海南臺風強降雨對邊坡穩定性的影響及防治★

蔣必鳳，凌 毅，開潘棟

(1.三亞學院，海南 三亞 572022；2.海南陽光鑫海發展有限公司，海南 三亞 572000)

0 引言

我國多數地區會受到臺風不同程度的影響，且在夏秋季最為顯著。臺風發生往往伴隨著強風、暴雨和風暴潮，是造成邊坡失穩和破壞的最主要、最常見的環境因素。臺風引起的滑坡往往是毫無前兆的、突發的，對于人民人身安全和經濟發展有著嚴重的威脅。海南臺風暴雨雨量約占臺風降水的90%以上,因此對臺風暴雨的研究顯得更為重要[1]。臺風強降雨造成邊坡土體含水率短期內迅速提高、內部孔隙水壓力驟增、基質吸力降低；同時地下水位受降雨影響升高，順著邊坡方向，土體的滲透壓力增加，形成高強度的地表徑流；并且持續性降雨使得表層土體泥化、軟化、抗剪強度大幅度降低，進而邊坡發生失穩破壞。

熊茂東等[2]認為短時間的超強度降雨僅使邊坡表面發生沖刷，而長時間的中等強度降雨可導致邊坡發生大范圍滑坡。張石等[3]認為雨強峰值出現越早或次數越少，濕潤鋒入滲深度越深；雨強峰值出現越早或次數越多，邊坡穩定性越差；前峰雨是所有雨型中最危險的雨型。郁舒陽等[4]認為,降雨期間邊坡表面體積含水率增大至飽和,孔壓趨向于0,停雨后邊坡上部體積含水率及孔壓逐漸減小。任佳等[5]認為降雨模式對土質邊坡降雨入滲規律和穩定性有顯著的影響,其中減弱型降雨模式對土質邊坡內孔隙水壓力的變化影響最大。沈佳等[6]認為臺風暴雨型滑坡位移演化過程分為壓縮沉降微變形階段、勻速變形階段、加速變形階段,加速變形直至失穩階段,破壞迅速,具有突發性,曲線呈非線性。徐雷[7]針對臺風降雨對邊坡穩定性的破壞，提出了削坡卸載、錨索固腳、框格錨桿等具體措施。李世貴等[8]提出了減重壓腳法不僅可以節約造價、縮短工期，還可以達到永久治理的效果。臺風強降雨會造成不同程度的邊坡失穩，因此對邊坡穩定性預測及有效地提前預防治理非常重要。

1 海南地區臺風強降雨引起的邊坡地質災害分析

海南屬熱帶季風海洋性氣候，夏秋兩季，熱帶氣旋發生頻次高，根據1949年—2020年海南省熱帶氣旋登錄頻次統計，熱帶氣旋共登錄海南島173次，年平均登錄頻數約為2次～3次。海南年平均雨量超過1 600 mm，東部多雨區甚至達到2 200 mm以上，其中也包括受熱帶氣旋影響帶來的持續性降雨。2021年10月，在熱帶氣旋“獅子山”“圓規”的侵襲下，海南經歷了長達半個多月的持續性降雨，降雨量達到300 mm以上，部分地區甚至達到了500 mm以上。

邊坡突發地質災害主要集中于夏秋季節熱帶氣旋、強對流極端天氣等帶來的強降雨期中后期，具有集中群發性、累積性及相對滯后性等特點。如2014年，海南省昌江縣霸王嶺林區受強熱帶氣旋“威馬遜”和“海鷗”的影響和期間持續性強降雨的影響，在林區內共發生大小滑坡約75處，主要集中于盤山公路兩側，對上山通道造成了嚴重堵塞并對救援造成了阻礙。截至2022年3月，經專家認定、按程序納入省級地質災害隱患數據庫的隱患點共有172處，共威脅人口3 364人，威脅資產24 455萬元。其中，崩塌137處，滑坡24處，泥石流10處，地面塌陷1處。地質災害隱患點主要分布在海南中部、南部、東南部山地丘陵地區，主要集中在瓊中、五指山、保亭、昌江、白沙、三亞、瓊海、萬寧、陵水等9個市縣[9]。

