连续强降雨对边坡稳定性影响分析

郝付军　武电坤（陕西铁路工程职业技术学院；中交第二公路勘察设计研究院有限公司）



连续强降雨对边坡稳定性影响分析

郝付军1武电坤2
（1陕西铁路工程职业技术学院；2中交第二公路勘察设计研究院有限公司）

【摘要】降雨是诱发边坡破坏的重要因素之一，在连续强降雨作用下，降雨入渗导致边坡的孔隙水压力及基质吸力的减小，地下水位线的抬升，水与边坡结构的相互作用，会对边坡的稳定性产生不利影响。基于边坡分析的饱和—非饱和理论和边坡稳定性理论，运用Geo-studio软件模拟了3d时间内连续强降雨300mm情况下湖北武汉某隧道出口处边坡孔隙水压力和安全系数的变化特征，预测了边坡的稳定性变化情况。强降雨引起边坡的剪切力强度减小，导致边坡的安全系数降低，应采取防护和加固措施避免强降雨引起边坡发生破坏。

【关键词】连续强降雨；边坡；饱和-非饱和理论；稳定性分析；数值模拟

1　引言

近年来，边坡的稳定性评价渐渐地成为了岩土工程研究的基本问题之一，尤其是在众多边坡失稳等自然灾害的发生之后，其得到了广泛的关注，目前边坡稳定性分析已成为岩土工程中重要的研究方向［1-3］。边坡失稳不仅给人民的安居乐业造成了极大的威胁，而且增加工程单位的建设费用和国家的投入。降雨是造成边坡破坏的一个重要因素［4］，我国幅员辽阔，各类边坡众多，连续强降雨产生的边坡破坏数量大、破坏严重。研究强降雨作用下边坡的破坏规律和防治措施是非常有必要的。当前研究降雨对边坡稳定性的影响主要理论依据是饱和-非饱和土理论、边坡稳定性理论。本文运用Geo-studio模拟了连续强降雨作用下边坡的降雨入渗规律和稳定性分析，探讨其规律，查找治理和防护措施，为预防此类条件下边坡失稳提供科学的预防措施。

2　边坡稳定性分析理论

边坡处于饱和-非饱和状态时，在地下水位线以上存在着负孔隙水压力即基质吸力，降雨作用会改变地下水位线和基质吸力，从而影响坡边坡的抗剪强度。考虑到基质吸力对土体的抗剪强度及滑坡的安全系数有很大的影响，Fredlund［4］提出了基于饱和-非饱和状态下的Mohr-Coulomb准则，给出了剪应力τ和抗剪强度τf的表达公式：

根据极限平衡原理，根据以上三式可得到滑坡的安全系数公式：

用条分法分析时考虑力的平衡可以得到滑坡的安全系数计算公式为：

式中：

β——条块基地的长度；

α——条块底边切线与水平方向的夹角；

N——条块底部的法向离；

kW——条块形心上受到的水平地震荷载；

D——线荷载；

ω——线荷载与水平方向的夹角；

A——外部施加的水压力。

3　工程应用分析

3.1边坡地质状况

湖北省武汉市某隧道的出口处为一边坡，边坡的左边界最高点的高程是39.5m，右边界最高点的高程是30.75m，边坡的地宽是20.4m，边坡总体较陡。边坡地质情况见图1。

图1　边坡地质剖面图

由图1可知，边坡主要存在两层土体，上层为含碎石粉质粘土，下层为红粘土。上层土体的最大埋深是14.0m，主要分布在边坡的后壁，前缘分布较少，下层土体埋深较深，厚度较小，厚度都在3.0m左右。由于上层是含碎石的粉质粘土，所以其孔隙率比较大，方便雨水的入渗，为强降雨的条件下边坡的破坏埋下隐患，图中蓝线表示地下水位线的分布情况。

湖北省武汉市属亚热带大陆性季风气候，具有四季分明、气候温和、雨量充沛的气候特征。冬夏温差大，历年7月份气温最高，平均气温为28.8℃～31.4℃，极端最高气温41.3℃（1934.8.10），历年最低气温为1月，平均为2.6℃～4.6℃，极端最低气温-18.1℃（1977年11月30日）。每年7、8、9月为高温期，12月至翌年2月为低温期，并有霜冻和降雪发生。

本区域雨量充沛，气候湿润，多年平均降雨量1261.2mm，降雨一般集中在6～8月，约占全年降雨量的41%。最大年降雨量2107.1mm，最大日降雨量317.4mm （1959.6.9），平均器皿蒸发量为1447.9mm，绝对湿度年平均为16.4毫巴，湿度系数为0.90，大气影响急剧深度为1.35m。

3.2数值模型分析

3.2.1数值计算模型

通过分析边坡情况和研究需要，在Geo-studio中建立边坡模型，如图2所示，本边坡模型共计1158个节点，1110个单元。

3.2.2边界条件

为了真实的表现边坡内部地下水位的情况，模型的地下水位线，采取多点分段的方法，左边界总水头设置为0.4m，坡体内部内部点的总水头分别为5.6m，右边界的总水头为6.2m，如图2红虚线所示。

由于两层土体都存在非饱和状态，所以两层土体都设置为饱和-非饱和状态。水位线以上左右边界设置为自由流动面。滑坡表面设置为随降雨入渗变化的流量边界条件来表现真实的降雨情况。

