降雨作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究

渠群英，郭愛菊，宋 艷

（1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心,山東 濟(jì)南 250100；2.山東富誠(chéng)工程施工有限公司,山東 德州 251200）

1 引言

目前,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響開展了廣泛研究。相關(guān)成果表明滑坡災(zāi)害的發(fā)生與降雨天氣具有緊密相聯(lián),降雨是引起滑坡破壞主要因素之一。目前,有限元數(shù)值分析是一種較為常見的分析降雨作用下邊坡穩(wěn)定性的方法。

周家文等[1]研究降雨作用下非飽和邊坡有限元滲流,隨著持續(xù)性降雨,前表層土體出現(xiàn)瞬態(tài)飽和,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低。降雨后邊坡安全系數(shù)繼續(xù)降低,隨排水增加而逐漸恢復(fù)。蔣中明等[2]結(jié)合GeoStudio模擬軟體分析某公路邊坡在長(zhǎng)期降雨條件下的滲流過程,隨后將計(jì)算得出的邊坡滲流場(chǎng)導(dǎo)入有限差分軟件FLAC3D研究其穩(wěn)定性。降雨結(jié)束后一天時(shí)間內(nèi),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低,隨后巖土中水分逐漸向外排出,邊坡安全系數(shù)增加。但是降雨結(jié)束后的一定時(shí)間內(nèi),巖土產(chǎn)生軟化使邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步降低。Adarsh S· Chatra等[3]結(jié)合FLAC3D軟件分析降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性,研究降雨強(qiáng)度及持時(shí)對(duì)邊坡的孔隙水壓力,土體位移等指標(biāo)的變化。

鑒于前人已有的研究成果,本文利用Geostudio模擬降雨作用下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律,分析降雨類型、強(qiáng)度以及持續(xù)性降雨的敏感因素,在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要探討響應(yīng)加固措施。

2 路基邊坡沖刷特性的仿真模擬

2.1 計(jì)算數(shù)值模型

邊坡模型的長(zhǎng)度為40 m,高度30 m,坡腳高度15 m。考慮邊界效應(yīng)的影響,坡頂設(shè)置距離左側(cè)邊界10 m,坡腳距離右側(cè)邊界13 m。考慮到計(jì)機(jī)的計(jì)算能力,盡量減小尺寸效應(yīng)的影響,邊坡模型采用四邊形網(wǎng)格劃分方式,并對(duì)表層巖土區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密,模型共計(jì)節(jié)點(diǎn)為4181,單元網(wǎng)格共計(jì)4301,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在邊坡的上、中、下位置,見圖1。

圖1 邊坡模型

2.2 計(jì)算參數(shù)與本構(gòu)模型

計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,土體滲透系數(shù)取飽和滲透系數(shù),滿足達(dá)西滲透定律。同時(shí),各土層的滲透模型采用Van Genuchten模型。土體強(qiáng)度參數(shù)見表1。

表1 模型的主要參數(shù)

2.3 實(shí)現(xiàn)過程

土體的孔隙水壓力一般指土體達(dá)到飽和含水率狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的水壓力大小,即水位線以下土體為飽和狀態(tài),此時(shí)土體的孔隙水壓力為正值；在非飽和土中時(shí),由于孔隙內(nèi)尚有一定空氣存在,形成類似彎液面,土體的孔隙水壓力小于大氣壓力,此時(shí)土體的孔隙水壓力為負(fù)值。基于GeoStudio中SEEP/W模塊計(jì)算邊坡的自重應(yīng)力的分布狀態(tài),得到土體初始的孔隙水壓力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,將以上得到的初始自重條件下邊坡的孔隙水壓力與SLOPE/W模塊計(jì)算得到的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行結(jié)合,計(jì)算此時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。同時(shí),根據(jù)不同降雨條件下的孔隙水壓力與應(yīng)力狀態(tài),亦根據(jù)以上步驟,進(jìn)一步計(jì)算得到邊坡在不同降雨條件下的穩(wěn)定性系數(shù)。