2 基于Geo-Studio的臺風強降雨對邊坡穩定性模擬及治理分析

2.1 模型的建立和參數設定

本計算模型以海南地區自然地理狀況和地形地貌為背景，結合海南地區臺風強降雨誘發邊坡失穩的特征，選取合適的數值，利用Geo-Studio構建計算模型。

1)計算模型。

計算模型為二元結構，分為上下兩層，上層為磚紅壤，下層為強風化花崗巖。為分析植被對邊坡的影響，設置對比實驗，一種為無植被邊坡，一種為植被邊坡。計算模型如圖1,圖2所示。

2)模型參數與材料參數。

根據相關地質資料和文獻[10-11]進行材料和模型參數的選擇，選取的材料模型為Mohr-Coulomb模型。模型參數與材料參數如表1,表2所示。

表1 模型參數

表2 材料參數

2.2 初始條件

1)海南地區臺風暴雨歷時一般為3 d～15 d，降雨量一般大于300 mm，并且受到地形地貌、氣候環境、人為因素等的影響，具有歷時長、范圍廣、雨量大、突發性強等特點。根據以往幾次臺風期間降雨情況，設計總降雨量為300 mm，降雨歷時為2 d。

2)模型左側邊界為3 m，右側邊界為1 m。

3)滑移面設為從左到右。

4)模型底面設為不透水邊界。

2.3 工況選取

為研究臺風強降雨過程對自然邊坡穩定性的影響，設置降雨前、中、后三種工況，通過定義初始水位和邊界條件模擬降雨，分植被邊坡和無植被邊坡進行討論降雨、植物根系對邊坡的作用。為了增強邊坡的穩定性，設置抗滑樁、壓腳、消方減載工況，模擬相關工程措施，求解計算模型的邊坡穩定性安全系數。

本文設置六種工況進行穩定性分析，如表3所示。

表3 工況選擇表

2.4 軟件的選擇

本文選用連續分析法軟件Geo-Studio，通過SLOPE/W,SEEP/W兩個模塊進行分析。SEEP/W模塊主要通過滲流有限元計算來分析邊坡滲流場的浸潤線位置及地下水位的邊坡。SLOPE/W模塊可以調用SEEP/W模塊的滲流分析結果通過多種極限平衡法求解邊坡穩定性安全系數。

2.5 計算結果分析

1)降雨過程對邊坡穩定性的影響分析。

通過數值模擬軟件Geo-Studio模擬降雨前、降雨中、降雨后的無植被邊坡和植被邊坡的穩定性，臨界滑移面和安全系數如圖3～圖8所示。

降雨前、降雨中、降雨后工況的邊坡穩定性系數如表4所示。

表4 降雨前、中、后工況邊坡穩定系數表

從圖3，圖4并結合表4可以看出，在只考慮自然狀況地下水穩態滲流的條件下，植被邊坡的穩定性系數為1.604，明顯高于無植被邊坡的穩定性系數1.376。由此可見，植物根系對邊坡的穩定性起著較為明顯的作用。

從圖5，圖6并結合表4可以看出，在考慮地下水穩態滲流并考慮降雨持續一段時間的條件下，植被邊坡的穩定性系數為1.509，同樣明顯高于無植被邊坡的穩定性系數1.334，并且降雨過程中植被邊坡穩定性系數仍然高于降雨前的無植被邊坡。但是，相比于降雨前，降雨過程中植被邊坡的穩定性系數降低了0.095，無植被邊坡的穩定性系數下降了0.042，隨著降雨的持續，植被邊坡穩定性系數降低較多，表明降雨過程中根系對邊坡的穩定性有一定的負作用。

