降雨作用下边坡稳定性分析及防治

唐小军

(云南省铁路总公司，云南昆明 650118)

0 引言

我国是多山国家，是山体滑坡地质灾害的高发区。大量滑坡资料表明滑坡主要发生在雨季，降雨是导致滑坡的主要诱因。降雨通过地表渗入坡积土层、残积土层或直接渗入全风化、强风化岩体中，使岩土体中的亲水矿物与吸附较多的水相结合，使土体处于暂时饱和状态，增加了土体的容重，降低了土体的内摩擦角和粘聚力，从而降低了土层的抗剪强度;并且在雨水入渗的过程中，产生了动水压力，增大了坡体本身的下滑力，更容易使坡体产生滑坡动［1］。

1 降雨入渗及渗流模型

1.1 降雨入渗过程

降雨入渗过程是指地下水随时间与空间的变化从饱和到非饱和的运动过程，是雨水在下渗的过程中不断驱替空气饱和孔隙的过程［2］。雨水渗入坡体到达潜水面是一个饱和～非饱和的渗流过程。边坡土体的降雨入渗量受降雨强度与历时、初始含水率、土壤性能、地形坡度、吸力状况等诸多因素的影响，因此边坡的降雨入渗是集时间与空间的动态过程［3］。若土的渗透能力大于降雨强度，雨水将全部渗入土中，不会出现地表径流;若土的渗透能力小于降雨强度，边坡表面上会出现地表径流;雨停后边坡表面一般不会有积水，并且雨水在边坡土体上入渗滞后的时间较短，基本上降雨一停，降雨入渗也就停止了。降雨在边坡中的渗透如图1所示。

雨水在边坡中的入渗使土体在时间和空间上都发生了巨大的变化［3］。在降雨的初始阶段，地表含水量较低，一旦地表土体中有水分渗入，吸力梯度便逐渐形成，将上升到很高的位置，此时雨水入渗率也较高。在降雨初始阶段，土体入渗率和含水梯度均大于降雨强度，雨水完全入渗，此阶段为通量控制阶段，属于自由入渗或无压入渗;随着雨水入渗的持续进行，土体的入渗率和含水率梯度逐渐减小，当降低到小于降雨的强度时，边坡地表开始形成径流或积水，此阶段为剖面控制阶段属于有压入渗。因此，降雨强度与持续时间、土体的初始含水量及边坡地表径流量的共同作用影响实际入渗量。

1.2 二维Richards渗流模型

使孔隙水压力mw=∂θw/∂uw并以总水头h为控制变量，则二维Richards渗流控制方程为［4］:

其中，uw为土的体积含水率;θw为土的孔隙水压力;γw为水的容重;t为时间。

若边坡土体处于饱和带时，渗透系数可用饱和渗透系数表示，体积含水率为饱和含水率，即mw=0;若边坡土体处于非饱和带时，mw与渗透系数均为孔隙水压力的函数。故该方程可以用来求解饱和～非饱和渗流问题。

根据饱和～非饱和渗流理论，可以得出任何时刻t的入渗率qr(t)为:

其中，h′为压力水头;坐标z取向上为正方向。

在降雨的初始阶段，地表含水率变化梯度∂θ/∂z的绝对值较大，其对应的入渗率qr(t)和压力水头梯度 ∂h′/∂z都较大;随着降雨的持续进行，雨水入渗率和压力水头梯度∂h′/∂z的绝对值不断降低;当降雨入渗持续一段时间后，土体的入渗率逐渐地趋于一个稳定值，相对于地表含水率为θ0时，该值的导水率k0一般取k0=mwks，其中 0≤mw≤1，ks为饱和导水率。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡破坏形式

公路边坡的形成过程中，在各种自然因素(如风化剥蚀、工程地质结构面、地下水等)与人为因素(如开挖、爆破等)作用下，边坡内部应力状态将发生变化，引起应力的重新分布与应力集中效应，当边坡内的应力超过岩土体的强度时，将导致边坡产生变形与破坏。公路边坡常见的破坏形式有:崩塌、滑坡、剥落等。