計(jì)算邊坡為土質(zhì)邊坡,坡高為l0 m~15 m,邊坡類型為土質(zhì)邊坡。根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864-2016）,如表2~表3可知,鑒于該處周邊的環(huán)境綜合判定其工程安全等級(jí),因此取邊坡在一般工況下的安全系數(shù)為1.30,降雨作用下安全系數(shù)取1.15。計(jì)算自重條件下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.10,根據(jù)以上規(guī)范要求可知,自重條件下的邊坡處于一般穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

表3 邊坡安全等級(jí)劃分

3 模擬結(jié)果分析

3.1 降雨強(qiáng)度

通過模擬邊坡受到不同強(qiáng)度的降雨,研究降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。主要考慮小雨15 mm/d,中雨30 mm/d,大到暴雨50 mm/d,暴雨100 mm/d,特大暴雨150 mm/d的降雨強(qiáng)度,降雨持時(shí)均為48 小時(shí)。圖2 所示為降雨強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖。由圖2 可知,邊坡受到不同強(qiáng)度的降雨作用下,其穩(wěn)定性系數(shù)均隨時(shí)間呈逐漸降低的趨勢(shì)。15 mm/d降雨強(qiáng)度作用下,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小的幅度最小,分析認(rèn)為雨強(qiáng)較低時(shí),邊坡受到的總降雨量較小,土體的含水率變化較小,土體的孔隙水壓力與土體的基質(zhì)吸力變化幅值較低,對(duì)邊坡的抗剪強(qiáng)度影響較小,因此邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減幅較小。降雨強(qiáng)度不斷增加,邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降幅度也逐漸增大,降雨強(qiáng)度為150 mm/d時(shí),邊坡的穩(wěn)定系數(shù)曲線下降趨勢(shì)達(dá)最大,在100 mm/d和150 mm/d的降雨作用下,48小時(shí)后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別下降到0.99 和0.94,邊坡處于失穩(wěn)階段。由于較大強(qiáng)度降雨作用下滲入邊坡內(nèi)的雨水較多,使土體含水率顯著增加,邊坡的重度增幅較大,土體抗剪強(qiáng)度也顯著降低；土體的基質(zhì)吸力進(jìn)一步降低,以上因素共同作用下使得邊坡的安全系數(shù)迅速降低,逐漸變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。

圖2 降雨強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

3.2 降雨類型

自然降雨有多種類型,簡(jiǎn)化分析,取遞增型、遞減型、中心型、平均型四種降雨類型,分析不同降雨類型對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。選取的四種降雨類型總降雨量均是130 mm,降雨類型及對(duì)應(yīng)流量見圖3。圖4是降雨類型與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖。

圖3 降雨類型

圖4 降雨類型與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

由圖4可知,當(dāng)降雨強(qiáng)度與邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈正相關(guān),隨著降雨強(qiáng)度越大,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)降幅也較大。遞增型降雨類型的前期雨強(qiáng)較小,邊坡穩(wěn)定系數(shù)曲線變化較小；隨著降雨后期雨強(qiáng)逐漸增加,邊坡的安全系數(shù)大幅降低。遞減型降雨在前期雨強(qiáng)最大,前期降雨使土體含水率顯著增大,土體抗剪強(qiáng)度迅速降低使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降幅較大。遞減型降雨穩(wěn)定系數(shù)在前期降幅最大,后期隨著降雨強(qiáng)度逐漸減小,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降幅也逐漸降低。中心型降雨條件下,由于前期雨強(qiáng)對(duì)土體含水率及孔隙水壓力等影響較小,因此對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響較低；降雨后期雨強(qiáng)逐漸增大,雨水迅速滲入土體內(nèi)部導(dǎo)致土體的含水率顯著增加,使得土體淺表層出現(xiàn)一定深度暫態(tài)飽和區(qū)域,此時(shí)土體抗剪強(qiáng)度顯著降低,邊坡安全系數(shù)逐漸降低。隨著降雨強(qiáng)度降低,邊坡淺表層區(qū)域內(nèi)的土體逐漸處于飽和狀態(tài),由于滲透系數(shù)降低導(dǎo)致土體入滲量降低,沿著坡表向下形成徑流,所以邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化較小。均勻型降雨在各階段的雨強(qiáng)保持穩(wěn)定,雨水滲透性由快逐漸降低,對(duì)應(yīng)于邊坡穩(wěn)定系數(shù)前期較均勻下降,后期趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 長(zhǎng)期持續(xù)降雨

