降雨對基覆邊坡穩定性的影響研究

王 緒

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110000）

1 引言

降雨時常會導致邊坡失穩[1]。在我國每到梅雨季節時常會發生邊坡滑坡,造成巨大的經濟損失[2]。一些學者研究表明,邊坡失穩存在多種破壞模式,但大多取決于坡趾部位土體的飽和程度[3]。有學者提出失穩邊坡的土體內部孔隙水壓力極高,可能是造成邊坡失穩的主要原因[4]。

在實際工程中,基覆型邊坡的基覆界面形狀各不相同,因此本文采用兩段直線組合的方式來模擬典型工況[5],以代表基覆型邊坡的一般形態。通過這種方式,研究不同階段邊坡的承載力變化規律,以及雨后邊坡失穩的機制和特征。

2 建模方案

依托遼寧省某工程項目,利用數值模擬技術模擬邊坡在降雨作用下的穩定性和承載力變化規律。裝置由不銹鋼和有機玻璃板組成,有機玻璃板為側面,銹鋼板為底部,地板上鋪設粗糙度不同的泡沫板材,用于模擬界面粗糙度。邊坡模型長1.8 m,寬0.3 m,高1.2 m,見圖1。

圖1 邊坡模型圖

本文采用數值技術模擬降雨,控制出水閥門與水泵控制降雨強度,降雨強度采用雨量計記錄。根據描述,降雨強度為Ir=21.96 mm/h,屬于暴雨級別。通過模擬不同時間內的靜荷載作用,研究降雨對邊坡承載能力的影響以及對應出現的破壞模式。

表1 列出了模擬時不同質量含水率下的砂土抗剪強度指標,其中包括干燥狀態下的強度,以及不同含水率下的強度指標。

表1 基本參數

圖2 和圖3 分別展示了干燥狀態下和不同含水率下砂土的剪切強度與有效正應力的關系曲線。從圖中可以看出,在不同質量含水率下,砂土的剪切強度隨著有效正應力的增加而不斷增加,但在相同的有效正應力下,隨著含水率的增加,砂土的剪切強度逐漸降低,說明非飽和狀態下的砂土的抗剪強度受到了含水率的顯著影響。

圖2 砂土黏聚力與內摩擦角與飽和度的關系

圖3 粒徑級配

觀察圖2、圖3 可知隨著飽和度的增加,所用的砂土的表觀黏聚力,呈現先增大后減小的趨勢。這是因為在低飽和度時,毛細水壓力作用較弱,表觀黏聚力較小；隨著飽和度的增加,毛細水壓力作用增強,表觀黏聚力也隨之增大,但當砂土達到飽和狀態時,毛細水壓力作用達到最大值,此后隨著飽和度的增加,毛細水壓力作用反而減小,表觀黏聚力也相應減小。砂土內摩擦角與土體飽和度的變化呈負相關,水在土顆粒間起到潤滑作用,含水率上升包裹土顆粒的水膜變厚,顆粒間的摩擦阻力減小。

根據提供的信息,可以計算得到砂土的孔隙比和飽和度,分別為孔隙比0.429,飽和度0.29。其中,顆粒密度取砂的密度,一般認為2.65 g/cm3。持水量指砂土最大干密度與最小干密度差值的體積含水量,根據砂土飽和滲透系數為0.00031 m/s,可以判斷該砂土的滲透能力較差。根據粒徑級配曲線,可知該砂土為粗砂,顆粒分布相對均勻,1.002 的曲率系數說明該土的級配連續。

本文采用記錄含水率和孔隙水壓力的方式進行參數分析。在模型的側面設置白砂,標記初始標識線,邊坡出現變形后,白砂條帶出現了顯著的偏離,可以檢測到邊坡變形情況。測點包括孔隙水壓力測點P1～P6和含水率測點W1～W6,對應測點為1～5。測點的布置見圖4。

圖4 儀器布置圖

本文采用的砂土含水率為5%,進行分層填筑的邊坡模型建造,填筑厚度均每層小于5 cm,并逐層夯實。本文采用環刀測試夯實土體的密度和夯后含水率,然后計算土體的干密度,通過反算得到人工邊坡的體積。夯土邊坡的相對密度為0.16,土體相對疏松。完成夯土邊坡后靜置24 小時,之后進行模擬降雨,在降雨完成后進行坡頂加載,記錄監測數據。

本文的目的是研究降雨時基覆型邊坡的失穩特征和極限承載力,分析邊坡內部孔隙水壓和含水率對邊坡穩定性的影響。共設置了6 種工況（詳見表2）。基覆層下部傾角14°,上部傾角52°。

表2 工況設計

根據表1 中不同的質量含水率,可以計算出對應的邊坡模型的安全系數理論值,并在表3 中進行展示。從表格中可以看出,隨著坡內土顆粒質量含水率的增加,邊坡的安全系數經歷了先增加后減小的變化趨勢。

表3 理論安全系數

3 結果與分析

3.1 降雨前后土體孔隙水壓力與含水率變化

邊坡失穩與坡內含水率和孔隙水壓力的改變密切相關。圖5 和圖6 展示了坡內土顆粒在降雨過程中隨時間變化孔隙水壓力和體積含水率變化情況。根據圖5,坡內土體的含水率逐漸增加,坡體安全系數呈現先增大后減小的趨勢,下部坡體的含水率先開始增長。

