前期降雨及雨型对土质高边坡稳定性影响分析

王小龙

（神河高速公路管理处，山西 忻州 034000）

0 引言

随着我国交通基础建设逐步向山区推进，山岭地带不可避免出现大量的高陡边坡，当雨季降雨频繁入渗，会导致边坡失稳诱发滑坡等地质灾害[1]。据调查统计，日本每年因降雨入渗导致边坡失稳破坏多达上万个，美国由于滑坡地质灾害年平均损失超过10亿美元，而我国边坡灾害造成的损失也非常巨大[2-3]。降雨入渗会引起边坡的表层含水量及地下水位逐渐上升，导致基质吸力和土体抗剪强度降低，造成边坡失稳诱发滑坡[4]。

近年来，国内外学者针对边坡稳定性展开了大量研究[5-7],但研究方向大多为内在要素，如岩土体的类型和性质、边坡形态、地质构造和地形地貌、地下水等。而对于边坡稳定性的外部因素研究相对较少。基于此，本文采用有限元分析方法，针对不同雨型及前期降雨情形下土质高边坡进行稳定性研究，分析结果对土质高边坡的稳定性控制及防护提供理论依据。

1 计算步骤及模型

使用Geo-Studio有限元软件进行数值分析，其中边坡稳定性和地下水渗流分别通过Slope/w、Seep/w模块实现。试验过程基于有限元计算法，采用Seep/w对降雨入渗影响下的边坡进行二维非饱和渗流分析，并且基于极限平衡法，运用Slope/w软件对边坡的稳定性能展开详细分析，具体试验步骤如下：

a）输入非饱和土相关公式、参数；

b）设定降雨因素，运用Seep/w软件进行渗流分析；

c）计算边坡的孔隙水压力；

d）输入边坡几何特征、土壤特性、降雨时间及雨型等参数；

e）边坡安全系数分析。

1.1 模型建立

运用Geo-studio有限元软件建立边坡计算模型，边坡模型及其网格划分大致如图1所示，其中实线条表示边坡内地下水位，虚线条表示AB截面，整个模型中共1 068个结点，996个单元。边坡模型中各项参数如表1所示。

图1 网格划分示意图

表1 边坡模型参数

1.2 材料参数

在边坡渗流分析过程中，需在Seep/w软件中设置渗透系数函数曲线与土水特征曲线两个参数。根据张雪东[8]试验可知，土水特征曲线可通过体积压力板确定，本次试验采用的土水曲线如图2所示。边坡稳定分析过程中的各项材料参数如表2所示。另外，由于边坡类型属于非饱和土质高边坡，其土壤中存在随含水量增减而变化的剪力强度，故试验中需设置一个随基质吸力Ua-Uw变化引起的内摩擦角φ。

表2 各材料参数

图2 土水特征曲线

1.3 边界条件

边坡中左右两侧的地下水位分别为6 m、12 m，因此地下水位以下区域拟定为定水头的边界条件，而以上区域设置为零流量边界；对于边坡的坡面、坡脚以及坡顶的表面区域，由于不存在水流的流入和输出，即水流量为零，故边界条件拟定为定流量；坡底区域设为不透水边界，其水流量也是为零，故边界条件与边坡的坡面、坡脚以及坡顶的表面区域一致。上述设定的边界条件均为初始状态下边坡地下水水头的分布情况，具体如图3所示，在此基础上针对边坡的稳定性进行暂态模拟。

图3 地下水压力水头初始分布图

1.4 降雨条件

前期降雨通常指边坡滑动前的累计降雨量，其对后续降雨过程中边坡的初始压力水头分布有明显影响。为探讨前期降雨对土质高边坡稳定性的影响，分别考虑了渗透系数为 ks=1×10-1cm/s、ks=1×10-3cm/s的边坡，拟定15 d的前期降雨量200 mm、350 mm，第16天后续降雨量100 mm两种情形，针对不同前期降雨因素对土质高边坡稳定性展开详细分析。

降雨雨型一般指雨强随降雨持时的变化过程，本文拟定6种不同的降雨雨型，具体情况如表3所示，其中各雨型降雨总量均设为1 200 mm，雨强峰值设为48 mm/h。边坡内饱和渗透系数取为ks=1.5×10-3cm/s，降雨时间设为48 h，对不同雨型条件下的边坡稳定性进行探讨。

表3 降雨雨型示意图

2 边坡稳定性分析

2.1 前期降雨

通过对不同前期降雨条件下的边坡稳定性进行数值分析，获得边坡安全系数随降雨历时的变化规律如图4所示。

图4 不同前期降雨的安全系数变化曲线

由图4a可知，当边坡的饱和渗透系数为ks=1×10-1cm/s时，15 d前期降雨量200 mm、350 mm两者的安全系数均在降雨初期就呈下降变化，其中前期降雨量200 mm在降雨历时第9天后，边坡的安全系数随降雨历时逐渐降低，且在第16天后续降雨量100 mm的增持下，边坡的安全系数降幅进一步增大；而前期降雨量350 mm在降雨历时第5天后，边坡安全系数就存在大幅度的减小，但在降雨10～15 d时段内，边坡的安全系数保持平稳状态，直至第16天后续降雨量100 mm作用下，安全系数再次出现下降趋势。

