降雨作用下山西中南部通道黄土边坡稳定性分析

吕 菲，郭晓亮

(铁道第三勘察设计原集团有限公司，天津 300142)

地表水的入渗、冲刷与地下水的侵蚀是导致土质边坡特别是黄土边坡破坏变形的重要原因之一［1］。持续降雨条件下，雨水对黄土边坡不断冲刷、侵蚀，导致边坡的地质特征和物理力学指标发生变化［2-4］。雨水冲刷、入渗对边坡土体产生潜蚀作用，地表可形成密布的冲沟，局部有陷坑;同时，降雨入渗也导致了坡体含水量的增加，孔隙水压力降低，土体抗剪强度下降，最终可能诱发边坡失稳［5-8］。因此，必须对黄土边坡降雨入渗的过程进行研究，了解土体含水量、孔隙水压力及基质吸力等重要参数的变化规律，才能准确评价黄土边坡的稳定性［9-12］。

山西中南部通道(晋中南)项目为“十一五”期间国家重点工程，全长1260 km，沿线地貌单元复杂，黄土广布。为满足设计安全的需要，通过选取晋中南线典型黄土边坡进行不同强度的野外人工降雨试验，测得降雨入渗过程中边坡土体含水量、孔隙水压力、土压力等参数的变化规律。并通过GeoStudio软件中的SEEP模块求解了降雨条件下非饱和土坡中孔隙水压力与含水量的分布，进而将数值模拟结果导入SLOPE中，分析了不同工况下的边坡稳定系数。

1 野外人工降雨试验

1.1 试验设计

试验点为晋中南线芦则沟1号隧道西侧50 m的黄土高边坡，降雨坡面面积为22.5 m2，坐标为N∶38.18362°E∶111.04906°，坡高约 75 m，坡度约63.2°，坡向252°，地层出露自上而下分别为新黄土、老黄土和粉质黏土，坡角为季节性河道。

山西省年平均降雨量400～650 mm，集中于夏季，多阵雨。设计采用中雨(45 mm/24 h)、大雨(65 mm/24 h)、暴雨(75 mm/24 h)3种雨型对边坡进行降雨。每次降雨时间1～3 h，雨后恢复时间2～3 d。

试验过程中观测边坡一定深度的土压力、孔隙水压力、含水量、基质吸力，选用的仪器有BX系列电压式土压力传感器、BX系列电压式孔隙压力传感器、霍尔式流量传感器、TRIMBLE土壤水分探测仪、张力计。仪器布置如图1所示，共布设了7个土压力传感器(通道1-7)、2个孔隙水压力传感器(通道9、11)和12支张力计，仪器的埋深见表1。

降雨结束后，连续性观测一段时间，直至上述测量数据稳定、边坡恢复到干燥状态后，方能进行第二次模拟试验。

表1 传感器和张力计埋深 cm

1.2 试验结果

图2、图3为中雨强度(45 mm/24 h)降雨时土压力降雨持时曲线(以3号、7号传感器为例)。降雨开始后，坡体表层大量泥沙被冲走，1号～6号土压力传感器读数明显衰减(图2)，7号土压力传感器没有变小(图3)，这是由于其埋设于试验区域的最底端，前有挡板，表面冲刷对其影响较小。当降雨持续到30～40 min时，所有的传感器压力均上升，表明降雨造成的入渗量超过泥沙冲蚀量，坡体负荷开始增加，并持续到降雨结束。除了2号传感器和7号传感器的雨后应力超过初始应力外，其余点位的应力值均比初始应力小，可见本地区受降雨侵蚀严重。坡体土层抗剪强度的减弱和孔隙水压力的增加对边坡稳定会造成巨大危害。降雨持时越长，失稳可能性越大。

图2 通道3土压力降雨持时曲线

图4为土压力雨后持时曲线(以7号传感器为例)。降雨结束后，随着水分蒸发和下渗，所有土压力传感器读数均呈减小趋势。中午时段气温高、蒸发量大，压力值减幅较大;夜间蒸发微弱、雾水补充，压力值反而有所增加，但整体上压力值减小。

