降雨對土質邊坡穩定性影響的研究分析

李 濤

（遼寧遼東水務控股有限責任公司，遼寧 本溪 117000）

近些年來由于水庫邊坡失穩引起的災害頻發，造成了很大的人員傷亡和經濟財產損失， 很大一部分是出現在夏季降雨集中的季節，因而研究降雨對土質邊坡穩定性影響具有重要的影響意義。 目前學者做了大量相關的研究，沈夢芬等［1］通過使用Geo-Studio軟件對合肥地鐵1號線邊坡建立數值分析模型， 研究不同降雨強度對邊坡穩定性的影響；李濤等［2］以實際高速公路工程為研究對象，在不同降雨持續時間和降雨強度條件下分析邊坡的穩定性；唐棟等［3］將砂土、黏土作為研究對象，通過改變土體的初始含水率和降雨條件， 研究邊坡土穩定性的變化進程；楊旭等［4］通過構建軟質紅巖地質的縮小模型， 模擬軟質紅巖坡面的變形破環與降雨量的關系；湯珊珊等［5］構建了人工降雨的實驗模型，研究了土質邊坡變形破壞過程中土體邊坡中主要構成物質的含量變化情況。研究結果發現，在雨水沖刷過程中， 主要流失的物質為較細顆粒的粉質土顆粒和砂質土顆粒，試驗后保留的主要物質為較粗的土顆粒；陳華梁等［6］通過構建路塹邊坡有限元模型，研究分析邊坡土體在降雨的不同階段含水率的變化情況。研究結果表明， 在降雨初期土體含水量基本保持不變，在降雨中期土體的含水率上升趨勢較為明顯，但在后期含水率上升速度達到最大；沈銀斌等［7］研究了降雨強度、 降雨持續時間及土質邊坡的初始含水量對邊坡的穩定性的影響；胡明鑒等［8］通過構建了人工降雨的實驗模型研究了影響滑坡的外界因素；趙宏渠等［9］通過構建某水庫的有限元模型分析不同降雨強度對邊坡含水率和邊坡失穩的影響。

基于以上研究， 降雨強度和持續時間是影響土質邊坡穩定性最重要的兩個因素。 因而， 本文通過Geo-studio軟件構建土質邊坡模型，模擬在降雨條件下土質邊坡穩定性特征參數的變化情況。

1 建立模型

1.1 邊坡數值模型構建及參數取值

該邊坡為水庫西側邊坡，如圖1為構建的邊坡幾何模型，邊坡模型為長40m、寬20m、高10m的均質土質邊坡，邊坡坡度為0.7。 該模型共選取11個特征點作為研究對象，將坡頂定位特征點1，每個特征點之間的直線距離為2.5m， 第11個特征點選在距離特征點10水平距離為2m的坡底位置處。該模型共選取2個特征面作為研究對象，構建的兩個截面如圖1。 通過Geo-studio構建的模型如圖2，模型具體參數如下：共選取了2213個網格單元，網格劃分距離為0.5m，模型的長軸X軸為邊坡的長度方向，短軸Y軸為邊坡的高度方向。 構建模型的邊界條件如圖3。 邊界條件類型與設置原因如表1。

