短时强降雨对镇江下蜀土边坡稳定性的影响分析

2021-07-09刘顺青

水科学与工程技术 2021年3期

王威，姜啸，崔雨，刘顺青

（1. 江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏镇江 212001；2.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212005）

镇江地处江苏西南部，位于江南平原与丘陵山地之间的过渡地带，大地构造方面处于下扬子台缘宁镇断褶隆东段，地层自震旦系至第四系均有分布，其中第四系下蜀黄土的覆盖面积占全市陆地总面积的1/2左右［1］。每年雨季，镇江地区是江苏省内滑坡发生最频繁的地区，严重影响了滑坡周边居民、工厂职工及游客的生命财产安全，这与镇江地区广泛分布的下蜀土边坡密切相关［2，3］。这些滑坡发生的外部因素主要为短时强降雨或长历时降雨，目前为止，还缺少短时强降雨对镇江下蜀土边坡稳定性方面的系统性研究。

本文基于镇江地区的降雨特征，采用Midas GTS NX建立下蜀土边坡的数值分析模型，分别分析短时强降雨入渗时间及坡度对镇江下蜀土边坡稳定性的影响。研究结果对镇江地区下蜀土边坡的设计及养护治理具有重要意义。

1 镇江地区的降雨特征分析

统计结果表明，镇江地区的下蜀土滑坡跟该地区的降雨量及降雨持续时间之间存在着非常明显相关关系，这一关系通常可采用降雨阈值这一指标来表征，降雨阈值通常是指诱发滑坡的临界降雨量。

针对降雨阈值的研究目前主要有两种方法，第一为理论分析法，通过数值模拟，结合降雨入渗及边坡失稳机制方面研究，分析得到的降雨阈值［4］；第二为经验法，通过对某一地区大量滑坡事件与降雨数据相关关系的宏观统计，分析得到的经验性降雨阈值。由经验性法得到的降雨阈值不需要严谨的物理数学方法推导，数据相对容易收集，准确性比较大。

本文采用燕晓莹等［5］基于镇江地区降雨诱发滑坡的数据统计结果建立的阈值表达式，具体的公式如下：

式中 I为降雨强度（mm/h）；D为降雨持续时间（h），取值范围为1h≤D≤500h。

2 下蜀土边坡数值模型的建立

本文采用有限元程序Midas GTS NX建立下蜀土边坡的数值分析模型，下蜀土边坡的高度为10m，因模型尺寸对计算结果有一定影响［6，7］，取坡脚到左侧边界的距离为15m，坡顶到右侧边界距离为15m，坡脚向下边界延伸一个1.5倍的坡高。下蜀土边坡的数值分析模型如图1。

图1 下蜀土边坡的数值模型分析

下蜀土边坡稳定性计算时本构模型采用摩尔-库伦模型，具体的计算参数分别如表1、表2。

表1 下蜀土边坡的计算参数

表2 下蜀土非饱和渗透性函数

表3 下蜀土非饱和含水率函数

3 短时强降雨入渗对下蜀土边坡稳定性的影响分析

为分析短时强降雨入渗对镇江下蜀土边坡稳定性的影响，根据镇江地区的降雨阈值表达式，选取降雨强度为29.5mm/h，边坡坡度为30°，分别分析降雨1，2，3，4，5，6，7，8h对镇江下蜀土边坡稳定性的影响，计算结果如图2。

图2 不同强降雨历时下镇江下蜀土边坡的安全系数

从图2可看出，短时强降雨作用对镇江下蜀土边坡的稳定性影响较大，边坡安全系数降低约29.3%。但随着强降雨时间的继续增大，镇江下蜀土边坡的安全系数变化较小，主要原因是随着强降雨时间的增加，坡体表面的下蜀土逐渐由非饱和变为饱和状态，且因强降雨强度大于下蜀土的入渗容量，随着坡体表面土体的饱和部分降雨并不入渗，而是以坡面径流的方式呈现，坡体入渗率在降雨达到入渗容量后，将逐步下降，因此对边坡的安全系数影响较小。

限于文章篇幅，分别选取强降雨入渗1 h和8 h后镇江下蜀土边坡的孔隙水压力，如图3。

图3 不同强降雨历时下镇江下蜀土边坡的孔隙水压力

从图3可看出，强降雨在入渗下蜀土边坡1 h和8 h后的坡体孔隙水压力变化较小。

4 相同强降雨类型不同坡度对下蜀土边坡稳定性的影响分析

为分析相同强降雨类型边坡坡度不同对镇江下蜀土边坡稳定性的影响，选取降雨强度为29.5mm/h，降雨历时分别为1，2，3，4，5，6，7，8h，分析坡度分别为20°，30°，40°对镇江下蜀土边坡稳定性的影响，计算结果如图4。从图4可看出，短时强降雨作用对不同坡度的镇江下蜀土边坡稳定性的影响都较大，坡度为20°，30°，40°的下蜀土边坡，安全系数分别降低约32.7%，29.3%，26.7%，相对而言，边坡安全系数的降低程度随着坡度的增大逐渐减小。随着强降雨时间的继续增大，不同坡度的镇江下蜀土边坡安全系数的变化都较小。