不同土-水特征參數對邊坡穩定性影響分析

邢精連，侯 麗，張天琦

(南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

降雨是導致滑坡的重要因素之一[1- 2]，針對降雨下的邊坡滲透特性及穩定性規律，國內外研究較多：榮冠[3]基于飽和非飽和的入滲理論，對強降雨下的元磨公路典型工程邊坡滲透穩定性規律進行了研究；王建明[4]考慮了爆破與降雨的綜合效應，對含裂紋邊坡進行了穩定性數值模擬；余培杰[5]采用數值模擬的手段對露天礦邊坡在降雨條件下的滲流穩定規律進行了探討；肖耀廷[6]基于水文模型推測了邊坡所處地區的年降雨分布，以此為基礎預測了邊坡的穩定性規律；楊智勇[7]對土質邊坡的分區域失效概率進行了綜合考慮。但是以上研究均未涉及到考慮不同土-水特征曲線下的邊坡穩定性規律，事實上，不同的土-水特征參數對邊坡穩定性的影響巨大[8- 15]，但是，鮮有對降雨條件下的不同土-水特征曲線敏感性分析的案例報道較少。

本文基于非飽和滲流原理，對不同土-水特征參數下的降雨邊坡滲流規律及穩定性規律進行了數值模擬，得到了邊坡內部不同監測點的孔壓i變化規律及安全系數分布，研究結果為正確認識不同土-水特征參數下的邊坡滲透穩定性規律提供了思路。

1 計算理論

1.1 非飽和降雨滲流理論

降雨入滲下，邊坡土體的滲流遵循以下方程：

(1)

1.2 邊坡安全系數公式

非飽和土的抗剪強度理論采用 Fredlund & Xing[11- 15]提出的抗剪強度公式：

s=c′+σntanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

式中，s—非飽和土的抗剪強度；σn—正應力；c′—有效粘聚力；φ’—有效內摩擦角；φb—材料屬性；ua—孔隙氣壓力；uw—孔隙水壓力。

2 計算模型

計算模型如圖1所示，設置上部與下部監測點實時監測邊坡內部不同點的孔壓變化。邊坡高度hf=14m，坡腳高度ac=7m，坡比為1∶2，初始條件為圖1所示的初始水位線計算所得的初始滲流場作為整個計算模型的初始條件，邊界條件設置如下：cdef為降雨入滲邊界；cb，gf，ah為不透水邊界，ab，gh為定水頭邊界，分別為3m與8m。整個模型共劃分為1347個節點，1552個單元。

圖1 計算模型及網格

材料的基礎參數如下：飽和體積含水量θs為10%，重度γ為18.6kN/m3，黏聚力c為22kPa，內摩擦角φ為16°，φb為20°。非飽和參數a，m，n，k基礎參數取為a=10kPa，m=1，n=4，k=0.01m/d，相應的計算工況為改變土體非飽和參數k，a，m，n，計算邊坡的滲透穩定性，降雨強度取為0.01m/d，降雨持續時間取為10d，考慮停雨10d的情況，相應工況如表1所示。

表1 計算工況

3 計算結果

3.1 監測點孔壓

不同土-水特征參數下的不同監測點孔壓如圖2—3所示。

圖2 上部監測點孔壓變化規律

由圖可知，上部監測點孔壓隨時間呈現在降雨時迅速增大，而在降雨結束時刻緩慢減小的趨勢，而下部監測點孔壓則呈現在降雨時刻迅速增大，而在降雨結束時刻緩慢增大的趨勢，原因是下部監測點的孔壓受到上部邊坡的雨水排泄作用，使得下部監測點的孔壓在降雨結束時刻難以下降。對于上部監測點，參數a與參數m和孔壓上升的幅度呈正相關，而參數n與參數k越大，在降雨時上升越快，在降雨結束后下降也越快。對于下部監測點來說，參數m，n與孔壓上升的幅度呈正相關，參數a越大，孔壓增幅缺越小，但是在參數a=40kPa時卻有一個突然的上升，參數k越大，前期孔壓上升幅度也越大，而在降雨結束后孔壓下降也越快。

3.2 安全系數變化

不同工況下的邊坡安全系數的變化規律如圖4所示。

由圖可知，不同工況下的安全系數呈現在降雨時迅速下降，而停雨后緩慢下降的趨勢。參數a越大，整體安全系數越大，但是當a=40kPa時整體安全系數有一個突然的陡降；參數m，n，k越大，安全系數整體上也越大。參數k在降雨前期安全系數幾乎一致，而在降雨后期安全系數則隨著滲透系數k 的增大而減小。

圖3 下部監測點孔壓變化

圖4 安全系數變化規律

4 結論

(1)上部監測點孔壓隨時間呈現在降雨時迅速增大，而在降雨結束時刻緩慢減小的趨勢，參數a與參數m和孔壓上升的幅度呈正相關，而參數n與參數k越大，在降雨時上升越快，在降雨結束后下降也越快。

(2)下部監測點孔壓則呈現在降雨時刻迅速增大，而在降雨結束時刻緩慢增大，參數m，n與孔壓上升的幅度呈正相關，參數a越大，孔壓增幅缺越小，但是在參數a=40kPa時卻有一個突然的上升，參數k越大，前期孔壓上升幅度也越大，而在降雨結束后孔壓下降也越快。

(3)不同工況下的安全系數呈現在降雨時迅速下降，而停雨后緩慢下降的趨勢。參數a越大，整體安全系數越大，但是當a=40kPa時整體安全系數有一個突然的陡降；參數m，n，k越大，安全系數整體上也越大。參數k在降雨前期安全系數幾乎一致，而在降雨后期安全系數則隨著滲透系數k 的增大而減小。