2.2 边坡稳定模型

降雨对边坡稳定性的力学效应主要表现为边坡体所受的静水压力、动水压力及地下水向上的扬压力发生改变［5］，边坡力学模型如图2所示。

边坡开挖过程中的应力重新分布，坡顶为切向应力，形成张拉裂隙。在降雨初始阶段，降雨对边坡起到加载作用，坡体受自重、雨水入渗及裂隙静水压力荷载的作用，张拉裂缝向深部发育，当裂隙到达滑动面时静水压力达到峰值，此时边坡稳定系数为:

其中，Wi为条分法中第i块坡体重量;li为第i块坡体长度;α为坡体潜在破坏面角度;c为粘聚力;φ为内摩擦角;∑为总静水压力。

降雨初期雨水入渗边坡内部产生的静水压力为:

其中，h为裂隙张开深度;γw为水的容重。

随着裂隙扩展，静水压力不断增大，边坡稳定系数逐渐降低。当裂隙深度h=H时，雨水沿裂隙继续向边坡渗入到达滑动面，产生的动水压力为:

其中，l为坡长;i为水力梯度。

若降雨持续进行，此阶段的边坡稳定安全系数为:

由于边坡表面裂隙不断增多使静水压力增大，水体渗流使动水压力也增大。边坡土体渗入雨水后其力学参数发生变化，抗剪力降低，使边坡趋于不稳定。

3 防治措施

降雨是诱发边坡滑坡失稳的主要因素之一，根据降雨入渗特性及力学分析，为保证边坡的稳定性，可采取相应的排水、截水措施。截、排水措施可有效地防止地表水下渗、减少地下水活动对边坡稳定的影响。

1)边坡坡率与坡面防护。

放缓边坡，采用台阶式放坡，上缓下陡，减小坡角，在边坡上进行生态防护，合理搭配草、灌木比例，防止雨水冲刷及坡面松弛。增大粘聚力，最大程度的减少水土流失，为适应公路外观和结构整体性的需要，应当进行适当的绿化，防止冲刷和美化环境。

2)地表排水。

排除地表水是处理公路路基及边坡病害不可缺少的措施之一。通过拦截、疏导地表水，及时进行动态跟踪，尽快处理边坡裂隙，防止雨水渗入坡体，确保边坡排水畅通。防止进入坡体内，可减少因降雨等引发的滑坡灾害的发生。

3)地下水处理。

可采取竖井、盲沟等竖向排水措施降低地下水位，疏干边坡体内及邻近地下水，可降低边坡的动水压力、静水压力与扬压力，增强抗剪力，使边坡稳定。

4 结语

降雨诱发边坡失稳是山地灾害研究的重点与难点。降雨入渗使边坡土体非饱和带内的含水量增大，粘聚力降低，孔隙水压力增大，基质吸力降低，出现暂态饱和区与暂态水压力，基质吸力的下降使得边坡土体非饱和带的抗剪强度降低，导致边坡土体的强度降低，影响边坡的稳定性。截排水措施是确保边坡稳定治理效果的重要环节，边坡治理方案应该综合考虑地形地貌特征、地质条件、施工技术以及周边的自然环境与社会环境等因素，正确认识边坡、合理设计、适当治理，把边坡失稳造成的灾害程度降到最低。

［1］曾添华.浅谈地质灾害边坡稳定性分析及治理［J］.科技信息，2005(10):435-436.

［2］荣 冠，张 伟，周创兵.降雨入渗条件下边坡岩体饱和非饱和渗流计算［J］.岩土力学，2004，26(10):1545-1549.

［3］孔 嵘.边坡生态防护的雨水入渗及设计优化研究［D］.长沙:长沙理工大学，2012.

［4］Fredlund D G.Slope Stability Analysis incorporating the effect of soil suction［M］.//Anderson M G，Richards SlopeStability.New York Wiley，1987:113-114.

［5］李晓鸿.降雨条件下边坡稳定性分析及滑坡防治措施［J］.交通科技与经济，2012(5):9-11.