本区地下水埋深大，边坡土体孔隙发育，边坡50、100 cm深度的初始孔隙水压力为负值，1号孔压-2.934 kPa(通道9)、2号孔压-4.257 kPa(通道11)。

图4 通道7土压力雨后持时曲线

图5为孔隙水压力降雨持时曲线(以1号孔压为例)。降雨开始后，雨水持续入渗，孔压传感器读数稳定上升，但没有越过零位，说明埋点处土体没有达到饱和状态，此时土体处于危险状态。如图6所示，降雨结束后，由于水分蒸发与下渗，孔压传感器压力值缓慢下降逐渐恢复，边坡表层也趋于稳定。

图5 孔隙水压力降雨持时曲线

图6 孔隙水压力雨后持时曲线

图7为边坡不同埋深处的体积含水率，降雨后距地表75 cm以下土体含水率与旱季同深度初始含水率基本一致，表明湿润峰达到70～80 cm，是本次降雨的主要影响深度。降雨结束后，比较降雨结束后24 h与48 h土层含水量可知，接近土体表层(＜0.5 m)蒸发作用明显，随时间推移含水量逐渐降低，土体深部(＞0.5 m)入渗作用明显，随时间推移含水量稍有增加。

图7 含水率与深度关系曲线

待边坡土体恢复至初始状态后又进行了大雨(65 mm/24 h)和暴雨(75 mm/24 h)降雨试验，土压力、水压力及含水量变化规律与上述试验类似，此处不再赘述。随着降雨强度的增加和降雨时间的延长，入渗影响范围增加。这就表明，即使在没有裂缝、空洞或滑裂面的黄土地区，强降雨也可能诱发浅层滑坡。

2 降雨入渗数值模拟

边坡各土层物理力学指标如表2所示。

表2 中南通道各土层物理力学参数统计

根据边坡地质特征建立模型如图8所示，并综合考虑计算速度与精度的要求对模型进行网格划分。具体的有限元网格划分为三角形，整个模型有1 620个单元，900个节点，详见图9。

图8 边坡断面示意(单位:m)

图9 有限元网格划分

在给定初始水位线和水力学函数情况下，根据边界条件，计算出边坡初始状态的孔隙水压力和体积含水量分布。由图10可以看出，初始状态下，负孔隙水压力(基质吸力)最大值-604 kPa出现在坡顶，正孔隙水压力392.28 kPa出现在坡底，水压力大致沿地下水位线垂直方向从上往下递增，地下水位附近及往下出现渗流，渗流速度最大为4.34×10-7m/s。

图10 初始状态坡体孔隙水压力分布

由图11可以看出，初始状态下，坡体体积含水量和孔隙水压力基本对应，从上往下递增，但在地下水位线附近，梯度增加，等值线有起伏，与水位线不一致，坡顶体积含水量为1.59%，底部体积含水量为44%。

图11 初始状态坡体体积含水量分布

根据野外人工降雨资料，本次模拟雨型为中雨、大雨、暴雨，对应雨强为30、60、75 mm/d。研究边坡地表线按坡度可分为三段，坡度从上到下分别为9°、21°、47°。换算到坡面单位流量雨强见表3。

表3 坡面单位流量

由图12～图15可以看出:随降雨强度增加和降雨时间延长，坡体孔隙压力和含水量逐渐增加。降雨1 d时，由于坡体初始地下水线埋深大，地表土体较干，三种雨强对坡体水理性质改变不大，最大影响深度也只达到0.6 m。降雨10 d时，影响深度达到5 m，但没有出现饱和区。降雨100 d时，边坡土体水力性质发生质变，边坡表层都出现或大或小的暂态饱和区，当雨强为暴雨(75 mm/d)时形成了贯通稳定的潜水水位线，湿润锋更是下移到9 m左右。

