以及坡頂?shù)谋砻鎱^(qū)域，由于不存在水流的流入和輸出，即水流量為零，故邊界條件擬定為定流量；坡底區(qū)域設(shè)為不透水邊界，其水流量也是為零，故邊界條件與邊坡的坡面、坡腳以及坡頂?shù)谋砻鎱^(qū)域一致。上述設(shè)定的邊界條件均為初始狀態(tài)下邊坡地下水水頭的分布情況，具體如圖3所示，在此基礎(chǔ)上針對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行暫態(tài)模擬。

圖3 地下水壓力水頭初始分布圖

1.4 降雨條件

前期降雨通常指邊坡滑動前的累計降雨量，其對后續(xù)降雨過程中邊坡的初始壓力水頭分布有明顯影響。為探討前期降雨對土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的影響，分別考慮了滲透系數(shù)為 ks=1×10-1cm/s、ks=1×10-3cm/s的邊坡，擬定15 d的前期降雨量200 mm、350 mm，第16天后續(xù)降雨量100 mm兩種情形，針對不同前期降雨因素對土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性展開詳細(xì)分析。

降雨雨型一般指雨強隨降雨持時的變化過程，本文擬定6種不同的降雨雨型，具體情況如表3所示，其中各雨型降雨總量均設(shè)為1 200 mm，雨強峰值設(shè)為48 mm/h。邊坡內(nèi)飽和滲透系數(shù)取為ks=1.5×10-3cm/s，降雨時間設(shè)為48 h，對不同雨型條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行探討。

表3 降雨雨型示意圖

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 前期降雨

通過對不同前期降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，獲得邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同前期降雨的安全系數(shù)變化曲線

由圖4a可知，當(dāng)邊坡的飽和滲透系數(shù)為ks=1×10-1cm/s時，15 d前期降雨量200 mm、350 mm兩者的安全系數(shù)均在降雨初期就呈下降變化，其中前期降雨量200 mm在降雨歷時第9天后，邊坡的安全系數(shù)隨降雨歷時逐漸降低，且在第16天后續(xù)降雨量100 mm的增持下，邊坡的安全系數(shù)降幅進(jìn)一步增大；而前期降雨量350 mm在降雨歷時第5天后，邊坡安全系數(shù)就存在大幅度的減小，但在降雨10～15 d時段內(nèi)，邊坡的安全系數(shù)保持平穩(wěn)狀態(tài)，直至第16天后續(xù)降雨量100 mm作用下，安全系數(shù)再次出現(xiàn)下降趨勢。

根據(jù)圖4b可知，當(dāng)邊坡的飽和滲透系數(shù)為ks=1×10-3cm/s時，邊坡的安全系數(shù)在15 d前期降雨量200 mm作用下并未發(fā)生明顯變化，整個前期降雨過程表現(xiàn)為平穩(wěn)狀態(tài)，但在第16天后續(xù)降雨量100 mm增持后，邊坡的安全系數(shù)才開始出現(xiàn)明顯下降。而在15 d前期降雨量350 mm作用下，邊坡安全系數(shù)在降雨歷時第10天后出現(xiàn)大幅度減小趨勢，且維持至模擬時間結(jié)束，而第16天后續(xù)降雨100 mm增持下，邊坡的安全系數(shù)降幅無顯著變化。

根據(jù)上述分析可知，邊坡的安全系數(shù)僅在前期降雨量達(dá)到某一定值時才開始逐漸減小，如在15 d前期降雨量為350 mm、滲透系數(shù)為ks=1×10-3cm/s條件下，降雨量平均為23.33 mm/d，當(dāng)降雨持續(xù)到第10天，即降雨量已累計到233 mm時，邊坡的安全系數(shù)開始逐漸降低；當(dāng)15 d前期降雨量為200 mm時，因降雨前期的累計雨量沒有達(dá)到233 mm，所以邊坡的安全系數(shù)在降雨前期表現(xiàn)較為平緩。