圖1 邊坡幾何模型

圖2 邊坡網格模型

圖3 邊坡邊界條件

表1 邊界條件設置

1.2 工況設計

降雨強度的劃分是依據24h降雨量進行判斷的，小雨、中雨、大雨、暴雨的劃分如表2。

表2 降雨級別劃分

查閱當地的水文地質資料， 降雨條件為大雨和暴雨與當地實際情況較為相近，因此設計了以下3種工況：

工況（1）：以15d為一個降水周期，每天的降雨量為0.039m，降雨時間為連續的5d，剩余連續的10d為雨停時段。

工況（2）：以15d為一個降水周期，每天的降雨量為0.079m，降雨時間為連續的5d，剩余連續的10d為雨停時段。

工況（3）：以25d為一個降水周期，每天的降雨量為0.039m，降雨時間為連續的10d，剩余連續的15d為雨停時段。

2 降雨對邊坡穩定性的影響分析

通過構建的3種工況，對比分析不同的降雨量與降雨時間條件下，邊坡穩定性特征參數變化情況。

2.1 不同降雨量對邊坡穩定性的影響

對比工況（1）和工況（2）分析不同降雨量對邊坡穩定性的影響，圖4和圖5為連續降雨5d，每天降雨量為0.039m/d和0.079m/d條件下邊坡坡面滑移圖。

圖4 工況（1）邊坡坡面滑移

圖5 工況（2）邊坡坡面滑移

各工況邊坡穩定性特征參數隨時間的變化情況如圖6。

圖6 各工況邊坡穩定性特征參數隨時間的變化

圖6（a）和圖6（b）為兩種降雨條件下邊坡穩定性特征參數隨時間的變化曲線，表3為工況（1）和工況（2）邊坡穩定性特征參的變化情況。 通過分析圖6（a）（b）可知：工況（1）和工況（2）的曲線都呈現先下降后上升最終保持穩定，在一個降雨周期內，降雨強度保持不變，邊坡穩定性的特征參數不斷降低，在第6d達到最小值，停止降雨后，邊坡穩定性的特征參數逐漸增長，最終趨于穩定。 比較分析圖7（a）可知：工況（1）的邊坡穩定性的特征參數始終大于工況（2），在降雨期，工況（1）邊坡穩定性的特征參數下降速率小于工況（2）邊坡穩定性的特征參數下降速率；在停雨期，工況（1）邊坡穩定性的特征參數上升速率大于工況（2）邊坡穩定性的特征參數上升速率，且工況（1）趨于穩定的時間早于工況（2），說明了降雨周期相同，降雨量越大邊坡穩定性特征參數下降速率越大，下降量越多，且最終保持穩定狀態時邊坡越不穩定。分析表3可得工況（1）的邊坡穩定性的特征參數最小值較大、邊坡穩定性的特征參數變化量較小。

表3 不同工況下邊坡穩定性的特征參數變化情況

圖7 各工況邊坡穩定性特征參數隨時間的對比

2.2 不同降雨周期對邊坡穩定性的影響

對比工況（1）和工況（3）分析不同降雨周期對邊坡穩定性的影響，圖7（b）為不同周期兩種降雨條件下邊坡穩定性的特征參數隨時間的變化曲線，表3為工況（1）和工況（3）邊坡穩定性特征參的變化情況。 比較分析圖7（b）可知：在降雨期，降雨量相同的情況下，前5d兩種工況邊坡穩定性特征參數曲線下降速率相同，但工況（3）邊坡穩定性特征參數隨著降雨的進行不斷降低。 在停雨期，工況（1）邊坡穩定性特征參數上升速率大于工況（2）邊坡穩定性特征參數上升速率，且工況（1）特征參數趨于穩定所需的時間短于工況（2）。 分析表4可得工況（1）相較于工況（3）的邊坡穩定性特征參數最小值較大、邊坡穩定性的特征參數變化量較小。 說明了降雨量相同的情況下，降雨周期越長，邊坡穩定性特征參數的幅值越小，且最終保持邊坡穩定性特征參數保持衡定狀態時邊坡越不穩定。

表4 不同工況下邊坡穩定性的特征參數變化情況

分析不同工況下邊坡穩定性特征參數變化的主要原因可知：降雨過程中，隨著雨水的不斷滲透，邊坡土體中含水率增大， 土體的滲透能力增強，從而引起土體間的黏聚力降低，邊坡穩定性的特征參數不斷降低。 隨著降雨的持續，邊坡土體的滲透性能與降雨的強度保持平衡，出現了土體中雨水滲透的動態平衡， 邊坡穩定性的特征參數降低速率減小。 在停雨期，開始階段雨水在土體中不斷下滲，土體的穩定性特征參數呈現短暫的下降趨勢，隨著停雨期的延長，邊坡土體中含水率降低，土體的滲透能力減弱，從而引起土體間的黏聚力增強，邊坡穩定性的特征參數不斷增加，最終邊坡穩定性特征參數達到動態平衡。

3 結語

本文通過Geo-studio建立邊坡模型，以不同降雨量和不同降雨周期為研究變量，比較分析了在3種不同工況下邊坡穩定性特征參數的變化情況， 并得到以下結論：

（1）邊坡土體在降雨的整個周期過程中穩定性特征參數不斷減小， 直至在雨停后的1d左右達到最小值，隨著停雨期的不斷延長，邊坡穩定性特征參數不斷緩慢增大，最終呈現平衡狀態。

（2）降雨量越大，邊坡穩定性特征參數在降雨期下降的速率越大，降低后的幅值越小，邊坡穩定性特征參數在停雨期增加速率越小， 且最終平衡狀態的平衡值越小。

（3）在一個周期內，降雨時間越長，邊坡穩定性特征參數在降雨期初期下降的速率不變， 降低的時間越長，降低后的幅值越小，邊坡穩定性特征參數在停雨期增加到穩定狀態所需的時間越長， 最終保持平衡的的平衡值越小。