不同降雨條件對邊坡穩定性的影響研究

孟凡星

（長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023）

0 引言

降雨是導致邊坡失穩的重要因素之一，而崩塌、滑坡以及泥石流等邊坡失穩的現象大多受降雨因素的影響。據我國統計邊坡失穩的數據來看，大多數坡體失穩破壞與降雨有關，因滑坡而導致的失穩現象大多發生在雨季或降雨量較多的地區。降雨強度較大，降雨歷時較久時，邊坡破壞更加顯著。降雨強度越大，降雨歷時越長，雨水入滲率越快，邊坡失穩破壞的可能性越大。

曹輝[1]分析了降雨入滲對滑坡機理的研究；施戈亮等[2]通過尖點理論得出強降雨作用下巖質邊坡失穩的判斷依據；葉萬軍等[3]通過ABAQUS數值模擬軟件發現VG模型參數變化對排水不良土質邊坡影響更加顯著；郭釗等[4]運用ABAQUS軟件模擬降雨條件下的三維邊坡應力場和滲流場的耦合分析，得出表層土體孔隙水壓力呈現非線性的分布特征，達一定深度后呈現線性分布，孔隙水壓力響應的時間與坡面的距離呈正相關；葉雨柯等[5]利用飽和-非飽和的分析理論對邊坡的水流量進行預測，為邊坡的降雨入滲提供安全依據。范崢等[6]得出降雨強度、雨膨脹變形共同影響暫態飽和區的時空變化；杜忠原等[7]研究表明降雨強度越大，邊坡的負孔隙水壓力消散的速度越快，導致雨水入滲速度越快，且在相同的計算時間內入滲深度也越深，邊坡發生的破壞形式為在降雨階段以淺層滑動。孫文杰等[8]得出隨著降雨強度和降雨歷時增加，三角形瞬態孔壓分布函數法模擬滲流場計算的最小抗滑安全系數更低且減小的速率較快，對整體穩定性影響較大，使其發生局部或者整體滑坡；馬強等[9]利用非飽和力學有限元計算軟件得出誘發山體滑坡的降雨入滲閾值為24h，累計雨量為100mm。黃劍斌等[10]利用不同的降雨工況下邊坡安全系數和位移的關系得出殘積土邊坡失穩的預警方法；馬蓓青等[11]通過試驗與模擬相結合得出降雨歷時較長使土體含水率增加，造成土體的抗剪能力降低，從而引起滑坡。王磊等[12]通過人工模擬降水試驗研究，實現降雨至邊坡開裂的全過程，總結出邊坡的開裂特征、破壞模式以及隔離槽的工程效應；王一兆等[13]研究結果表明降雨期間，坡腳處孔隙水壓力增大至飽和，坡頂處孔隙水壓力持續增大接近飽和，停雨后坡頂處孔隙水壓力降幅大于坡腳處，降雨前期各滑動面穩定性均持續減小，降雨后期坡頂滑動面安全系數趨于收斂，但坡腳滑動面安全系數仍持續減小，停雨后淺層滑動面安全系數均增大，深層滑動面則呈波動狀態；曾昌祿等［14］通過試驗研究表明不同雨強條件下黃土模型邊坡入滲深度均呈現坡腳最大、坡頂平臺較大、坡中最小的規律，入滲速率則是坡頂平臺最大、坡腳較大、坡中最小，且隨著深度的增加，雨水入滲的能力逐漸減弱。隨著雨強的增大，降雨入滲的深度越大，入滲速率越快，埋置同一深度處測點的體積含水率和基質吸力幅值變化越顯著。

上述學者對單一影響條件進行分析較多，綜合分析降雨強度與降雨歷時對邊坡影響的較少。鑒于此，本文通過數值模擬軟件ABAQUS，結合荊州市邊坡工程實例，著重分析降雨強度與降雨歷時對邊坡穩定性的影響。

1 非飽和土滲流基本理論

達西定律最開始是從飽和土中進行推導出來的，在隨后的研究中表明，非飽和多孔介質也遵循達西定律。

滲流存在兩種形式即穩態滲流和非穩態滲流。穩態滲流的滲透系數是不隨時間變化而發生變化的，而對于非穩態滲流系數是會隨著時間變化而發生變化的。

對于非飽和土，其滲透系數與飽和度有關，然而飽和度則通常被表述成基質吸力的函數，為了探求飽和度對滲透性能的影響，在ABAQUS內部是以一個折減系數ks來考慮飽和度對滲透系數的影響。對于非飽和度滲流的出現，ABAQUS會默認當飽和度Sr＜1.0時，ks＝（Sr）3；當Sr＞1.0時，ks＝1.0。計算中滲透系數k按照飽和度的不同修正為ks·k0，而非飽和土的孔隙水壓力uw＜0，uw反映了材料的基質吸力[15]。

2 強度折減法基本理論

強度折減法是通過不斷地對粘聚力和摩擦角折減，找出土體臨界抗剪強度，此時，邊坡失穩的安全系數就轉化成邊坡破壞時的抗剪強度臨界值，這種方法現如今已經廣泛用于工程領域，將其計算出的安全系數作為邊坡失穩臨界值的一個重要依據，其強度折減法公式如下：

式中：

c′，φ′——進行強度折減后的抗剪強度指標；

F r——強度折減系數。

本文主要通過對不同降雨時刻以及不同降雨強度對降雨后邊坡抗剪強度值進行強度折減，只有當邊坡破壞從坡腳貫通到坡頂，此時邊坡發生破壞。通過所設定的場變量，找出對應發生臨界失穩破壞的場變量值[16]。