在15 d前期降雨量為200 mm、滲透系數(shù)為ks=1×10-1cm/s條件下，降雨量平均為13.33 mm/d，因邊坡中土壤的滲透性較高，當(dāng)降雨量達(dá)120 mm時，邊坡的安全系數(shù)就出現(xiàn)明顯下降趨勢，故在此情況下降雨持續(xù)到第9天后，安全系數(shù)便出現(xiàn)大幅降低；當(dāng)15 d前期降雨量為350 mm時，累計降雨量在降雨歷時5 d后就達(dá)到120 mm，邊坡的安全系數(shù)也出現(xiàn)了明顯降低趨勢，但降雨歷時達(dá)到10 d后，邊坡的安全系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)，此時降雨量已達(dá)233 mm左右，而當(dāng)降雨歷時達(dá)16 d后，安全系數(shù)在后續(xù)降雨量100 mm的影響下進(jìn)一步出現(xiàn)降低。綜合上述分析可知，該類邊坡的安全系數(shù)在前期降雨量達(dá)到某一定強度時會出現(xiàn)大幅降低，其可視作影響邊坡安全系數(shù)的臨界值。

2.2 降雨雨型

通過對不同雨型條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，獲得邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，在1/4前峰雨型條件下，邊坡的安全系數(shù)前期表現(xiàn)較為平穩(wěn)，但降雨歷時達(dá)25 h后安全系數(shù)開始逐漸下降，在模擬結(jié)束時邊坡的安全系數(shù)下降9.7%左右；而前峰雨型條件下，邊坡的安全系數(shù)在降雨歷時達(dá)26 h后才出現(xiàn)明顯的下降趨勢，其整體降幅約為10%。對于雙峰雨型和中峰雨型而言，其安全系數(shù)出現(xiàn)明顯下降的時間分別為第32小時、第27小時，模擬結(jié)束后兩者的安全系數(shù)降幅分別為11.5%、12%。3/4后峰雨型條件下的安全系數(shù)在降雨歷時達(dá)33 h后才開始明顯下降，其安全系數(shù)降幅約為15%；而后峰雨型情況下的安全系數(shù)稍晚于3/4后峰雨型，其安全系數(shù)約比后者晚1 h，在模擬結(jié)束后邊坡的安全系數(shù)下降17%左右。

圖5 不同雨型的安全系數(shù)變化曲線

根據(jù)上述分析可知，不同雨型條件下的安全系數(shù)降低先后順序依次為：1/4前峰雨型、前峰雨型、中峰雨型、雙峰雨型、3/4后峰雨型、后峰雨型。其中1/4前峰雨型和前峰雨型的安全系數(shù)最先下降，且兩者的降幅為所有雨型中最小的，這是由于此類雨型的峰值雨強出現(xiàn)較早，使得邊坡內(nèi)含水量迅速增多，導(dǎo)致后續(xù)降雨過程中大部分雨水無法滲入坡內(nèi)，形成地表徑流而流走；前峰雨型和中峰雨型的安全系數(shù)開始降低時間為所有雨型的中間位置，且兩者的降幅也處于全部雨型中間，中峰雨型的安全系數(shù)降幅稍低于雙峰雨型，說明在等降雨量條件下，雨強峰值出現(xiàn)越頻繁，邊坡的穩(wěn)定性越好；3/4后峰和后峰雨型的安全系數(shù)是所有雨型中最晚開始下降的，但其降幅最為明顯，其原因是降雨早期的雨強較小，坡內(nèi)的含水量沒有達(dá)到飽和，當(dāng)后續(xù)降雨過程中雨強增至峰值時，雨水仍可滲入邊坡，故等降雨量條件下，后峰雨型對邊坡穩(wěn)定性的影響較其他雨型更為明顯。

3 結(jié)論

a）邊坡的安全系數(shù)在前期降雨量達(dá)到某一定強度時會大幅降低；滲透系數(shù)越低，邊坡受前期降雨的影響越不明顯；前期降雨能夠使邊坡提前進(jìn)入接近失穩(wěn)的狀態(tài)，當(dāng)后續(xù)較大雨強的降雨作用時易引起邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

b）不同雨型條件下的安全系數(shù)降低先后順序依次為：1/4前峰雨型、前峰雨型、中峰雨型、雙峰雨型、3/4后峰雨型、后峰雨型，雨型的雨強峰值出現(xiàn)時間越前，邊坡的安全系數(shù)開始下落的時間越早，而雨強峰值出現(xiàn)的時間越后，邊坡的安全系數(shù)開始下落時間越晚，且其降低幅度越為明顯，即雨強峰值出現(xiàn)時間越晚對邊坡的穩(wěn)定性越不利。