降雨入渗条件下非饱和黄土边坡稳定性分析

侯鹏飞

（山西交通控股集团有限公司 运城南高速公路分公司，山西 运城 044000）

引言

作为全球三大自然灾害之一，滑坡对社会造成的危害仅次于地震，它阻碍交通、摧毁建筑物以及威胁人民的生命财产安全。降雨对边坡岩土体参数的影响，主要体现在岩土体重度增大、岩土体材料抗剪强度参数的降低、边坡应力状态的变化、坡面及坡体的渗流产生动水压力等。在我国西北地区，黄土边坡大量存在，黄土因具有十分复杂的土水特征及工程特性，其稳定性问题需引起关注。许多学者也已经对降雨对边坡稳定性的影响展开了研究[1-3]，但研究重心主要集中在南方多雨条件下的黏土质边坡，且现有边坡设计一般是基于饱和土理论，因此对于非饱和状态下的黄土边坡在降雨入渗条件下的稳定性研究还有待进一步开展。

现阶段对于边坡稳定性分析的专业分析软件非常多[4-6]，有从1977年投入市场Gro-Studio系列软件，发展至今已成一整套完整的岩土工程模拟计算软件，其中包括SEEP/W（地下渗流分析模块）在内9个专业模块，SEEP/W模块、SLOPE/W模块在边坡工程的计算分析应用广泛，有基于有限元的ANASYS、ABAQUS，基于离散法的PFC、基于有限差分法的FLAC，同样还有在计算分析中最常见的Midas/GTS有限元分析软件，它既可以进行考虑最终稳定状态或者考虑时间效果的渗流分析，也可以将渗流分析得到的孔隙水压力与应力耦合进行有效应力分析。

1 工程概况

边坡土体调查取样分析渗透参数为4.2×10-4cm/s，为非饱和土体，容重为21 kN/m3，饱和容重为23 kN/m3。通过直剪试验测得土体的黏聚力及内摩擦角，力学参数见表1。

表1 黄土力学参数

分析降雨条件时不仅要考虑平均降雨量且应考虑短期强降雨的影响，根据我国降雨强度等级的划分标准[7]以及当地历年的降雨情况，分析不同的降雨强度时将工况分为小雨、中雨、大雨、暴雨4种工况，降雨量参数取值及征象特征见表2。

表2 降雨参数（mm/d）

2 有限元模型建立

采用摩尔库伦模型，选择Midas/GTS软件中的渗流分析模块及边坡稳定性分析模块（SRM）对该边坡进行模拟分析。边坡土体为非饱和黄土，土体匀质各向同性。边坡高为16 m，只存在一级边坡，高10 m，坡比为11.5。初始水头荷载：左侧边界施加初始水头H=10 m，右侧边界施加初始水头H=4 m，模型尺寸见图1。模型网格模型见图2，网格划分采取线性梯度与等分形式相结合方式，图2中的作用在边坡坡面的荷载为降雨荷载。

图1 建模尺寸

图2 边坡模型网格

3 结果分析

3.1 不同降雨强度下的边坡变形特性分析

降雨对边坡的破坏主要体现在雨水顺裂缝或裂隙入渗对边坡内部受水化作用显著部位的力学强度进行削弱，从而导致岩体失稳。因此对不同降雨强度下的边坡变形特征展开分析，可为边坡防治提供理论参考。采用有限元强度折减法，得到不同降雨强度下边坡等效塑性变形及位移见图3～图4。

图3 不同降雨强度下持续6 h边坡等效塑性区云图

分析图3可以看出，随着降雨强度的不断变化，边坡的等效塑性区分布范围同样发生了变化。在降雨持续时间为6 h前提下，随着降雨强度不断增大，边坡等效塑性区面积在不断增大，且不断向坡脚处延伸。在小雨（5 mm/d）持续降雨6 h后，边坡最大塑性应变值为0.36；在中雨（15 mm/d）持续降雨6 h后，边坡最大塑性应变值变为0.67；大雨（35 mm/d）持续降雨6 h后，边坡最大塑性应变值为0.74；暴雨（75 mm/d）边坡的最大塑性应变值为0.86。可以发现随着降雨强度的增大，边坡最大塑性应变值也随之增大。

