不同降雨強(qiáng)度對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響數(shù)值分析

■巫炎鑫

（福建高達(dá)通工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，連城 365000）

近年來(lái)，極端天氣情況加劇，強(qiáng)降雨天氣日漸頻繁，大量統(tǒng)計(jì)表明降雨作用是邊坡失穩(wěn)的主要因素。 長(zhǎng)期以來(lái)學(xué)者致力于研究降雨作用誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的作用機(jī)理，結(jié)果顯示：一方面人工開(kāi)挖后邊坡表面土體結(jié)構(gòu)松散，造成雨水很容易滲入坡體內(nèi)部，導(dǎo)致土體重度增大，邊坡下滑力增強(qiáng)；另一方面對(duì)于土質(zhì)邊坡， 降雨入滲引發(fā)土體內(nèi)滲透作用，導(dǎo)致土體含水率上升，土體孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力（或負(fù)孔隙水壓力）和粘聚力減小，非飽和土滲透性增大，土體內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生變化，巖土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，邊坡抗滑力減小，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降[1-3]。 土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)模式宏觀上通常為坡表沖刷，進(jìn)而形成沖溝、切溝侵蝕，導(dǎo)致坡腳局部坍塌，最終破壞范圍沿縱橫向發(fā)展從而整體失穩(wěn)，因此滑坡應(yīng)注重坡腳防護(hù)，盡可能降低土質(zhì)邊坡漸進(jìn)式破壞的可能性[4]。 而降雨?duì)顟B(tài)，降雨強(qiáng)度以及降雨持續(xù)時(shí)間是影響土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要外部因素[5-6]。 本文通過(guò)有限元模擬方式，建立二維邊坡滲流—應(yīng)力耦合模型， 分別模擬降雨強(qiáng)度100、200、300 mm/d 下持續(xù)降雨2、4、6 d以及停雨2 d 過(guò)程中，邊坡土體孔隙壓力及邊坡穩(wěn)定性變化情況，進(jìn)而分析持續(xù)降雨工況以及停雨工況下降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響作用，綜合分析持續(xù)降雨條件下土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)誘因及防治措施。

1 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

1.1 工程背景

選取福建省三明市某公路邊坡工程項(xiàng)目作為研究對(duì)象， 選樁號(hào)AK2+060～AK2+100 段進(jìn)行數(shù)值模擬分析。 該斷面為高度23 m 的土質(zhì)路塹邊坡，邊坡橫斷面如圖1 所示。 該地區(qū)全年平均降水量是1656.3 mm，少雨年份僅1050 mm，多雨年則可超過(guò)2250 mm。 一年中的降水量的分配不均勻，3—6 月的雨季為多，平均降水量大于200 mm，約占全年的57%，10 月—次年1 月的平均降水量在70 mm 以下。據(jù)統(tǒng)計(jì)1961—2012 年近52 年間，三明市共出現(xiàn)暴雨241 d，其中2005 年出現(xiàn)暴雨最多，共11 d，其次分別是2010 年和2012 年，各10 d[7]。近年更是極端暴雨災(zāi)害頻發(fā)，2019 年5 月15—17 日和6 月7—11 日普降暴雨，最大小時(shí)降雨量為56.6 mm，最大日降雨量達(dá)259.6 mm[8]。

圖1 邊坡橫斷面示意圖

1.2 數(shù)值模型

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，其中邊坡表層土體為粉質(zhì)黏土和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其滲透系數(shù)為基質(zhì)吸力的函數(shù)。 粉質(zhì)黏土和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的非飽和特性參數(shù)如表2 所示，土體的滲透性函數(shù)和土水特征曲線采用Van Genuchten 函數(shù)[9]模擬。

表1 邊坡物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

表2 非飽和特性參數(shù)

中國(guó)氣象部門(mén)的的降雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為微量（<0.1 mm/d）、小 雨（0.1～10 mm/d）、中 雨（10～25 mm/d）、大雨（25～60 mm/d）、暴雨（60～100 mm/d）、大暴雨（100～250 mm/d）、特大暴雨（>250 mm/d）。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)， 本文選取100、200、300 mm/d 共3 種降雨強(qiáng)度，研究不同降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間條件下邊坡穩(wěn)定性情況和內(nèi)部應(yīng)力變化情況，以及降雨條件下邊坡的破壞形式及破壞機(jī)理。