根据图4b可知，当边坡的饱和渗透系数为ks=1×10-3cm/s时，边坡的安全系数在15 d前期降雨量200 mm作用下并未发生明显变化，整个前期降雨过程表现为平稳状态，但在第16天后续降雨量100 mm增持后，边坡的安全系数才开始出现明显下降。而在15 d前期降雨量350 mm作用下，边坡安全系数在降雨历时第10天后出现大幅度减小趋势，且维持至模拟时间结束，而第16天后续降雨100 mm增持下，边坡的安全系数降幅无显著变化。

根据上述分析可知，边坡的安全系数仅在前期降雨量达到某一定值时才开始逐渐减小，如在15 d前期降雨量为350 mm、渗透系数为ks=1×10-3cm/s条件下，降雨量平均为23.33 mm/d，当降雨持续到第10天，即降雨量已累计到233 mm时，边坡的安全系数开始逐渐降低；当15 d前期降雨量为200 mm时，因降雨前期的累计雨量没有达到233 mm，所以边坡的安全系数在降雨前期表现较为平缓。

在15 d前期降雨量为200 mm、渗透系数为ks=1×10-1cm/s条件下，降雨量平均为13.33 mm/d，因边坡中土壤的渗透性较高，当降雨量达120 mm时，边坡的安全系数就出现明显下降趋势，故在此情况下降雨持续到第9天后，安全系数便出现大幅降低；当15 d前期降雨量为350 mm时，累计降雨量在降雨历时5 d后就达到120 mm，边坡的安全系数也出现了明显降低趋势，但降雨历时达到10 d后，边坡的安全系数逐渐趋于平稳，此时降雨量已达233 mm左右，而当降雨历时达16 d后，安全系数在后续降雨量100 mm的影响下进一步出现降低。综合上述分析可知，该类边坡的安全系数在前期降雨量达到某一定强度时会出现大幅降低，其可视作影响边坡安全系数的临界值。

2.2 降雨雨型

通过对不同雨型条件下的边坡稳定性进行数值分析，获得边坡安全系数随降雨历时的变化规律如图5所示。由图5可知，在1/4前峰雨型条件下，边坡的安全系数前期表现较为平稳，但降雨历时达25 h后安全系数开始逐渐下降，在模拟结束时边坡的安全系数下降9.7%左右；而前峰雨型条件下，边坡的安全系数在降雨历时达26 h后才出现明显的下降趋势，其整体降幅约为10%。对于双峰雨型和中峰雨型而言，其安全系数出现明显下降的时间分别为第32小时、第27小时，模拟结束后两者的安全系数降幅分别为11.5%、12%。3/4后峰雨型条件下的安全系数在降雨历时达33 h后才开始明显下降，其安全系数降幅约为15%；而后峰雨型情况下的安全系数稍晚于3/4后峰雨型，其安全系数约比后者晚1 h，在模拟结束后边坡的安全系数下降17%左右。

图5 不同雨型的安全系数变化曲线

根据上述分析可知，不同雨型条件下的安全系数降低先后顺序依次为：1/4前峰雨型、前峰雨型、中峰雨型、双峰雨型、3/4后峰雨型、后峰雨型。其中1/4前峰雨型和前峰雨型的安全系数最先下降，且两者的降幅为所有雨型中最小的，这是由于此类雨型的峰值雨强出现较早，使得边坡内含水量迅速增多，导致后续降雨过程中大部分雨水无法渗入坡内，形成地表径流而流走；前峰雨型和中峰雨型的安全系数开始降低时间为所有雨型的中间位置，且两者的降幅也处于全部雨型中间，中峰雨型的安全系数降幅稍低于双峰雨型，说明在等降雨量条件下，雨强峰值出现越频繁，边坡的稳定性越好；3/4后峰和后峰雨型的安全系数是所有雨型中最晚开始下降的，但其降幅最为明显，其原因是降雨早期的雨强较小，坡内的含水量没有达到饱和，当后续降雨过程中雨强增至峰值时，雨水仍可渗入边坡，故等降雨量条件下，后峰雨型对边坡稳定性的影响较其他雨型更为明显。

3 结论

a）边坡的安全系数在前期降雨量达到某一定强度时会大幅降低；渗透系数越低，边坡受前期降雨的影响越不明显；前期降雨能够使边坡提前进入接近失稳的状态，当后续较大雨强的降雨作用时易引起边坡发生失稳破坏。

b）不同雨型条件下的安全系数降低先后顺序依次为：1/4前峰雨型、前峰雨型、中峰雨型、双峰雨型、3/4后峰雨型、后峰雨型，雨型的雨强峰值出现时间越前，边坡的安全系数开始下落的时间越早，而雨强峰值出现的时间越后，边坡的安全系数开始下落时间越晚，且其降低幅度越为明显，即雨强峰值出现时间越晚对边坡的稳定性越不利。