降雨作用下高速公路邊坡穩定性分析

[摘? 要]：引發邊坡失穩的因素很多，降雨是誘發邊坡失穩的主要因素。為研究降雨作用對邊坡穩定性影響，文章以西南某高速公路路塹邊坡為工程依托，以邊坡穩定安全系數作為衡量指標，利用Geo-Studio分析軟件，重點探究不同降雨時長、停雨后時長、降雨強度因素下邊坡穩定安全系數變化規律以及邊坡失穩分析。結果表明：（1）當降雨強度一定時，降雨過程中邊坡穩定安全系數隨降雨時長增加而逐漸減小。（2）雨停后邊坡穩定安全系數隨靜置時間增加而增大最后趨于穩定。（3）當降雨時間相同時，降雨強度越大，邊坡穩定安全系數越小。

[關鍵詞]：邊坡穩定性分析; 降雨; Geo-Studio

U416.1+4A

西南山區地質條件、地形地貌較為復雜，在高速公路修建過程中難免會穿越山區丘陵地帶，不少線路會臨近邊坡，甚至會對沿線區段進行開挖，進而形成邊坡。西南地區高山丘陵地帶高速公路邊坡具有數量多、存在穩定性劣化等特點。全國每年滑坡災害頻發，嚴重影響了交通、基礎設施等的安全運營，每年造成數千億元的經濟損失，嚴重威脅到國民經濟發展甚至人民群眾生命安全[1-2]。引發邊坡失穩的因素很多，可分為內部因素（巖土體類型、邊坡形態、邊坡地質構造等）和外部因素（地震、人類活動、降雨等），大量資料表明，降雨是引誘邊坡失穩最普遍和最主要的因素[3-5]。因此，研究降雨作用下對邊坡穩定性的影響具有重要意義。

1 工程概況

本文以西南某高速公路路塹邊坡為研究對象，對降雨作用下邊坡穩定性研究。邊坡為均質土坡，邊坡坡度約為36°，坡高約為20 m，邊坡幾何尺寸如圖1所示。土體重度γ=20.5 kN/m3、內摩擦角φ=28.6°、粘聚力c=20.2 kPa、泊松比μ=0.35、彈性模量E=150 MPa，邊坡土力學參數見表1。

2 數值模型建立

根據該高速公路路塹邊坡幾何尺寸情況，利用Geo-Studio軟件構建邊坡模型模擬降雨作用下對邊坡穩定性的影響。土體材料選取Mohr-Coulomb模型，具體見表1邊坡土力學參數。邊坡土-水特征采用Van Genuchten（VG）模型，模型參數a=6.256、模型參數n=1.519、飽和含水量θs=0.352、殘余含水量θr=0.098、飽和滲透系數ks=1.59×10-5m/s，土體材料參數見表2。其中AB、BC、CD為降雨入滲邊界，DE、AF為不透水邊界，AF、DE為水平約束邊界，EF為固定約束邊界，AB、BC、CD為自由邊界。邊坡模型地面位于地下水位位置處，其孔隙水壓力為0，設定為單位流量為0的不透水邊界條件。

3 數值模擬結果分析

3.1 降雨時長及停雨后對邊坡穩定性的影響

為研究降雨時長對邊坡穩定性的影響，取降雨強度180 mm/d保持不變條件下，對連續降雨時長36 h過程中邊坡穩定安全系數分析。

降雨時長對邊坡穩定安全系數的影響結果見圖2。降雨對邊坡穩定性的影響較為明顯。邊坡穩定安全系數隨降雨時長增大而減小，歷時36 h連續降雨，邊坡穩定安全系數從1.312下降到0.968，降幅26.2%。由于基質吸力的存在，基質吸力有利于土體的抗剪強度，邊坡前期處于非飽和狀態，由于降雨對土體的入滲作用，土體的含水量逐漸增大，基質吸力減小，土體的抗剪強度降低，重度逐漸增大，邊坡下滑力增大，這些因數導致邊坡穩定性降低，邊坡穩定安全系數逐漸減小。

由圖3數值模擬結果可知，雨停后邊坡穩定安全系數隨靜置時長增大而逐漸增大最后趨于穩定。隨著土體內部的雨水逐漸排出，土體的含水量逐漸減小，基質吸力逐漸增大，土體的抗剪強度逐漸增大，土體重度逐漸減小，邊坡下滑力隨之減小，邊坡穩定安全系數逐漸增大最后趨于穩定。

3.2 降雨強度對邊坡穩定性的影響

為研究降雨強度對邊坡穩定性的影響，在降雨時長36 h相同的條件下，分別設置降雨強度為80 mm/d、180 mm/d、250 mm/d 3種工況下，分析邊坡穩定安全系數的變化情況。

由圖4可知，在不同降雨強度下，降雨對邊坡的穩定安全系數都是隨降雨時長的增大而減小，當降雨時長相同時，降雨強度越大，邊坡穩定安全系數越小，即降雨相同時刻，80 mm/d的安全系數大于180 mm/d的安全系數大于250 mm/d的安全系數。由于邊坡受降雨時長相同時，降雨強度越大的導致邊坡入滲的雨水越多，含水量越多，基質吸力越小，進而邊坡穩定性越小。

4 結論

本文結合工程實例，在降雨作用下對邊坡穩定性影響研究，主要分析了降雨時長、雨停后、降雨強度對邊坡穩定安全系數的影響，結果表明降雨對邊坡失穩的影響較為明顯。得到幾點結論：

（1）當降雨強度相同時，降雨過程中，土體含水量越大，土體抗剪強度逐漸降低，土體重度增大，邊坡下滑力增大，越不利邊坡穩定，邊坡穩定安全系數隨降雨時長增加而逐漸減小。

工程結構陳華川： 降雨作用下高速公路邊坡穩定性分析

（2）雨停后邊坡土體含水量和土體重度逐漸減小，邊坡土體抗剪強度逐漸增大，邊坡穩定安全系數逐漸增大最后趨于穩定。

（3）降雨過程中，在同一時刻，降雨強度越大，邊坡穩定安全系數越小。

參考文獻

[1] 鐘立勛.華鎣山（廣安市）溪口鎮滑坡-泥石流[J].中國地質災害與防治學報，2007（4）：6.

[2] 劉新喜，晏鄂川，王鵬飛，等.滑坡穩定性評價的非線性方法[J].中國安全科學學報，2003（1）：37-39.

[3] 徐全，譚曉慧，沈夢芬.降雨入滲條件下土質邊坡的穩定性分析[J].巖土工程學報，2012，34（S1）：254-259.

[4] 彭世真.降雨對非飽和土質邊坡穩定性影響的研究[J].工程建設，2006（3）：8-12.

[5] 李媛，孟暉，董穎，等.中國地質災害類型及其特征——基于全國縣市地質災害調查成果分析[J].中國地質災害與防治學報，2004（2）：32-37.