2 高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用Midas 軟件建立邊坡開(kāi)挖后的二維邊坡滲流—應(yīng)力耦合模型進(jìn)行數(shù)值模擬， 邊坡橫斷面如圖2 所示； 采用強(qiáng)度折減法分析邊坡的安全系數(shù)及塑性區(qū)，其中中風(fēng)化混合花崗巖層為不透水層。

圖2 Midas 邊坡二維分析模型

2.2 不同降雨強(qiáng)度下土體孔隙水壓力變化情況

Frellund[10]通過(guò)大量試驗(yàn)提出非飽和土強(qiáng)度理論，提出了修正的Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，考慮了基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。 因此土體中孔隙水壓力的變化情況與邊坡穩(wěn)定性變化息息相關(guān)。如圖2 所示，特征點(diǎn)1 位于邊坡坡頂位置。 圖3（a）為特征點(diǎn)1位置孔隙水壓力與降雨時(shí)間關(guān)系曲線，結(jié)果表明：（1）在降雨初期，邊坡的孔隙水壓力為－103.84 kPa，在持續(xù)降雨6 d 后， 雨水持續(xù)入滲， 在降雨強(qiáng)度為300、200、100 mm/d 條件下孔隙水壓力分別上升至－20.38、－28.09、－49.41 kPa；（2）當(dāng)降雨量大于200 mm/d時(shí)，由于降雨強(qiáng)度高，孔隙水壓力呈多階段變化形式；連續(xù)降雨4 h 時(shí)，坡表層的孔隙水壓力小幅度極速增大，隨后上升趨勢(shì)明顯減緩；降雨1～2 d 內(nèi)，孔隙水壓力又迅速上升，降雨2～6 d 內(nèi)邊坡孔隙水壓力逐漸趨于平穩(wěn)，這是由于高強(qiáng)度降雨入滲作用能夠使得邊坡土體迅速達(dá)到飽和狀態(tài)，但由于土體排水條件受限，排水通道不暢，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力[1]；（3）而降雨量100 mm/d 條件下，降雨1 d 內(nèi)孔隙水壓力呈逐漸增大趨勢(shì)，邊坡的土體逐漸飽和；降雨2～6 d 內(nèi)孔隙水壓力變化趨于平穩(wěn)。

特征點(diǎn)2 位于坡中位置，圖3（b）為特征點(diǎn)2 的位置孔隙水壓力與降雨時(shí)間關(guān)系曲線， 結(jié)果表明：（1）在降雨初期，邊坡的孔隙水壓力為－56.96 kPa，在持續(xù)降雨6 d 后，雨水持續(xù)入滲，降雨強(qiáng)度300、200、100 mm/d 條件下孔隙水壓力分別下降至5.92、5.27、－4.07 kPa；（2）坡體內(nèi)部特征點(diǎn)2 孔隙水壓力增大速率遠(yuǎn)小于坡頂?shù)奶卣鼽c(diǎn)1， 既邊坡中坡頂?shù)慕涤耆霛B速率大于坡中位置。

潘俊義等[11]研究也發(fā)現(xiàn)邊坡中入滲速率的順序?yàn)槠马?坡腳>坡中；隨土體深度增加雨水入滲能力減弱。 降雨強(qiáng)度越大，體積含水率及土壓力變化幅值越大， 且含水率及土壓力突變時(shí)間相應(yīng)縮短，邊坡的沖刷效果愈明顯。 結(jié)合圖3 數(shù)據(jù)可知，孔隙水壓力都隨著降雨時(shí)間增長(zhǎng)而增大。 降雨強(qiáng)度較大時(shí)，孔隙水壓力增大速率也更大。 因此降雨強(qiáng)度越大，雨水對(duì)于邊坡的沖刷作用越強(qiáng)，從而引起孔隙水壓力快速上升。 根據(jù)上述結(jié)論，在工程實(shí)踐中以防雨水下滲，可在邊坡坡頂修筑截水溝，從而減小坡頂雨水入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖3 不同降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力與降雨時(shí)間關(guān)系