圖5 孔隙水壓力與體積含水率隨時間變化曲線

根據含水率變化圖像可以看出,測點3、4、5 的含水率均小于飽和含水率,坡內土體未能飽和。而測點1、2、6 處,土壤處于飽和狀態。由此可以看出,在降雨過程中時,水位線在坡體內部的中下部,表明雨水在坡腳率先聚集。隨著降雨的持續,中部邊坡和上部邊坡的土壤含水率逐漸增加（見圖6）,雨水會從各個角度通過土顆粒間的通道匯聚至坡腳,然后坡內的水位線會從下至上緩緩上升到坡中位置（見圖6）。坡腳土體最先飽和,因此最先破壞發生破壞。

根據圖6（a）,可以看出降雨停止后,邊坡內部的土體含水率開始下降。其中,邊坡上部（W5、W4）的土壤含水率最先下降,最終穩定在約17%。邊坡下部土體表面（W6）開始快速下降,最終穩定在約33%。與邊坡表層土體和上部土體不同,坡角與基礎覆蓋層的接觸位置土體的含水率下降速度緩慢。因此,在降雨停止后較長一段時間內,內部土體的水位線仍會逐漸下降。盡管在坡腳和界面接觸處仍有殘余水分存在,但測點1、2、3 的含水率保持在飽和狀態上下,含水率的時程發展規律也趨于穩定。

根據圖7 和圖5,可以看出在降雨初期各測點的孔隙水壓力值基本沒有變化。隨著降雨時間的延長,坡體內部各個測點孔隙水壓按由外向里的趨勢依次增加,中下部邊坡的孔隙水壓最先達到穩定狀態,并出現正峰,這說明降雨過程中坡內土顆粒的水位線由下而上逐漸上升至邊中,在前面已經得到驗證。但邊中部位的孔隙水壓的峰值均為負,說明在降雨時坡中部分土體尚未飽和。根據圖7（b）發現,各測點孔隙水壓力值均發生變化。坡體上部測點4、5 的孔隙水壓下降十分迅速；坡體中下部土體的孔隙水壓呈逐漸減小趨勢,但下降速率較上部更緩慢。坡腳處的孔隙水壓下降最慢。

圖7 邊坡內孔隙水壓力不同時刻的空間分布

綜上分析,坡內土顆粒在降雨過程中的含水率與坡內孔隙水壓力變化呈正相關。含水率與孔隙水壓力的增大同步；穩定的孔隙水壓伴隨含水率的穩定。

3.2 邊坡失穩機制

此外,從孔隙水壓力的變化可以看出,降雨過程中坡內土顆粒含水率與孔隙水壓力呈正相關發展,幾乎保持同增同減的變化趨勢。因此,在邊坡的安全評估和防護設計中,需要考慮土體含水率和孔隙水壓力的影響,采取有效措施控制水分的滲透和排泄,降低孔隙水壓力的影響,保證邊坡的穩定性和安全性。

3.3 停雨后邊坡極限承載力及破壞模式

根據數據結果,降雨停止后邊坡的極限承載力會發生變化,與邊坡內部水分的流失、孔隙水壓下降、基質吸力增大密切相關。隨著降雨時間的推移,邊坡內部水分的流失后,坡體含水率下降,孔隙水壓減小,基質吸力驟增,進而提高坡體的抗剪強度,從而邊坡的承載力會相應地增加。

如圖8,在坡部施加靜荷載發生的邊坡失穩可以總結為兩類,一是整體滑移,二是局部滑移,其中邊坡滑移面出現在基覆界面附近或中上部位置。然而,隨著時間的推移和水分的流失,邊坡內部的土體會發生變化,最終導致邊坡出現局部滑移,坡體的中上部出現破壞面,并沿基覆接觸面滑動,然后在坡體中下部位向內部發展,最后在坡腳上部位置發生剪切破壞。

圖8 破壞圖

因此,對于實際工程,需要在設計邊坡時考慮到邊坡的水文地質特征,并在降雨停止后及時進行評估和監測,以確保邊坡的穩定性和安全性。同時,在邊坡的監測和評估中,需要關注邊坡內部水體的變化,及時采取措施降低水體對邊坡穩定性的影響,保證邊坡的承載力和安全性。

4 結論

本文模擬降雨環境對基覆型邊坡的雨后承載能力變化以及失穩模式進行了探究,研究發現：

（1）坡內土體的含水率逐漸增加,坡體安全系數呈現先增大后減小的趨勢。

（2）降雨過程中,邊坡表面的含水率先上升,降雨持續進行,含水率逐漸保持穩定,坡體內部的土體含水率開始以由外向內的趨勢增長。

（3）在邊坡的安全評估和防護設計中,需要考慮土體含水率和孔隙水壓力的影響,采取有效措施控制水分的滲透和排泄,降低孔隙水壓力的影響。

（4）對于實際工程,需要在設計邊坡時考慮到邊坡的水文地質特征,并在降雨停止后及時進行評估和監測,以確保邊坡的穩定性和安全性。