图12 雨强30 mm/d不同降雨持时坡体孔隙水压力分布

图13 雨强60 mm/d不同降雨持时坡体孔隙水压力分布

图14 雨强75 mm/d不同降雨持时坡体孔隙水压力分布

图15 降雨100 d不同雨强坡体体积含水量分布

3 降雨作用下边坡稳定性分析

将上述不同降雨强度和降雨持时的SEEP/W计算结果导入SLOPE中，采用三种极限平衡法(Ordinary、Bishop、Janbu)对不同降雨工况下的边坡稳定性进行分析。

由图16可以得知，随降雨强度增大，降雨时间延长，边坡稳定性降低。降雨1 d时，安全系数下降0.003～0.01，基本对边坡稳定不产生影响。降雨100 d情况下，降雨强度为30 mm/d时，安全系数的降幅在0.074～0.098，降雨强度为60 mm/d时，安全系数的降幅在0.089～0.127，降雨强度为75 mm/d时，安全系数的降幅在0.118～0.159。降雨1 d时，安全系数基本不发生变化，降雨10 d时，安全系数下降速率加快，降雨100 d时，安全系数依然下降且未见平缓的趋势。由此可见，在无裂隙、无薄弱面工程地质条件下，持续降雨对黄土高边坡的稳定性依然存在影响。

图16 安全系数随降雨持时变化

4 结论

(1)降雨开始时，冲刷带走剖面大量松软土层，当进行到半小时后，入渗量超过泥沙冲蚀量，此时土压力和孔隙水压力上升，边坡负荷增加，抗剪强度减小，边坡进入危险状态。降雨结束后，雨水下渗继续进行，随后吸力恢复，孔压消散，边坡表层趋于稳定。

(2)边坡坡体孔隙水压力、含水量与降雨强度和降雨持时呈正相关关系。降雨强度越大，降雨时间越长，越不利于边坡稳定。

(3)根据晋中南线试验段铁路具体情况，黄土边坡防护宜采用孔窗式护墙与骨架护坡相结合的设计方案，既满足强度要求又绿化边坡，同时应加强排水措施，降低降雨入渗和冲刷对黄土边坡稳定性造成的危害。

［1］ 张宗祜，张之一，王芸生.中国黄土［M］.北京:地质出版社，1989.

［2］ 李喜安，黄润秋，彭建兵.黄土崩解性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009(5):3207-3213.

［3］ Brivois O，Bonelli S，Borghi R.Soil erosion in the boundary layer flow along a slope:a theoretical study［J］.European Journal of Mechanics(B/Fluids)，2007，26(6):707-719.

［4］ Fredlund D G，Xing A Q.Equations for soil-water characteristic curve［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31(4):521-532.

［5］ Huang M，Jia C.Strength reduction FEM in stability analysis of soil slopes subjected to transient unsaturated seepage［J］.Computer and Geotechnics，2009，36(1/2):93-101.

［6］ 付新平，丁勇.考虑基质吸力下的黄土边坡稳定性研究［J］.铁道标准设计，2011(5):21-25.

［7］ 刘子振，言志信，彭宁波，等.持续小强度降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的动态影响［J］.土木建筑与环境工程，2012(8):19-23.

［8］ 王念秦，张悼元.黄土滑坡灾害研究［M］.兰州:兰州大学出版社，2005.

［9］ 朱丽娟，王铁行，等.降雨对非饱和黄土边坡含水量变化规律分析［J］.地下空间与工程学报，2009，5(1):95-99.

［10］郑颖人，王恭先，陈祖煜，等.边坡与滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［11］王振文.黄土深路堑边坡稳定性分析及边坡坡型的合理设计［J］.铁道标准设计，2013(4):17-19.

［12］ Tu X B，Kwong A K L，Dai F C，et al.Field monitoring of rainfall infiltration in a loess slope and analysis of failure mechanism of rainfall-induced landslides［J］.Engineering Geology，2009，105:134-150.

［13］ Wang Gonghua，KyojiSassa.Pore-pressure generation and movement of rain-fall-induced landslide:effects of grain size and fine-particle content［J］.Engineering Geology，2003，69:109-125.