图4 不同降雨强度下持续6 h边坡水平位移云图

分析图4可以看出，随着降雨强度的增加，边坡发生水平位移区域面积也发生扩大，且在小雨（5 mm/d）持续降雨6 h后，边坡的最大水平位移值仅为7.57 mm，随着降雨强度为中雨（15 mm/d）、大雨（35 mm/d）、暴雨（75 mm/d）持续降雨6 h，边坡最大水平位移值分别增至13.68 mm、17.42 mm、20.83 mm，最大位移值均位于坡脚处。

3.2 不同降雨强度下边坡水渗特性分析

因边坡在水作用下发生失稳，在降雨过程中或者降雨后，因为雨水在渗入破坏面过程与降雨量大小以及岩土渗透性相关，因此降雨对边坡稳定性影响具有时效性。不同强度降雨下边坡稳定性，持续降雨6 h后边坡岩体孔隙水压力见图5。

图5 不同降雨强度下持续6 h边坡孔隙水压力分布

分析图5可知：在边坡初始孔隙水压力分布与边坡左右两侧初始水头高度相关，与初始水位线趋势基本一致。且初始水位线以上孔隙水压力值均为负值，水位线以下孔隙水压力均为正值。降雨后随降雨强度逐渐增大，边坡渗流场也随之发生变化。空隙水压力等值线分布随降雨强度增加呈现较明显的变化，这是因为随着降雨入渗至坡面，受到自身重力作用，雨水沿着坡面向坡脚以及坡体内部渗流，孔隙水压力等值线出现不断下移情况。由图5（a）可以看出，随着降雨强度增大，坡脚处积水不断增加，孔隙水压力变化最为明显。初始状态下坡脚处孔隙水压力值为13.42 kPa，随着降雨强度为小雨（5 mm/d）、中雨（15 mm/d）、大雨（35 mm/d）、暴雨（75 mm/d）持续降雨6 h后，坡脚处的孔隙水压力值分别变为16.70 kPa、18.21 kPa、19.61 kPa、19.62 kPa。分析发现该土体的渗透参数为4.2×10-4cm/s，在暴雨条件下，由于降雨强度大于土体的渗流系数，使得坡面形成暂态饱和，当土体在未达到饱和状态时，降雨强度越大坡脚处孔隙水压力越大，但随着土体达到饱和状态，坡脚处的孔隙水压力值和基本不变，认为此时裂隙水对边坡的作用基本稳定。

分析图5（f）不同降雨强度下边坡安全系数变化曲线可以发现，初始状态下该边坡安全系数为1.37，边坡此时处于稳定状态。随着降雨强度的增大，边坡表面土体体积含水率逐渐加大，边坡土体的整体抗剪能力降低，边坡安全系数在逐渐降低，小雨（5 mm/d）持续降雨6 h后安全系数降为1.33；在降雨强度从大雨（35 mm/d）增至暴雨（75 mm/d）时，边坡安全系数从1.12减小为1.08，减小幅度较小。是因为坡面形成暂态饱和，但此时安全系数接近边坡临界稳定状态时的安全系数，降雨强度或者降雨持续时间的进一步加大，边坡都有发生失稳的危险。因此需考虑降雨入渗条件对该边坡的稳定性影响，对受降雨影响最大的边坡坡脚处设置排水管等措施能够有效促进积水的排出。

4 结语

（1）在降雨持续时间为6 h的前提下，随着降雨强度的不断增大，边坡等效塑性应变值及位移值也不断增大，最大塑性应变为0.86，最大位移为20.83 mm，均位于边坡坡脚处。（2）随着降雨强度的不断增大，孔隙水压力等值线出现不断下移，坡脚处因积水明显孔隙水压力不断增大，坡脚处孔隙水压力最大值为19.62 kPa。（3）边坡安全系数随着降雨强度的不断增大逐渐降低；边坡安全系数最小为1.08，接近边坡临界稳定状态，因此需考虑降雨入渗条件对该边坡的稳定性影响，对受降雨影响最大的边坡坡脚处设置排水管以促进积水排出。