基于強降雨條件下模擬仿真模型的邊坡穩定性分析

徐 康馬才波

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.內蒙古引綽濟遼供水有限責任公司，內蒙古 烏蘭浩特 137400）

0 引言

長期以來，邊坡穩定性一直是工程地質和巖石力學研究的重要課題，而邊坡失穩受多種因素的影響，其中包括自然環境、地質構造、滑坡組成物質等。其中降雨是邊坡變形破壞主導因素之一［1］，這是由于在持續降雨滲流作用下，導致邊坡土體孔隙水壓力增大以至于有效應力減小。同時由于降雨形成的徑流在邊坡表面對護坡物質的沖刷作用，導致邊坡表面發生破壞，從而進一步增大雨水的滲透強度，加速邊坡的變形破壞［2］。

針對邊坡穩定性眾多學者都開展了研究。其中，周明月等［3］對梅沖河系統邊坡表面布置變形監測點進行邊坡穩定性研究，結果表明該邊坡均出現不同程度變形且同降雨存在明顯正相關性；楊磊等［4］通過邊坡表觀變形、多點位移及錨索荷載等監測數據來研究長河壩水電站泄洪洞進口邊坡的穩定問題；杜怡韓等［5］通過野外地質調查、工程地質勘察等方法以安徽省蕪湖市繁昌區某小區南側大型滑坡為研究對象，研究了強降雨對滑體土壓力的影響規律、滑體在強降雨作用下的破壞機制。

經過對邊坡穩定性的長期研究，逐漸從理論發展到對滑坡發生時間和規模的預測預報，掌握滑坡發生及發展規律，提前做好防護，從而減少滑坡產生的不良影響，因此滑坡預測預報相關工作順勢而生［6-7］?；滦纬傻臋C制相對而言比較復雜，影響因素較多并且演化機制復雜，因此，根據云南某水庫邊坡監測數據，采用數值仿真方法進行研究，分析強降雨條件下的邊坡穩定情況，綜合分析該滑坡的變化規律及發展趨勢。

1 工程概況

某邊坡位于云南省怒江州蘭坪縣營盤鎮大華村附近瀾滄江右岸坡體上，邊坡距下壩址約5.1 km。其地貌形態如圖1所示，曲線所標范圍即為邊坡滑坡體的范圍，高程為1 410.00～1 870.00 m，滑坡堆積體預計體積約5×107m3。當水庫水位達到1 500.00 m時，滑坡體將會有近70 m的范圍淹沒在水位之下。整個邊坡呈扇形，前寬后窄，呈南北向展布，前緣沿河流約1.2 km。在整個斜坡區，整體表現出西部坡體高于東部坡體，上部坡體陡于下部坡體的斜坡地貌。滑坡岸坡坡度50°～60°，部分岸坡已失穩滑動。整個滑坡地表原始天然植被較少，且多為季節性植物，滑坡地表植被覆蓋度隨季節變化較大。

2 邊坡觀測數據分析

通過分析邊坡監測數據，實時掌握邊坡土體的實際變形情況以及可能滑動坡體的面積或體積，相應地進行預報和預警并采取相應的應急措施，以避免人員傷亡和財產損失。

2.1 監測點的選取

監測點位置的選擇要既能全面反映邊坡的變化過程，又能夠確保監測的準確度，從大量實際工程得出的經驗可知［8-9］，在不同部位布置監測點監測會對邊坡的整體分析造成很大的影響，甚至差別很大，因此監測點的選取是一個極其重要的工作。監測點的選擇需要根據邊坡類型、監測要求、地質條件以及破壞情況綜合選取。

在邊坡設置3個斷面，共布置6個監測點（ZK1-1~ZK3-2），監測斷面分布情況如圖1所示。

2.2 監測結果分析

根據監測成果分析，監測點ZK3-1位置滑動明顯，從監測孔垂直方向（順滑坡方向）和水平方向（順水庫方向）可以看出，曲線在12 m深處存在明顯的拐點，上下錯動距離0.1 m。

根據數據計算結果，監測點ZK3-1處沿x軸方向位移量在-2～8.42 cm，沿y軸方向位移量在-4.2～6.97 cm，位移速度0.020～0.078 mm/d，且運動速度與降雨有關。

3 模型建立

根據測斜儀監測結果，本次建模選取的邊坡剖面為斷面1-1~斷面3-3，為了滿足邊界條件選取長240 m、寬200 m、高160 m的模型?；谟邢薏罘衷韺υ摶逻M行動力學以及靜力學的相關計算，數值模型一共劃分單元141 200個，節點148 920個，網格基本上是六面體網格，建立的模型如圖2所示。

