不同降雨条件下堆积体边坡响应规律与失稳力学机制分析

刘明扬，武 哲，付晓东，黄珏皓，张振平，4

（1.中建国际投资（湖北）有限公司，武汉 430071；2.中国建筑国际集团有限公司，香港 999077；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；4.中国科学院大学，北京 100049）

随着中国西南地区水电、交通等基础建设项目的开展和推进，边坡工程的安全性问题成为相关行业的重点关注问题，滑坡地质灾害的防治更是工程建设面临的重大问题。降雨诱发堆积体边坡地质灾害是该地区最为常见的地质灾害之一，对人民生命和财产安全造成巨大威胁。因此，对降雨作用下堆积体边坡失稳力学机制开展深入研究具有重要的工程意义。

近年来，已有很多学者围绕降雨过程中边坡的稳定性变化规律开展了相关研究。张忠传等［1］以云南省某矿山边坡为研究对象，利用Hoek-Brown 准则得到岩体力学参数，借助数值模拟对降雨和地震荷载作用下边坡的塑性区分布和稳定性进行分析。王志鹏等［2］利用Geostudio 软件重点研究了渗流和降雨入渗双重作用下开挖边坡的变形机理，并提出了相应的开挖优化方案。肖宇月等［3］开展了降雨条件下含软弱夹层的软岩边坡稳定性分析，并提出降雨对软岩边坡稳定性的劣化影响主要由内部水岩作用产生的岩体软化所导致的。刘礼领等［4］、吴火珍等［5］运用Geostudio 软件对降雨作用下滑坡的响应过程进行了研究。

现有研究集中于降雨过程中边坡安全系数和塑性区的变化规律，对坡体内部渗流场和应力场的耦合作用分析较少［6-7］。此外，不同降雨类型作用下边坡内部渗流场的响应规律也并未引起研究人员的广泛关注。因此，本文以云南小勐养-磨憨（“小磨”）公路沿线典型堆积体边坡为研究对象，利用饱和-非饱和渗流理论，借助Geostudio 软件开展不同降雨条件下边坡的稳定性分析；以坡体内部设定监控点的孔隙水压力和含水率变化反映边坡渗流场变化，基于应力-渗流耦合理论分析边坡临界滑移面安全系数的变化规律，以期为该地区堆积体边坡在降雨作用下的稳定性评价提供理论参考。

1 基于非饱和土强度理论的应力-渗流耦合分析

Mohr-Coulomb 准则是表达土体材料强度规律的经典理论。随着非饱和土力学的发展，在传统Mohr-Coulomb 准则的基础上引入了基质吸力的概念，得到了非饱和土抗剪强度准则。

式中：c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；uw为孔隙水压力；ua为孔隙气压力；χ为与土类别和饱和度有关的参数。

由于χ的物理意义并不明确并且较难确定。因此Fredlund 等［8］提出以正应力与吸力作为变量的非饱和土抗剪强度公式。本文进行降雨数值模拟时采用的就是该理论。

式中，tanφb为抗剪强度随吸力（ua-uw）增加而增加的速率。

在降雨入渗的过程中，渗流场与应力场存在互相扰动的过程。降雨对应力场的影响体现在导致岩土体有效应力降低，土体骨架发生膨胀，颗粒间孔隙体积发生改变；在应力场改变的基础上，雨水渗流路径发生改变，宏观表现为材料渗透系数发生改变，对渗流场造成影响。因此，对降雨过程中边坡内部应力-渗流耦合效应进行分析是得到边坡失稳规律的重要内容。

基于非饱和土强度理论的应力-渗流耦合分析具体采用Geostudio 软件开展，即借助软件的SEEP/W 模块和SIGMA 模块对含水率变化条件下材料的体积变化进行求解：先采用SEEP/W 模块对降雨入渗过程中坡体内部的孔压分布情况进行求解；再将得到的孔压代入到SIGMA 模块中作为边界和初始水压条件，进而得到考虑降雨条件下边坡的体积变化规律。这种流固耦合计算方式得到的计算结果较为准确，并且大大降低计算成本。

2 典型堆积体边坡模型与分析工况

2.1 分析模型

以小磨公路K100+065～+300 的堆积体边坡为研究对象。该边坡在即将挖至路槽标高时发生了滑坡，在K100+100 坡口线以外发现了张拉裂缝。根据地质勘测资料和钻孔结果，坡体由地表向深部材料依次为粉质黏土、强风化砂砾岩、软化泥质粉砂岩及基岩，其中强风化砂砾岩内部呈碎块及碎石土状。滑体主要为全-强风化泥岩，上覆少量粉质黏土；粉质黏土为褐红色，可塑状；滑体泥岩为全-强风化，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状、碎石土状。以地质勘测报告为原型，建立数值模型如图1 所示，模型划分单元为5 160 个，节点为5 288 个。