3.2.3降雨量和降雨时间

查询武汉市的降雨条件可知最大的短期降雨量在300mm以上，为了真实地反映边坡的稳定性，采取降雨3d共300mm的强降雨作为模拟计算的降雨时间和降雨量。

图2　边坡模型

3.3降雨入渗分析

由地质剖面图可知，两层土体都有非饱和区域，通过室内试验测得两层土体的饱和渗透系数和饱和含水率如表1所示，调用seep模块中自带土水特征曲线模拟土体的土水特征曲线。

表1　土体的饱和渗透系数和饱和含水率

3.3.1孔隙水压力变化情况

在3d的降雨过程中，土体中孔隙水压力变化情况如图3所示。

从图3可以的得知，在3d的强降雨作用下边坡的孔隙水压力有所下降，并且在坡体的表面存在一定量的积水。在0～1d坡体的浸湿线推移比较快，同时坡体的孔隙水压力变化也比较大；在1d～3d坡体的表面形成了饱和区并且随时间的推移饱和区的面积越来越大，尤其是在坡角处积水较多，坡体内的孔隙水压力变化速度减慢。

产生这个原因主要是在降雨前期土体比较干燥，降雨可以快速入渗所以土体的孔隙水压力变化很明显，但是由于上层土体的入渗速率比较小，所以后期降雨入渗变慢同时会在坡体表面产生饱和区，在重力的作用下饱和区会向边坡的坡角移动。所以为了防止随坡体中积水的增加土体的重度增加，导致边坡的下滑力增大，在边坡治理和预防滑坡时必须设置排水沟将坡体表面的积水及时的排出。

图3　边坡在0d、0.5d、1d、1.5d、2d、3d时刻孔隙水压力分布情况

3.3.2地下水位线变化情况

为了准确的反应地下水位线的变化情况，选取地下水位线变化最明显的744点的孔隙水压力的变化来从数据上反映地下水位线的抬升如图4所示：

图4　744点孔隙水压力-时间的曲线关系

从图4可以得到，经过3d天强降雨作用，744点孔隙水压力变化了3.2kp，转化为水头为0.317m水头，地下水位线的抬升还是很明显的，从而也影响了坡体内部负孔隙水压力即基质吸力的变化情况。

4　滑坡稳定性分析

采取采用Geo-studio的seep得到孔隙水压力值导入到slope中计算边坡的稳定性安全系数Fs。通过室内试验可以得到各土层的物理力学参数［5］如表2所示：

表2　边坡稳定性分析的抗剪强度参数

经历3d共300mm的强降雨作用下，边坡的稳定性安全系数如表3所示：

表3　各种计算法下稳定性安全系数

从表中的安全系数可以得到，无论采用当前常用边坡分析的那种方法，此边坡的稳定性系数降低值都在0.2左右，并且从稳定状态（大于1）变为不稳定状态（小于1），所以必须采取治理措施才能保证边坡的稳定性。

5　结论及建议

本文以武汉某隧道出口边坡为工程实例，在边坡的基本勘察报告的基础之上，通过运用数值模拟的方法得到在连续强降雨的作用下边坡的孔隙水压力变化，并采用多种方法计算了边坡的稳定系数，表明边坡有可能发生失稳，并得到了以下结论：

⑴在连续强降雨作用下边坡的孔隙水压力会发生变化，但是随着时间的增长由于土体的入渗速率有限导致后期的变化变缓，从而也导致了边坡的变面会产生积水在坡体中产生饱和区增加了土体的重度不利于边坡的稳定；

⑵连续的强降雨也会导致地下水位线的抬升影响负孔隙水压力即基质吸力的减少，导致边坡的抗剪强度降低从而降低边坡的稳定性；

⑶在边坡的治理时尤其是在降雨比较充足的地区必须考虑到降雨对边坡的影响，为了保证边坡的稳定性，建议可以采取坡面安置排水沟及时排出表面的积水避免在坡体中形成饱和区增加土体的重度，同时可以也可以在坡体中打锚索增加其抗剪强度和在坡体表面喷射混凝土阻止雨水的渗入影响边坡的稳定性。●

【参考文献】

［1］秦凯旭，冯文凯，郎秋玲.Geo-Slope软件在某滑坡稳定性计算中的应用［J］.灾害学，2007，22（2）：21-24.

［2］刘奉银，刘国栋，张瑞，等.Geo-Slope在工程应用中竖向边界选取问题的讨论［J］.长江科学院报，2010，（7）：76-78.

［3］李显燕.基于Geo-Slope软件对某高边坡的稳定性分析与评价［J］.工程地质计算机应用，2010，（1）：24-27.

［4］Fredlund D G，Rahard J O.Soil Mechanics for Unsaturated Soils［M］.New York：John Wiley&Sons，INC.1993.

［5］田洪宁，牛彦博，罗刚.滑坡稳定性分析中Geo-studio软件的应用［J］.科技创新导报，2012，（16）：32-33.

［6］郑涛，张玉灯，毛新生.基于Geo-Slope软件的土质边坡稳定性分析［J］.水利与建筑工程学报，2008，6（1）：6-8.

［7］屈建军，李建林，王乐华.GEO-Slope软件在边坡稳定性分析中的应用［J］.人民长江，2009，40（15）：39-40.

［8］李玉起，黄志，王凤群.GeoStudio软件在堤防边坡稳定计算中的应用［J］.东北水利水电，2007，25（271）：3-5.