2.3 不同降雨強(qiáng)度下邊坡的穩(wěn)定性變化

觀察不同降雨強(qiáng)度邊坡安全系數(shù)變化情況（圖4）可知：（1）初始狀態(tài)下該邊坡的安全系數(shù)為1.3，此時(shí)邊坡較為穩(wěn)定。 持續(xù)降雨2 d 內(nèi)，邊坡安全性系數(shù)顯著下降，降雨強(qiáng)度300、200、100 mm/d 條件下，邊坡安全系數(shù)分別下降至1.01、1.05、1.08；降雨2～6 d 內(nèi)，安全系數(shù)下降速率減緩；降雨6 d 后降雨強(qiáng)度300、200、100 mm/d 條件下， 邊坡安全系數(shù)分別下降至0.97、1.01、1.03；（2）持續(xù)降雨過(guò)程中，邊坡安全系數(shù)的變化與圖3 中孔隙水壓力的變化趨勢(shì)是一致的。 這是由于負(fù)孔隙水壓力（基質(zhì)吸力）減小直至消失是降雨誘發(fā)淺層滑坡的主要途徑[12]。 結(jié)合非飽和土抗剪強(qiáng)度理論，當(dāng)土體內(nèi)部孔隙水壓力增大后，其內(nèi)部基質(zhì)吸力相應(yīng)減小，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡抗剪強(qiáng)度降低， 影響邊坡穩(wěn)定性， 因此持續(xù)降雨2 d內(nèi)，邊坡的安全系數(shù)下降幅度最大；（3）停雨2 d 后邊坡安全系數(shù)相較于降雨6 d 后有一定的上升，停雨2 d 后降雨強(qiáng)度300、200、100 mm/d 條件下，邊坡安全系數(shù)分別為1.05、1.08、1.16，但遠(yuǎn)低于初始狀態(tài)時(shí)。 這表明，降雨對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的破壞是不可逆的；（4）在降雨結(jié)束時(shí)，邊坡上部的孔隙水壓力由負(fù)變正，成為暫時(shí)的飽和區(qū)；隨著降雨的進(jìn)一步蒸發(fā)和潛在滑面以上土體地下水的下滲，滑面上的孔隙水壓力減小，土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，邊坡的穩(wěn)定性增加。 但經(jīng)歷降雨影響后的邊坡的安全系數(shù)低于原邊坡的安全系數(shù)。 因此在工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)， 避免降雨作用形成邊坡滑坡破壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[13]。坡腳土體有變形趨勢(shì)時(shí)， 應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理，確保邊坡的安全穩(wěn)定。

圖4 不同降雨強(qiáng)度邊坡安全系數(shù)變化情況

圖5 降雨200 mm/d 條件下塑性區(qū)云圖

3 結(jié)論

（1）當(dāng)降雨量大于200 mm/d 時(shí)，孔隙水壓力呈多階段變化形式。而降雨量為100 mm/時(shí)，孔隙水壓力最初呈逐漸增大趨勢(shì)， 最后趨于平穩(wěn)。 降雨2 d內(nèi)邊坡孔隙水壓力有大幅度上升趨勢(shì)，而降雨2～6 d孔隙水壓力變化基本趨于平穩(wěn)；（2）降雨強(qiáng)度增大，雨水對(duì)于邊坡的沖刷作用越強(qiáng)，從而引起孔隙水壓力快速上升。 由于降雨入滲速率坡頂>坡中，邊坡坡頂?shù)目紫端畨毫υ龃笏俾蚀笥谄轮形恢?；?）邊坡安全系數(shù)的變化與孔隙水壓力的變化趨勢(shì)是一致的，降雨作用下雨水入滲引起非飽和土中孔隙水壓力變化是降雨引起邊坡穩(wěn)定性改變的主要誘因。 降雨2 d 內(nèi)邊坡穩(wěn)定性急劇下降， 降雨2～6 d 邊坡的穩(wěn)定性下降幅度減小， 停雨2 d 后穩(wěn)定性有小幅度回升。 停雨后邊坡穩(wěn)定性未能恢復(fù)到初始狀態(tài)，與降雨前比較，邊坡安全系數(shù)顯著下降，這一現(xiàn)象表明，降雨破壞對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是不可逆的。