持續(xù)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性影響分析

王正龍WANG Zheng-long；孫小波SUN Xiao-bo

（中煤長(zhǎng)江基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，南京 210046）

0 引言

降雨滲流是影響邊坡穩(wěn)定性的主要誘因之一[1]。我國(guó)由于降雨引發(fā)的滑坡事故較高，占總滑坡數(shù)量的90%[2]。邊坡在雨季容易產(chǎn)生滑坡這是一個(gè)普遍現(xiàn)象，正常情況下這些邊坡是穩(wěn)定的，但隨著降雨時(shí)間的推移和雨水的入滲作用，一些看來(lái)十分可靠的邊坡也可能在雨季發(fā)生滑坡。調(diào)查研究表明，絕大多數(shù)邊坡失穩(wěn)出現(xiàn)在降雨期間或降雨之后，可見(jiàn)降雨入滲對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響具有重要意義。

本文根據(jù)某邊坡治理方案，研究持續(xù)降雨條件下對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，探究在不同降雨強(qiáng)度、不同降雨歷時(shí)情況下邊坡穩(wěn)定性的變化情況，以求為今后考慮降雨條件的邊坡治理提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某邊坡長(zhǎng)約85m、高約26m，2016 年4 月邊坡左側(cè)及坡腳開(kāi)挖鋪設(shè)了供熱管道，導(dǎo)致邊坡局部地段發(fā)生變形跡象，坡頂出現(xiàn)平行邊坡走向的裂縫，威脅到供熱管道的安全運(yùn)營(yíng)，擬對(duì)該段邊坡進(jìn)行治理。

該地區(qū)原地貌屬于構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)，后經(jīng)過(guò)人工回填形成現(xiàn)狀地形地貌，地表植被不發(fā)育，以雜草、灌木為主。該段邊坡地貌形態(tài)呈陡坡?tīng)睿旅鏋槎钙拢旅嫫露葹?3°～40°；坡頂?shù)匦位酒教梗植渴艿戒佋O(shè)供熱管道人工開(kāi)挖形成凹坑。邊坡整體地形、地貌特點(diǎn)如圖1。且受管道施工開(kāi)挖坡腳影響，地表發(fā)育有幾條平行邊坡走向的裂縫，邊坡兩側(cè)及前緣未發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)痕跡，說(shuō)明該邊坡處于蠕變變形階段，滑面尚未貫通，邊坡穩(wěn)定性較差。裂縫如圖2所示。

圖1 邊坡整體地形地貌圖

圖2 邊坡裂縫圖

1.2 工程地質(zhì)條件

該邊坡位于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季較為分明，春季干旱多風(fēng)，夏季受東南亞季風(fēng)氣候影響炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季受西伯利亞高壓氣流控制，雨雪稀少寒冷。整個(gè)邊坡地區(qū)的主要土層自上而下分別為素填土、雜填土、泥巖。

該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層基本呈一單斜構(gòu)造，巖層傾向與坡向相同。邊坡區(qū)及其附近未發(fā)現(xiàn)斷層、強(qiáng)烈褶曲及巖漿活動(dòng)。裂隙構(gòu)造在滑坡區(qū)較發(fā)育，是區(qū)內(nèi)主要結(jié)構(gòu)面之一。

2 Geo-Studio 軟件建模

本次有限元模擬使用Geo-Studio[3，4，5]軟件進(jìn)行，整個(gè)邊坡模型尺寸為長(zhǎng)85m、高26m，邊坡坡度設(shè)置為39°。土層自上而下分別為素填土、雜填土、泥巖。其中，素填土土層層厚為4.0m，雜填土為10.0m，泥巖為12.0m。其模型具體尺寸參數(shù)如圖3 所示，模型建模圖如圖4 所示。