图1 计算模型

坡体岩土体遵循Mohr-Coulomb 强度准则的弹塑性本构模型。根据勘察资料在边坡后缘设置了拉裂缝，计算过程中将裂缝视为一种不计容重与强度参数且具有较高渗透性能的特殊材料。典型堆积体边坡岩土力学参数见表1，非饱和分析力学参数如图2 所示［9］。

图2 坡体材料的力学参数

表1 岩土材料力学参数

2.2 模拟工况

通过统计勐腊2013—2017 年气象资料，得到月降雨平均值［图3（a）］，结果显示该地区降雨具有典型的干湿分明特性，降雨主要集中于6—8 月，集中了全年超过60%的降雨；最大月平均降雨量多出现在8 月，为392.7 mm。对勐腊地区多年降雨等级进行统计［图3（b）］，可知降雨类型多为小雨和中雨，大暴雨为极端降雨天气。在统计逐次降雨事件的雨量分布特征后发现，该区的降雨事件由一次或多次中雨以上降雨与若干次小雨组成，中雨以上的降雨在降雨事件中多为峰值。

图3 勐腊地区2013—2017 年降雨数据统计

基于以上统计结果，分别从降雨量和降雨模式两个角度对降雨作用下边坡内部渗流-应力场的变化规律进行分析。对降雨模式分析时，在保持降雨量为200 mm、降雨时长为10 d 不变的基础上，选择均一型、单值型、波动型3 种降雨模式，如图4（a）所示；对降雨量分析时，则选择均一型降雨模式，在10 d 降雨时长的条件下，分别设置降雨量R为200、400、600 mm，如图4（b）所示。

图4 不同降雨条件的计算方案

3 不同降雨条件下堆积体边坡响应规律与失稳力学机制分析

3.1 降雨模式分析

保持10 d 降雨时长和200 mm 的总降雨量，分别设置均一型（M1）、单值型（M2）和波动型（M3）3 种降雨模式，具体逐日降雨量见图4（a）。对3 种降雨模式下坡体安全系数变化进行比对（图5），结果显示在降雨前5 天，安全系数大小关系为单值型＞均一型＞波动型，此时3 种降雨模式的降雨强度大小正好与之相反；在第5 天之后，单值型降雨模式下坡体安全系数出现陡降并在t=5～7 d 内持续小于另外两种降雨模式，在降雨结束时刻波动型降雨安全系数最小，其次为单值型和均一型，3 种降雨模式作用下安全系数下降值分别为0.019、0.025 及0.026，说明波动型降雨对边坡稳定性扰动作用最为明显。均一型降雨作用下安全系数呈单调下降趋势，在降雨末期（t=7～10 d）内下降速度加快；对于单值型降雨模式，在降雨前半段（t=0～5 d）内降雨强度不断增加，对应安全系数的下降速度不断增加。在峰值降雨强度t=5 d 后安全系数减低速度迅速增大，而后持续下降。波动型降雨模式下安全系数的变化规律具有明显的波动趋势，波动临界点对应的降雨时间与降雨强度变化对应的降雨时间近似，且随降雨强度的增加，安全系数降低值及下降趋势更为明显。但相比于降雨强度发生变化的时间点，安全系数做出响应的时间点有些许延后，这是因为降雨入渗需要一定时间才可以运移至潜在滑移面。因此安全系数的变化出现了滞后性。综上所述，在相同降雨量和降雨时长的条件下，边坡安全系数的变化规律降雨强度的变化规律具有一致性，波动型降雨模式最边坡稳定性影响最大。

图5 不同降雨模式边坡安全系数变化曲线

从渗流场角度对3 种降雨模式进行对比，分别选择降雨第5 天［图6（a）］和第10 天［图6（b）］坡体内部孔压分布进行分析。虽然在降雨中期（t=5 d），降雨强度的关系为单值型M2＞均一型M1＞波动型M3，但在降雨前中期，波动型降雨量明显高于其余两种降雨模式。因此图6 中波动型降雨对边坡内部孔压消散范围的影响最大，单值型入渗最少，因此影响面积最小。在降雨结束时刻，3 种降雨模式下坡体内部负孔压消散范围基本相同，波动型和均一型降雨由于在第10 天时仍具有一定降雨强度。因此水流矢量主要停留在坡体浅层，而对于单值型降雨此时降雨强度基本为0，降雨在基质吸力作用下向地下水位处移动，主要作用于潜在滑移面处，故在相同降雨条件下该种降雨模式导致坡体安全系数最低，对边坡的扰动下也最大。