從圖7，圖8并結合表4可以看出，降雨停止后，植被邊坡的穩定性系數為1.552，同樣明顯高于無植被邊坡的穩定性系數1.348。相對于降雨過程中邊坡的穩定性系數，降雨后的植被邊坡和無植被邊坡的穩定性系數都有所提高，但低于降雨前的穩定性系數。降雨停止后，植被邊坡的穩定性系數比降雨前降低了0.052，無植被邊坡的穩定性系數降低了0.028。同樣表明，降雨中植物根系對邊坡的穩定性有一定的負作用。

2)不同治理措施對邊坡穩定性的影響。

通過數值模擬軟件Geo-studio模擬設置抗滑樁、壓腳、削方減載治理方式下無植被邊坡和植被邊坡的穩定性，并計算其安全系數，如圖9～圖14所示。

不同邊坡治理方式下，邊坡的穩定性系數如表5所示。

表5 不同治理方式下邊坡穩定系數表

從圖9，圖10并結合表5可以看出，只考慮自然狀況地下水穩態滲流、不考慮降雨的條件下，采取模擬工程措施打入抗滑樁，設置點荷載，植被邊坡穩定性高于無植被邊坡。相對于沒有采取治理措施的降雨前的自然狀態邊坡，無植被邊坡和植被邊坡的穩定性系數均有所上升，植被邊坡提升了0.006，無植被邊坡提升了0.005，提升較小，效果不強，可以進一步研究抗滑樁性能和埋入深度的影響從而提高安全系數提升空間。

從圖11，圖12并結合表5可以看出，在只考慮自然狀況地下水穩態滲流、不考慮降雨的條件下，采取模擬工程措施壓腳工程，設置點荷載，植被邊坡穩定性高于無植被邊坡。相對于沒有采取治理措施的降雨前的自然狀態邊坡，無植被邊坡和植被邊坡的穩定性系數均有所上升，植被邊坡提升了0.216，無植被邊坡提升了0.069，比抗滑樁治理方式提升較多，并且壓腳工程施工方便，操作簡單，可以適用于大多數隱患點。

從圖13，圖14并結合表5可以看出，在只考慮自然狀況地下水穩態滲流、不考慮降雨的條件下，采取模擬工程措施削方減載，能夠降低滑動力，減緩滑坡移動。植被邊坡穩定性高于無植被邊坡。相對于沒有采取治理措施的降雨前的自然狀態邊坡，無植被邊坡和植被邊坡的穩定性系數均有所上升，植被邊坡提升了0.424，無植被邊坡提升了0.397。相對于其他兩種工程治理措施而言，提升效果最明顯，對于重大隱患點并且坡度較陡時，可以采用該種方法來有效提升邊坡的安全系數。

3 結論

從時間上來看，臺風期間的邊坡安全系數排序為：雨前>雨后>雨中，在持續性降雨過程中，隨著時間的推移，降雨雨水會逐漸滲入邊坡，邊坡的安全系數會隨之逐漸下降，降雨結束后，一部分入滲的水和徑流的水會隨著時間的推移逐漸散失，邊坡的抗滑力也得以恢復，最終趨于穩定。這也是為什么臺風強降雨過程中往往會發生滑坡等各種地質災害的原因。

從邊坡類型上來看，在僅考慮根-土復合體材料相關參數的情況下，對比兩組數值模擬數據，分析其邊坡滲流和穩定性安全系數，可以得知植被邊坡較天然狀態下邊坡來說護坡效果更好、更加穩定。

從邊坡防治措施上來看，壓腳工程，加固荷載(抗滑樁)，削方減載工程等都會在不同程度上提高邊坡的穩定性，其中削方減載對邊坡穩定性的提升最明顯，但工程實施難度也較大，可以進行更深一步的研究，將理論和實際工程應用相結合，探索治理邊坡失穩的最佳處理方式。