短時強降雨對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

王 威，姜 嘯，崔 雨，劉順青

（1. 江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212005）

鎮(zhèn)江地處江蘇西南部， 位于江南平原與丘陵山地之間的過渡地帶， 大地構(gòu)造方面處于下?lián)P子臺緣寧鎮(zhèn)斷褶隆東段，地層自震旦系至第四系均有分布，其中第四系下蜀黃土的覆蓋面積占全市陸地總面積的1/2左右［1］。每年雨季，鎮(zhèn)江地區(qū)是江蘇省內(nèi)滑坡發(fā)生最頻繁的地區(qū)，嚴重影響了滑坡周邊居民、工廠職工及游客的生命財產(chǎn)安全， 這與鎮(zhèn)江地區(qū)廣泛分布的下蜀土邊坡密切相關(guān)［2，3］。 這些滑坡發(fā)生的外部因素主要為短時強降雨或長歷時降雨，目前為止，還缺少短時強降雨對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性方面的系統(tǒng)性研究。

本文基于鎮(zhèn)江地區(qū)的降雨特征，采用Midas GTS NX建立下蜀土邊坡的數(shù)值分析模型，分別分析短時強降雨入滲時間及坡度對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響。 研究結(jié)果對鎮(zhèn)江地區(qū)下蜀土邊坡的設(shè)計及養(yǎng)護治理具有重要意義。

1 鎮(zhèn)江地區(qū)的降雨特征分析

統(tǒng)計結(jié)果表明，鎮(zhèn)江地區(qū)的下蜀土滑坡跟該地區(qū)的降雨量及降雨持續(xù)時間之間存在著非常明顯相關(guān)關(guān)系，這一關(guān)系通常可采用降雨閾值這一指標來表征，降雨閾值通常是指誘發(fā)滑坡的臨界降雨量。

針對降雨閾值的研究目前主要有兩種方法，第一為理論分析法，通過數(shù)值模擬，結(jié)合降雨入滲及邊坡失穩(wěn)機制方面研究，分析得到的降雨閾值［4］；第二為經(jīng)驗法， 通過對某一地區(qū)大量滑坡事件與降雨數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系的宏觀統(tǒng)計， 分析得到的經(jīng)驗性降雨閾值。 由經(jīng)驗性法得到的降雨閾值不需要嚴謹?shù)奈锢頂?shù)學方法推導(dǎo)，數(shù)據(jù)相對容易收集，準確性比較大。

本文采用燕曉瑩等［5］基于鎮(zhèn)江地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果建立的閾值表達式， 具體的公式如下：

式中 I為降雨強度（mm/h）；D為降雨持續(xù)時間（h），取值范圍為1h≤D≤500h。

2 下蜀土邊坡數(shù)值模型的建立

本文采用有限元程序Midas GTS NX建立下蜀土邊坡的數(shù)值分析模型， 下蜀土邊坡的高度為10m，因模型尺寸對計算結(jié)果有一定影響［6，7］，取坡腳到左側(cè)邊界的距離為15m， 坡頂?shù)接覀?cè)邊界距離為15m，坡腳向下邊界延伸一個1.5倍的坡高。 下蜀土邊坡的數(shù)值分析模型如圖1。

圖1 下蜀土邊坡的數(shù)值模型分析

下蜀土邊坡穩(wěn)定性計算時本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，具體的計算參數(shù)分別如表1、表2。

表1 下蜀土邊坡的計算參數(shù)

表2 下蜀土非飽和滲透性函數(shù)

表3 下蜀土非飽和含水率函數(shù)

3 短時強降雨入滲對下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

為分析短時強降雨入滲對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響，根據(jù)鎮(zhèn)江地區(qū)的降雨閾值表達式，選取降雨強度為29.5mm/h，邊坡坡度為30°，分別分析降雨1，2，3，4，5，6，7，8h對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的 影響，計算結(jié)果如圖2。

圖2 不同強降雨歷時下鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的安全系數(shù)

從圖2可看出，短時強降雨作用對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的穩(wěn)定性影響較大， 邊坡安全系數(shù)降低約29.3%。但隨著強降雨時間的繼續(xù)增大， 鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的安全系數(shù)變化較小， 主要原因是隨著強降雨時間的增加， 坡體表面的下蜀土逐漸由非飽和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，且因強降雨強度大于下蜀土的入滲容量，隨著坡體表面土體的飽和部分降雨并不入滲，而是以坡面徑流的方式呈現(xiàn)， 坡體入滲率在降雨達到入滲容量后，將逐步下降，因此對邊坡的安全系數(shù)影響較小。

限于文章篇幅，分別選取強降雨入滲1 h和8 h后鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的孔隙水壓力，如圖3。

圖3 不同強降雨歷時下鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的孔隙水壓力

從圖3可看出，強降雨在入滲下蜀土邊坡1 h和8 h后的坡體孔隙水壓力變化較小。

4 相同強降雨類型不同坡度對下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

為分析相同強降雨類型邊坡坡度不同對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響，選取降雨強度為29.5mm/h，降雨歷時分別為1，2，3，4，5，6，7，8h， 分析坡度分別為20°，30°，40°對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響，計算結(jié)果如圖4。從圖4可看出，短時強降雨作用對不同坡度的鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響都較大， 坡度為20°，30°，40°的下蜀土邊坡， 安全系數(shù)分別降低約32.7%，29.3%，26.7%，相對而言，邊坡安全系數(shù)的降低程度隨著坡度的增大逐漸減小。 隨著強降雨時間的繼續(xù)增大， 不同坡度的鎮(zhèn)江下蜀土邊坡安全系數(shù)的變化都較小。

圖4 不同坡度下鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的安全系數(shù)

限于文章篇幅，分別選取強降雨入滲1 h后不同坡度鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的塑性云圖，如圖5。從圖5可看出，在強降雨入滲1 h后，不同坡度的鎮(zhèn)江下蜀土邊坡都呈現(xiàn)淺層滑動趨勢，隨著坡度增大，滑坡體的體積逐漸減小。

圖5 強降雨1h后不同坡度鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的塑性云圖

5 結(jié)語

（1）短時強降雨作用對鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的穩(wěn)定性影響較大，邊坡安全系數(shù)值降低接近30%，但隨著強降雨時間的繼續(xù)增大， 鎮(zhèn)江下蜀土邊坡的安全系數(shù)變化較小。

（2）強降雨在入滲鎮(zhèn)江下蜀土邊坡1～8h后的坡體孔隙水壓力變化較小。

（3）短時強降雨作用對不同坡度的鎮(zhèn)江下蜀土邊坡穩(wěn)定性的影響都較大，但影響程度略有不同，邊坡安全系數(shù)的降低程度隨著坡度的增大逐漸減小。