圖3 模型尺寸圖

圖4 模型建模圖

本次使用有限元軟件Geo-Studio 主要是模擬基于二維的土質(zhì)邊坡在不同降雨強(qiáng)度、不同降雨歷時(shí)下的穩(wěn)定性情況，其主要是通過(guò)邊坡安全系數(shù)、邊坡中孔隙水壓力來(lái)直觀表示。在本次的模型構(gòu)建中，設(shè)置水位位于邊坡底部3m 處，持續(xù)的降雨條件使用Geo-Studio 軟件中的邊界條件來(lái)模擬。為了便于計(jì)算，不同的降雨強(qiáng)度通過(guò)設(shè)置邊界條件中的不同單位流量來(lái)表示，不同降雨歷時(shí)通過(guò)設(shè)置不同的計(jì)算時(shí)間來(lái)表示。本文運(yùn)用Geo-Studio 軟件SEEP/W模塊和SLOPE/W 模塊對(duì)邊坡進(jìn)行耦合模擬計(jì)算[6]，首先運(yùn)用SEEP/W 模塊進(jìn)行瞬態(tài)持續(xù)降雨的模擬，將得到的結(jié)果作為父項(xiàng)分析，耦合SLOPE/W 模塊計(jì)算坡體穩(wěn)定性。

本次模擬中所用的具體土層參數(shù)表如表1 所示，降雨強(qiáng)度分別設(shè)置為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 五個(gè)梯度，降雨歷時(shí)設(shè)置為6h、12h、18h、24h、30h五個(gè)梯度。

表1 土層參數(shù)表

3 模擬結(jié)果分析

為研究持續(xù)降雨條件下對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響效果，本文一共設(shè)置了二組模擬對(duì)照分析，即不同降雨強(qiáng)度、不同降雨歷時(shí)，通過(guò)邊坡安全系數(shù)與孔隙水壓力大小來(lái)最終體現(xiàn)持續(xù)降雨條件下對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，為今后的邊坡防護(hù)提供依據(jù)和參考。

3.1 不同降雨強(qiáng)度

本次模擬分析主要模擬了不同降雨強(qiáng)度對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響。共選取了降雨強(qiáng)度分別為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 五個(gè)梯度。在不改變其他條件的影響下，即降雨歷時(shí)不變，來(lái)探尋降雨強(qiáng)度與邊坡安全系數(shù)、孔隙水壓力之間的關(guān)系。

本次模擬中，降雨歷時(shí)設(shè)定為12h。不同降雨強(qiáng)度條件下邊坡安全系數(shù)與其變化率圖及其孔隙水壓力變化圖如圖5、圖6、圖7 所示。

圖5 不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)變化圖

圖6 不同降雨強(qiáng)度下12h 后的邊坡安全系數(shù)變化率圖

圖7 不同降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力變化率圖

由圖5 可以看出，在降雨歷時(shí)等其他條件均不變的情況下，邊坡安全系數(shù)隨著降雨強(qiáng)度的增大而逐漸減小，這與現(xiàn)實(shí)情況較為符合，隨著降雨強(qiáng)度的逐漸增大，單位面積上的降雨逐漸增多，雨水入滲隨即增多，致使邊坡土體越來(lái)越不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)逐漸降低。

由圖6 可以看出，12h 后的邊坡安全系數(shù)亦是隨著降雨強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 時(shí)，安全系數(shù)分別為1.956、1.769、1.691、1.688、1.676，變化率分別為9.6%、4.4%、0.2%、0.7%。可以明顯的看出，在降雨強(qiáng)度為1.3mm/h 時(shí)，安全系數(shù)出現(xiàn)了較大的轉(zhuǎn)折。這可能是因?yàn)殡m然降雨強(qiáng)度不斷增大，但邊坡土體自身已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，不在發(fā)生劇烈變化，使得安全系數(shù)的降幅減緩乃至停留在某一數(shù)值附近不在發(fā)生大的變化。

