降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

劉飛

（開封市汴龍勘查設(shè)計(jì)中心，河南 開封 475000）

1 引言

目前，在邊坡穩(wěn)定性研究中常用的方法包括：數(shù)值模擬方法和物理模型試驗(yàn)方法等，兩種方法在邊坡穩(wěn)定性研究中均取得了良好的應(yīng)用效果。在邊坡穩(wěn)定性研究的眾多的研究成果中發(fā)現(xiàn)，水是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素。結(jié)合某水利工程邊坡實(shí)例，建立數(shù)值模擬計(jì)算模型，對(duì)不同降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究。

2 邊坡工程概況及研究計(jì)算模型

為了滿足工程建設(shè)需要，研究的邊坡為回填邊坡。邊坡總高30 m，回填邊坡坡比為1∶1。從下至上，每級(jí)邊坡坡高分別為7、13、10 m。為了保證邊坡的穩(wěn)定性，采用錨桿進(jìn)行支護(hù)，設(shè)計(jì)錨桿總長30 m，錨固段長25 m。

根據(jù)邊坡坡比、坡高建立數(shù)值模擬計(jì)算模型見圖1 所示。數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)選取見表1、表2。數(shù)值模擬計(jì)算模型兩側(cè)法向約束、底部全約束。

表2 土層計(jì)算參數(shù)表

圖1 邊坡模型典型剖面圖

表1 邊坡計(jì)算工況表

水土特征曲線是影響邊坡滲流穩(wěn)定性成果的重要參數(shù)。為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，采用Van Genuchgen確定該邊坡巖土體的水土特征曲線。計(jì)算方法如下：

式（1）（2）中：ua、uw為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；θr、θw、θs為殘余體積含水量、體積含水量、飽和體積含水量；ψ、ks為土體的基質(zhì)吸力、飽和滲透系數(shù)；m、n、α為待定參數(shù)；Sr、kr為飽和度、相對(duì)滲透系數(shù)。邊坡穩(wěn)定性分析主要采用強(qiáng)度折減理論進(jìn)行分析，由于該方法已經(jīng)較為成熟，此處不再論述。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 降水對(duì)邊坡孔隙水壓力的影響

降水對(duì)邊坡孔隙水壓力的影響結(jié)果見圖2。從圖中可知：不同降水強(qiáng)度造成邊坡中形成的負(fù)孔隙水壓力得變化過程基本一致，但不同降水強(qiáng)度導(dǎo)致形成的最大孔隙水壓力的時(shí)間不盡相同。不同降水強(qiáng)度不同深度處達(dá)到最大孔隙水壓力所用時(shí)間見下表3。隨著降水強(qiáng)度的增加邊坡可能出現(xiàn)短暫的積水現(xiàn)象，且降水入滲影響深度不斷增大。在降水強(qiáng)度不變的情況下，深度越大雨水入滲速度將不斷減小。其主要原因是隨著雨水的不斷入滲，導(dǎo)致孔隙水壓力不斷減小，從而導(dǎo)致入滲速度不斷下降。

圖2 降水強(qiáng)度對(duì)孔壓的影響圖

表3 不同降水強(qiáng)度不同深度處達(dá)到最大孔隙水壓力所用時(shí)間表

3.2 不同降雨時(shí)間下邊坡的破壞分析

以100 mm降水強(qiáng)度為例，對(duì)邊坡降水情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。降水發(fā)生后，邊坡首先在下級(jí)邊坡表面發(fā)生破壞，之后隨著降水的進(jìn)行，邊坡變形深度不斷增大，變形范圍逐漸向上擴(kuò)展。主要原因是，降水的持續(xù)，導(dǎo)致回填的素填土含水率不斷增高，且隨著雨水的入滲，邊坡的變形范圍不斷向坡體內(nèi)部擴(kuò)展直至形成貫通的滑裂面。在降水情況下，邊坡的變形、破壞存在一定的滯后效應(yīng)，邊坡變形、破壞一般在降水后的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生。

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

在未采用錨桿支護(hù)條件下，不同降水強(qiáng)度條件下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均表現(xiàn)為先減小后增大的變化情況。在開始降水后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)迅速下降，起主要原因是，雨水的快速入滲，導(dǎo)致邊坡淺表層出現(xiàn)滑動(dòng)、破壞現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降。降水結(jié)束后，入滲至坡體內(nèi)部的雨水不斷排水，邊坡素填土的含水量下降，抗剪強(qiáng)度參數(shù)緩慢恢復(fù)，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)不斷增大。隨著降水強(qiáng)度的不斷增大，邊坡穩(wěn)定性下降速率不斷提高，邊坡安全系數(shù)最小值不斷減小。根據(jù)這一研究成果可知，降水強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響極大。

3.4 加固后邊坡穩(wěn)定性分析

由于不采取支護(hù)措施，邊坡穩(wěn)定性在降水工況下處于一個(gè)較低的水平，邊坡極易出現(xiàn)滑動(dòng)破壞。因此，為了保證邊坡的穩(wěn)定性，采取了錨桿支護(hù)，設(shè)計(jì)錨桿長度30 m，錨固段25 m。支護(hù)情況下穩(wěn)定性變化規(guī)律與未支護(hù)條件基本一致，均表現(xiàn)為先減小后增大的變化過程，但安全系數(shù)最小值較未支護(hù)條件下有了顯著的提升。在錨桿支護(hù)條件下，100 mm降水強(qiáng)度下，邊坡最小安全系數(shù)是1.46，與未支護(hù)條件下的0.88 相比，有了顯著的提升，計(jì)算結(jié)果表明，該邊坡采用錨桿支護(hù)措施較為有效。

4 結(jié)論

①在不同降水強(qiáng)度條件下，雨水的入滲速度和深度隨著降水強(qiáng)度的增大而增大，其中淺表層巖土體入滲速度最快，這將導(dǎo)致邊坡表層巖土體將快速達(dá)到飽和狀態(tài)。②通過分析不同降水條件下的邊坡的穩(wěn)定性情況，隨著降水強(qiáng)度的增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小值不斷增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降速率不斷增大，這與雨水入滲速度和邊坡變形、破壞特征是較為一致的。③通過對(duì)比天然和支護(hù)條件下的邊坡穩(wěn)定性情況可以得知，采用錨桿支護(hù)作用下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也表現(xiàn)為先減小后增大的變化規(guī)律，這與未支護(hù)條件下是一致的。在錨桿作用下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有了顯著提升，在強(qiáng)降雨工況下，穩(wěn)定相關(guān)系數(shù)亦可滿足要求，采用錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)是有效的。