通過施加降雨強(qiáng)度為30 mm/d的等強(qiáng)型降雨,持時(shí)共計(jì)12天,研究降雨持時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響,繪制其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)隨時(shí)間變化,圖5是長(zhǎng)期降雨條件下該邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線圖。

由圖5可知,邊坡在受到長(zhǎng)期持續(xù)性30 mm/d的降雨作用下,穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低,第288 小時(shí)時(shí)刻邊坡的安全系數(shù)達(dá)到最小值,約0.97,表明此時(shí)邊坡已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。邊坡穩(wěn)定系數(shù)在降雨前期下降幅度較大,降雨后期逐漸趨于平緩。分析認(rèn)為,降雨前期邊坡土體內(nèi)的含水量較低,土體抗剪強(qiáng)度相對(duì)較大,此時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較高；持續(xù)降雨作用下,水分不斷向下入滲,土體含水率逐漸增加,土體基質(zhì)吸力逐漸降低,抗剪強(qiáng)度顯著降低,導(dǎo)致邊坡的整體安全系數(shù)降幅增加。降雨持續(xù)一定的時(shí)間后,邊坡表層土體的含水率逐漸上升,達(dá)到相對(duì)飽和狀態(tài)后,表層土體的滲透系數(shù)降低,過量的雨水無(wú)法繼續(xù)滲透,過量的降雨不能繼續(xù)向下滲入邊坡內(nèi)部,多余的水分在坡表匯聚,在重力作用下形成一定流量坡面徑流,逐漸向下流走,對(duì)應(yīng)于此時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不再顯著降低。降雨完成后,此時(shí)邊坡安全系數(shù)變?yōu)?.97,為整體失穩(wěn)階段。

圖5 長(zhǎng)期降雨與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

4 邊坡加固防護(hù)措施

綜上可知,降雨作用將極大影響邊坡的穩(wěn)定性,使邊坡由穩(wěn)定逐漸變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。因此,有必要考慮降雨作用下邊坡的加固防護(hù)措施。

（1）邊坡排水防護(hù)措施

排水防護(hù)工程的主要措施有邊溝、截水溝、排水溝、急流槽、盲溝等。其中邊溝、截水溝與排水溝是低等級(jí)公路中最常見的防護(hù)措施。

（2）邊坡工程防護(hù)措施

邊坡工程防護(hù)是指使用砂漿、石灰、水泥、等施工材料的工程防護(hù)措施,植被土與邊坡護(hù)面墻是最常見的加固形式。

邊坡護(hù)面墻常用于易風(fēng)化、較破碎的巖質(zhì)邊坡,主要防治坡面的風(fēng)化、侵蝕及部分局部滑坡等破壞。但是該支護(hù)方式不能承受加固結(jié)構(gòu)墻后的主動(dòng)土壓力。常見的邊坡護(hù)面墻主要有孔窗式及拱式等形式。

5 結(jié)論

利用Geostudio模擬分析降雨強(qiáng)度、類型及持續(xù)性時(shí)間對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響,并簡(jiǎn)要討論考慮降雨作用下邊坡加固措施,主要結(jié)論如下：

（1）不同類型降雨類型對(duì)邊坡安全系數(shù)影響較大,邊坡的安全系數(shù)的降低隨著降雨強(qiáng)度呈正相關(guān),中心型降雨作用下邊坡安全系數(shù)最小。

（2）邊坡在暴雨及大暴雨的情況下安全系數(shù)都小于1.3,需要采取針對(duì)性的加固措施。

（3）考慮降雨強(qiáng)度30 mm/d,持時(shí)12 天后,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)小于1.0,此時(shí)邊坡失穩(wěn)。

（4）降雨作用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大,宜注意排水措施,根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的坡面防護(hù)。