由圖7 可以看出，孔隙水壓力隨著降雨強(qiáng)度的增大而逐漸增大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 時(shí)，最大孔隙水壓力分別為95.8kPa、100.6kPa、103.8kPa、104.4kPa、105.3kPa，變化率分別為5%、3.2%、0.6%、0.9%。其原因與上文中所述類似，即降雨強(qiáng)度不斷增大使得邊坡土體自身達(dá)到飽和狀態(tài)，從而使得孔隙水壓力增長(zhǎng)減緩。

3.2 不同降雨歷時(shí)

本次模擬分析主要模擬了不同降雨歷時(shí)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響。共選取了6h、12h、18h、24h、30h 五個(gè)梯度。在不改變其他條件的影響下，即降雨強(qiáng)度不變，來(lái)探尋降雨歷時(shí)與邊坡安全系數(shù)、孔隙水壓力之間的關(guān)系。

本次模擬中，降雨強(qiáng)度設(shè)定為1.3mm/h。不同降雨歷時(shí)條件下邊坡安全系數(shù)與其變化率圖及其孔隙水壓力變化圖如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 不同降雨歷時(shí)下邊坡安全系數(shù)變化圖

圖9 不同降雨歷時(shí)下邊坡安全系數(shù)變化率圖

圖10 不同降雨歷時(shí)下孔隙水壓力變化率圖

由圖8 可以看出，在降雨強(qiáng)度等其他條件均不變的情況下，邊坡安全系數(shù)隨著降雨歷時(shí)的增大而逐漸減小，即降雨時(shí)間越長(zhǎng)，邊坡越容易滑坡。

由圖9 可以看出，當(dāng)降雨歷時(shí)為6h、12h、18h、24h、30h 時(shí)，安全系數(shù)分別為1.872、1.691、1.648、1.634、1.620，變化率分別為9.7%、2.5%、0.8%、0.9%。由圖10 可以看出，當(dāng)降雨歷時(shí)為6h、12h、18h、24h、30h 時(shí)，最大孔隙水壓力分別為78.3kPa、103.8kPa、119.7kPa、125.6kPa、130.8kPa，變化率分別為32.6%、15.3%、4.9%、4.1%。降雨時(shí)間越長(zhǎng)，邊坡安全系數(shù)越低、孔隙水壓力越大，但從圖9、圖10 中可以看出，在降雨時(shí)長(zhǎng)為18 小時(shí)時(shí)安全系數(shù)與孔隙水壓力均發(fā)生較為明顯的轉(zhuǎn)折，這可能是因?yàn)樵诮邓跗?8小時(shí)內(nèi)，土體基質(zhì)吸力迅速降低，地表水力傳導(dǎo)率較大，因此雨水得以全部入滲。同時(shí)，隨著降雨時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，飽和區(qū)域在邊坡表面形成的速度越來(lái)越快，最終導(dǎo)致基質(zhì)吸力迅速降低，大大削弱了土體自身的抗剪強(qiáng)度，與此同時(shí)安全系數(shù)下降幅度最大，孔隙水壓力快速增長(zhǎng)。

降雨持續(xù)18 小時(shí)以后，土體自身已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，安全系數(shù)的降幅減緩乃至停留在同一數(shù)值不再發(fā)生改變，且孔隙水壓力變化幅度也逐漸放緩。

4 總結(jié)

本文運(yùn)用Geo-Studio 軟件，基于某邊坡工程的實(shí)際案例，探尋不同降雨強(qiáng)度、不同降雨歷時(shí)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響。得出了以下結(jié)論：①總體來(lái)說(shuō)，邊坡安全系數(shù)隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增大而減小，孔隙水壓力隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增大而增大。②邊坡安全系數(shù)并不一味隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增大而不斷減小，其減少速度是先快后慢后趨于平緩，同時(shí)孔隙水壓力亦并不是一味隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的增大而增大，其增大速度也是先快后慢后趨于平緩。③在持續(xù)降雨條件下，土體自身已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，導(dǎo)致了安全系數(shù)和孔隙水壓力變化速度逐漸平緩。