圖2 滑坡計算模型圖

模型邊坡表面為自由約束，模型四周施加法向約束，底部施加豎直位移約束［10］。該模型采用Mohr-Coulomb模型塑性模型［11］，初始應力場為重力場。

3.1 計算參數的選取

根據實際的地質勘查結果與室內土體試驗獲得土體的力學參數，并參考同類型滑坡文獻數據［12］，綜合得到模擬仿真分析正常工況及強降雨工況下不同土層參數如表1所示。

表1 正常工況下土體物理力學參數

3.2 正常工況下穩定性分析

以下計算是該邊坡正常工況下穩定性計算，即只考慮在自重情況下平衡條件的穩定性。根據模擬仿真軟件中自重應力平衡計算方法，計算結果如表2所示。

表2 強降雨工況下土體物理力學參數

通過圖3、圖4的位移云圖可知，沿x方向的位移基本上跟滑坡整體位移方向一致，最大的位移主要集中于滑坡的表面部位以及滑坡中下部，沿x軸負向位移最大滑移量達到8.06 cm。從沿y方向的位移云圖可知，滑坡的中上部有向y軸負方向位移的趨勢，位移量達到10.6 cm，模擬結果與實際結果方向一致，沿y軸位移量偏小，整體呈牽引滑動趨勢。

圖3 正常工況邊坡沿x方向位移云圖

圖4 正常工況邊坡沿y方向位移云圖

通過上述分析可知出現變形的區域主要集中于滑坡的中上部，并且整體的位移有向下滑動的趨勢，跟位移矢量圖的方向一致。整體變化表明滑坡上部不穩定，導致后續土體向前滑動。該滑坡失穩是由于上部破壞牽動下方土體穩定性從而導致邊坡破壞。

3.3 強降雨工況下穩定性分析

降雨條件作為滑坡失穩的重要因素之一，常常需要考慮該條件下滑坡的穩定性。連續降雨使雨水沿孔隙、裂隙向下滲透，使滑體巖土含水飽和度或含水量增大，滑體重量增大，抗滑力減小，滑力增大，從而引發滑坡。除此之外，滑坡中部呈現一個“凹”形，出現局部洼地，下雨時容易形成雨水的聚集出現地表水，地表水的緩慢下滲容易加速該滑坡的滑動。

由于土體經過強降雨的浸泡后，相應的力學參數也會產生一定的變化，進行強降雨工況下穩定性分析，設置降雨量為107 mm/d，邊坡表層土體相應參數會發生改變，具體參數選用參考表2，強降雨條件下的穩定性分析具體如圖5、圖6所示。

通過圖5、圖6位移云圖可知，水平方向的位移基本上跟滑坡整體位移方向一致，最大的位移主要集中于滑坡的表面部位以及滑坡中下部，沿x方向最大滑移量達到31.1 cm。根據沿y軸方向云圖分析可知，滑坡的中上部有向沿y軸負向位移的趨勢，位移量達到51.7 cm，滑坡呈現的位移趨勢為剪出形式，因此強降雨條件下，土體的重力增加，整體呈現牽引滑動趨勢。

圖5 強降雨條件下邊坡沿x方向位移云圖

圖6 強降雨條件下邊坡沿y方向位移云圖

通過上述分析可知，出現變形的區域主要集中于滑坡的中上部，并且整體的位移有向下滑動的趨勢，不同位移區域在降雨后破壞的特征發生明顯變化，滑坡體在強降雨后土體顆粒飽和狀態下，抗剪強度明顯下降致使滑坡失穩時滑動面近似一個平面。滑坡體上部出現破壞現象，相較于正常工況變形破壞增大，與實際監測結果相比滑坡的位移方向一致，但位移量更大。

4 結論

結合工程實例，通過邊坡實際監測數據與數值模擬相結合的方式對強降雨下邊坡的穩定性進行分析，可以得出以下結論。

①通過模擬仿真模擬正常工況下邊坡穩定性，水平方向上位移與實際監測結果一致，位移量與實際監測結果差值在1 cm以內，模擬仿真結果良好。

②通過監測分析得出邊坡危險斷面，結合數值仿真模型分析邊坡在正常工況下位移量在強降雨工況下存在明顯的滑動現象，模擬結果顯示水平位移方向與實際監測結果一致，且位移量為正常工況下的3~5倍，因此強降雨會促進滑坡的發生。

③針對變形區域主要集中在邊坡的中上部，且整體有向下滑動的趨勢，可以采用設抗滑樁的支護措施，比削坡壓腳的支護方法更有效。