3 模型建立及物理參數

本次模型的建立依據荊州地區邊坡工程案例，對于降雨時邊坡的穩定性進行分析，其邊界限制邊坡左右兩側的水平位移以及限制邊坡底部水平和豎向位移。對邊坡施加一個向下的體力數值設為10的載荷以及在坡頂、坡間、坡底處設置一個值為-0.01的表面孔隙流，對其左右10m處設置孔隙水壓力數值為1，將坡底孔隙水壓力數值設置為0。網格類型采用CPE4平面單元，網格劃分的單元形狀采用四邊形，網格劃分技術采用結構劃分，網格劃分單元數為268個。其模型設置的物理參數如表1。

表1 模型物理參數設置

4 數值模擬結果分析

4.1 降雨時間對邊坡穩定性的影響研究

考慮降雨時長對邊坡穩定性的影響分析，選取時長為24h、48h、72h以及96h。由于降雨時長與邊坡穩定性的影響息息相關，此次選擇的降雨強度為10mm/h。

在降雨強度一定時，隨著降雨時長的持續，邊坡土體的孔隙水壓力逐漸增大，使飽和度增加，基質吸力降低，邊坡淺層土體出現暫時飽和的趨勢，而對深層土體的影響很小，這樣會造成深層土體的抗剪強度較強，淺層土體的抗剪強度較弱，而且滑裂面會從深層土體向淺層土體進行過渡。

當降雨強度為定值時，隨著時長的增加，邊坡的安全系數逐漸降低，從而導致邊坡發生失穩破壞，如表2所示。

表2 不同時刻邊坡安全系數

由表2可知，當降雨強度為10mm/h時，降雨時長從24～96h時邊坡穩定性安全系數下降了3.57%，說明降雨時長越久，對邊坡安全性構成的威脅越大。

從圖1可知，在降雨強度為10mm/h的情況下，各降雨歷時對應的安全系數不同，在降雨歷時為24h的時刻下，對應的邊坡安全系數為1.457，在降雨歷時為48h的時刻下，對應的邊坡安全系數為1.450，在降雨歷時為72h的時刻下，對應的邊坡安全系數為1.426，在降雨歷時為96h的時刻下，對應的邊坡安全系數為1.405。

圖1 降雨強度一定時不同時刻對應的邊坡穩定性安全系數

對各個時刻對應的邊坡安全系數進行線性擬合，擬合結果如圖1所示，其邊坡穩定性公式預測如下：

其中，x代表降雨歷時；y代表邊坡穩定性安全系數，隨著降雨歷時的逐漸增加，邊坡安全性不斷降低，從而會導致邊坡發生失穩破壞。

4.2 降雨強度對邊坡穩定性的影響研究

由于降雨強度與降雨時長均對邊坡穩定性的影響密切相關，本節主要研究降雨強度對邊坡穩定性的影響，因此選擇降雨時長為24h，降雨強度分別為10mm/h、20mm/h、30mm/h以及40mm/h進行研究。

隨著降雨強度的增加，降雨入滲影響的深度越深，土體孔隙水壓力響應得越早，降雨時孔隙水壓力的增大速率也會越來越快。隨著降雨速率大于土體入滲速率，降雨對土體所產生影響區域面積的幅度會變得越來越小。降雨結束后，坡腳處的孔隙水壓力值大于坡中和坡頂處的孔隙水壓力值。

根據上述模擬結果進行統計分析，得到不同降雨強度條件下的邊坡安全系數，如表3所示。

表3 不同降雨強度下的邊坡安全系數

由表3可知，隨著降雨強度的增加，邊坡的抗剪強度逐漸變弱，造成邊坡安全系數降低，從而導致邊坡發生失穩破壞。當降雨時長一定時，隨著降雨強度從10mm/h上升到40mm/h時，邊坡的安全系數從1.365下降到1.153，此時邊坡安全系數下降了15.53%，對比表1中降雨時長從24～96h邊坡的安全系數下降3.57%來說，降雨強度對邊坡的破壞力度更大。對各個降雨強度對應的安全系數進行線性擬合，擬合結果如圖2所示。

圖2 擬合各個降雨強度對應的安全系數

其邊坡穩定性公式預測如下：

其中：x代表降雨強度；y代表邊坡穩定性安全系數，隨著降雨強度的增加，邊坡安全系數不斷降低，滑裂面塑性區域從坡腳貫通到坡頂，從而導致邊坡發生失穩性破壞。

5 結束語

綜上所述，研究不同降雨條件對邊坡穩定性的影響，結論如下：

（1）隨著降雨時長的增加，孔壓有逐漸上升的趨勢，使邊坡基質吸力逐漸減少，坡頂抗剪能力降低，從而造成邊坡失穩破壞。

（2）隨著降雨強度的增加，孔壓呈現上升趨勢。當降雨強度小于土體入滲能力時，其坡頂的基質吸力不會呈現出明顯的變化，當降雨強度大于土體入滲能力時，坡頂會暫時呈現出飽和的趨勢，此時坡頂土體的抗剪強度表現出弱性，極易發生抗剪破壞，邊坡安全系數大幅降低，從而導致邊坡失穩破壞。

（3）降雨時長越久，對邊坡安全性構成的威脅越大。降雨強度對邊坡的影響大于降雨時長。

總之，此次模擬結果對工程有著實際的指導意義，因此，在以后的基坑工程開挖中，當工程進行放坡處理時，要及時進行護坡處理，防止坡面遭到雨水的侵蝕而發生失穩破壞。對于一般的坡面要利用土工膜進行護坡處理，對于大型的開挖坡面應利用噴混凝土護坡處理，避免雨水快速入滲土體，造成土體抗剪強度減弱，使邊坡發生失穩性的破壞。