图6 不同降雨时长的边坡孔隙水压力分布云图

对3 种降雨模式下坡顶裂缝区13 m 埋深内孔隙水压力和体积含水量变化进行监测，监测点位置如图1 所示。图7（a）显示在降雨初期（t=1 d）和中期（t=5 d），地表处孔压迅速做出响应，负孔压开始发生消散，3 种降雨模式下距地表埋深7 m 内各监测点孔压均发生变化，说明此时湿润锋均运移至此位置。波动型降雨条件下地表处孔压消散程度最大，均一型其次，单值型最小，这与降雨强度的大小规律相同。降雨末期，3 种降雨模式下孔压值基本保持一致，说明在降雨量完全入渗的条件下，孔隙水压力的变化规律与降雨强度的变化规律相类似，孔压的变化值则受到降雨量的控制，与降雨模式无关。

图7（b）为不同降雨模式下体积含水率随深度变化规律。降雨开始阶段，降雨入渗虽对坡体内部孔压有所补给，但在单值型降雨条件下，初始降雨强度基本为0，地表浅层2 m 内部分水分在基质吸力的作用下向坡体内部运移。因此含水率出现小幅度降低。在降雨中期，含水量的大小分布规律与孔压类似，以波动型降雨条件下内部含水率上升幅度最大，单值型最小。在降雨结束时，3 种降雨模式下不同埋深处含水率基本相同。

图7 不同降雨模式下边坡物理量分布

选择降雨第1、5、10 天坡体内部塑性区分布情况，对降雨作用对应力场的影响进行讨论。在图8中，均一型和波动型降雨强度较高，坡面浅层区域已进入屈服。随降雨过程的继续，降雨不断入渗，坡脚处屈服面积不断增加，在降雨第5 天（图9）波动型降雨强度下降到5 mm/d，此时相比于其余两种降雨模式，地表浅层屈服区域随降雨入渗向深部推移；坡顶处裂缝区内也已几乎处于塑性区。降雨末期（图10），单值型降雨作用下屈服区主要沿强风化粉质泥沙岩与软化粉质泥沙岩交界面处延伸，波动型降雨模式下坡脚处塑性区的分布与滑移面所在位置较为接近，也就是说滑移面所处区域材料已经进入屈服状态。因此降雨结束时刻安全系数更低。

图8 降雨初期（t=1 d）坡体内部塑性区分布

图9 降雨中期（t=5 d）坡体内部塑性区分布

图10 降雨末期（t=10 d）坡体内部塑性区分布

图11 为降雨结束时刻边坡内部临界滑移面所处位置，分别对3 种模式下潜在滑移面入口A点与出口B点水平向位移差值进行比对，并设置负值表示位移方向为指向坡体外部。其中，在降雨过程中A、B两点位移基本为负值。图12 显示A点位移绝对值大于B点，说明在降雨过程中坡顶处变形较坡脚处更大。这一情况主要由于A点位于裂缝区并靠近主裂缝，在降雨入渗过程中裂缝侧壁受到指向坡体外部的动水压力，并且降雨造成有效应力降低、材料发生膨胀两种因素共同导致。降雨过程中A、B点位移差值的变化规律与降雨强度变化规律相一致，随降雨强度的增加，滑移面进出口相对变形随之增大，边坡更易发生失稳。

图11 降雨结束时刻临界滑移面所处位置

图12 降雨过程中滑移面进出口水平位移差值

3.2 降雨量分析

对降雨量进行模拟时保证降雨时长仍为10 d，降雨模式为均一型降雨；降雨量分别设置为R1=200 mm、R2=400 mm 和R2=600 mm。图13 显示了3 种降雨量条件下边坡安全系数变化规律，结果显示降雨量的增加导致安全系数值下降速度显著增加。降雨结束后3 种不同工况下安全系数的降低值分别为0.027、0.082 及0.095，说明降雨量的增加对边坡稳定性的扰动程度和扰动速率均具有促进作用。

图13 不同降雨量下边坡安全系数

结合降雨过程中不同降雨量作用下坡体内部孔压分布云图进行分析。在降雨初期（图14），随降雨含量的增加，开挖区域坡体内部孔压消散面积明显增加；在600 mm 降雨量条件下，裂缝区域内部孔压已升高至-50～0 kPa，由地表入渗的降雨已经运移至地下水位处。在降雨中期（图15），200 mm 降雨量条件下降雨影响区域仍停留在坡体浅层区域，400 mm 和600 mm 降雨量条件下开挖面下方坡体孔压基本已上升至-50～0 kPa，此外在图15（c）中已经可以观察到地下水位上升现象，说明该计算条件下降雨中期时，自地表入渗降雨已经开始补给地下水。在降雨结束时刻（图16），600 mm 降雨条件下裂缝区下部已经形成孔压消散带，地下水位上升高度明显高于其余两种降雨条件，400 mm 降雨量作用下裂缝区下部存在了明显的暂态饱和区。结合非饱和土强度理论可知，孔压消散区域面积的增加和地下水位的提升是降雨量增加导致边坡安全系数降低的主要原因。

图14 降雨初期（t=3 d）时不同降雨量下边坡孔隙水压力云图

图15 降雨中期（t=5 d）时不同降雨量下边坡孔隙水压力云图

图16 降雨末期（t=10 d）时不同降雨量下边坡孔隙水压力云图

图17 为不同降雨量条件下裂缝区监测点的孔压及含水量变化情况。在控制降雨持时相同的条件下，降雨量越大代表日降雨即降雨强度越大。降雨量越大同一埋深处基质吸力下降越明显。在降雨初期（t=1 d）和中期（t=5 d），3 种降雨量下孔压消散深度基本相同，但孔压升高程度随降雨量的增加而增加。在降雨第5天时，600 mm 降雨量作用下地表埋深4 m 以内孔压已减小至-50 kPa左右，约为200 mm降雨量的1/3 左右；在此基础上继续进行降雨对于地表附近孔压影响不大，说明此时降雨湿润锋主要影响地表深部，在降雨第10 天时600、400、200 mm降雨量所对应的孔压变化最远位置分别为地表埋深大于13、13、9 m 处，说明随降雨量的增加相同时间内降雨入渗范围越大。含水量变化规律与孔压变化规律类似，在降雨初期降雨量的差别对含水率影响不是很大，在降雨中后期随降雨强度的增加裂缝区含水量增加速度越快，受影响的范围也越大，不同降雨量对边坡的影响也越来越明显。

图17 不同降雨量下边坡物理量随深度变化曲线

降雨第10 天时3 种降雨量下边坡安全系数均降至最低值，对此时坡体塑性区分布进行比对如图10（a）及图18 所示。在中、强降雨量作用下，强风化泥质粉砂岩区域含水量增加，地下水位高度增加导致底部进入饱和状态，对下方软化泥质粉砂岩区域施加更多的法向应力，故塑性区面积增加；600 mm 降雨量作用下坡体内部塑性区具有明显向上延伸趋势，塑性区即将贯通，对边坡稳定性影响更为严重。图19 为3 种降雨量作用下滑移面条分后底部中心点处剪应力分布情况。进行统计可以得到沿滑移面从出口到入口方向剪应力差异性主要发生在中后部区域，这主要与高降雨量下裂缝区优先入渗作用更为显著有关。对潜在滑移面进出口点水平向位移差值进行比较，如图20 所示，进出口均产生指向坡体外侧的位移变形，且坡顶处由于裂缝作用导致其变形远大于坡脚处。降雨前期（t=3 d）内位移差值逐渐增大，说明此时滑移面出入口相对变形尚未达到最大值，安全系数降低速度较为缓慢，而在后期位移差值到达最大值后基本保持不变，说明此时滑移面基本已经形成，在降雨的作用下逐渐产生滑移趋势。

图18 不同降雨量降雨结束时刻的塑性区分布

图19 不同降雨量下滑移面底部剪应力分布

图20 降雨过程中滑移面进出口水平向位移差

4 结论

1）在降雨量和降雨时长相同且降雨完全入渗的条件下，3 种降雨模式的安全系数大小关系为均一型＞单值型＞波动型，安全系数的波动规律与降雨强度的变动规律具有一致性。随降雨强度的增加，降雨入渗速度和影响面积随之增大，后缘拉裂缝区域优先入渗更为明显，对边坡稳定性影响越大。

2）在降雨时长相同的条件下，降雨量增大相当于降雨强度的增加，边坡安全系数降低幅度及速率随之增加。降雨量的增加也会导致坡体内部出现暂态饱和区，这种饱和区导致材料容重增加，抗剪强度降低，对边坡安全性具有重要的扰动作用。在600 mm降雨量作用下，坡脚处地下水位明显上升，导致软化粉质泥沙岩区域塑性区增加，坡体内部塑性区沿坡脚处也具有明显的向上延伸趋势。