甘肃某黄土路堑边坡降雨入渗稳定性分析★

黄海萍，周 杰，任永忠

(1.甘肃弘昊建设集团有限公司，甘肃 兰州 730050； 2.兰州工业学院，甘肃 兰州 730050)

1 概述

俗话说：“十个滑坡九个水”，由此可知降雨对边坡稳定性的影响举足轻重。降雨对边坡稳定性的影响较为复杂，它涉及到气候条件、水文条件以及坡体所处的地层条件等影响因素，为此关于这一热点大量学者开展了相关的研究。汪华斌等[1]研究了如何设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。韩同春等[2]研究层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制问题，针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题提出了相应的计算方法。杨天娇等[3]研究了土质边坡降雨入渗的过程中地下水渗流的推进、孔隙气体迁移和边坡土体变形之间的相关作用。陈文锋等[4]考虑孔隙水压力及渗透系数随饱和度的变化，基于坡顶位移曲线提出预警与失稳点选择判据。王东等[5]通过构建非饱和土边坡数值模型，利用蒙特卡洛方法对不同降雨、土壤参数条件下模型边坡土壤孔隙水压力、土壤含水率与边坡稳定性关系进行了研究。由于对降雨型边坡稳定性的研究，试验是一种可靠的研究方法。许多学者通过开展室内或现场模型试验进行了相关的研究，也得出了有益的结论[6-9]。

由于岩土工程具有明显的地域性，不同的地形地貌及地层岩性，其坡体的变形规律及稳定性就有所不同，为此本文以甘肃某黄土路堑边坡为研究对象，对其采用Plaxis 3D V2020进行数值分析。

2 工程概况

根据地质勘查报告，按地层变化情况，将其概化为3层，具体参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

3 模型建立

在Plaxis 3D V2020中建立如图1所示的边坡模型图，模型大小为100 m×50 m，坡高为25 m，地下水位位于坡脚下方5 m处，网格划分疏密程度为“中等”，模型为平面应变模型，单位为10节点单元，模型底部为固定边界，模型前后、左右均为滑移边界。有限元模型如图2所示。

材料模型选用摩尔—库仑强度准则，软件分析时所采用的土体参数见表1。土体类型选用软件USDA数据库中的“沃土”：粒径小于2 μm的质量占总质量的20%，2 μm～50 μm的占40%，50 μm～2 mm的占40%，按国内分类属于细粒土类型。土的饱和渗透系数ksat=0.375 1 m/d，土的渗透性函数和土水特征曲线使用van Genuchten方程拟合，结果如图3，图4所示，图中两条曲线由软件自动生成，其中kr=k/ksat表示相对渗透系数，为无量纲量，S为饱和度。

4 数值分析结果

4.1 不同坡角边坡模拟结果分析

在本节中针对坡角为30°，45°和60°不同条件下的坡体饱和度、基质吸力及边坡稳定性进行了研究。其采用降雨速率为25 mm/d，持续时间为1.0 d。

1)坡体饱和度和基质吸力。

图5为不同坡角条件下坡体饱和度分布云图，图6为不同坡角条件下坡体基质吸力分布云图。由图5可以看出，在相同的降雨条件下其坡体的饱和度分布云图较为接近，因为坡体的饱和度与降雨量有关，坡角对其影响较小。由图6可得，不同坡角条件下坡体的基质吸力分布也较为接近，但是其数值略有所不同。坡角角度分别为30°，45°和60°时，其坡体基质吸力分别为4.293 kPa，4.105 kPa，4.177 kPa，从数据来看坡角为30°时基质吸力最大。

2)坡体稳定性分析。

图7为不同坡角条件下坡体总位移分布云图，图8为不同坡角条件下在未降雨原始状态和降雨状态下坡体安全系数变化曲线。图7图例显示的数据是无实际物理意义的，这是软件在求解边坡安全系数过程中产生的数据，但从分布云图来看，30°坡角条件下其滑动土体范围较大，60°坡角条件下最小，45°次之，这说明坡度越小稳定性越高，滑动时所涉及的范围较广。从图8可以看出，在降雨速率为25 mm/d，1 d的条件下，对边坡安全系数的影响量差值约为0.008。

4.2 不同降雨速率模拟结果分析

不同的降雨速率对坡体的稳定性影响较大，为此本节采用坡角为60°、降雨时长为1 d的条件下模拟分析了降雨速率为10 mm/d(小雨)、降雨速率为25 mm/d(中雨)和降雨速率为50 mm/d(大雨)的坡体饱和度、基质吸力和安全系数的变化过程。

1)坡体饱和度和基质吸力。

图9为不同降雨速率条件下坡体饱和度分布云图，图10为不同降雨速率条件下坡体基质吸力分布云图。从图9明显的可以看出，随着降雨速率的增大，坡顶顶部的饱和度逐渐增加。当降雨速率为25 mm/d时，坡顶表面土体已达到饱和状态。从图10可以看出，随着降雨速率逐渐增大，坡体的基质吸力从坡顶表面处逐渐减小，当降雨速率为25 mm/d时，坡顶表面土体减小较为明显。

2)坡体的稳定性。

图11为不同降雨速率条件下坡体总位移分布云图，图12为不同降雨速率条件下坡体安全系数变化曲线。从图11来看，随着降雨速率的增加，坡脚部位土体总位移逐渐增大，坡体滑动区域逐渐贯通。从图12边坡坡体的安全系数来看，随着降雨速率的不断增加，边坡的安全系数逐渐减小，降雨速率由10 mm/d增至25 mm/d，其安全系数降低差值为0.004，而降雨速率由25 mm/d增至50 mm/d，其安全系数降低差值为0.008，说明随着降雨速率的增加，坡体安全系数的减小并非线性减小。

4.3 不同降雨时长模拟结果分析

不同的降雨时长对边坡的稳定性影响也比较大，本节采用坡角为60°、降雨速率为25 mm/d的条件下模拟分析了降雨时长为1.0 d，3.0 d和5.0 d的坡体饱和度、地下水流速和安全系数的变化过程。

1)坡体饱和度和地下水流速。

图13为不同降雨时长条件下坡体的饱和度分布云图，图14为不同降雨时长条件下坡体内含水的流速变化云图。从图13可知，随着降雨时长的增加，坡体内含水量的饱和度逐渐由坡顶向坡体内发展，分布比较均匀。从图14可知，坡体内水的流速开始从坡体表面向坡体内流动，随着降雨时长的增加，流速逐渐增大。

2)坡体的稳定性。

图15为不同降雨时长条件下坡体总位移等值线图，图16为不同降雨时长条件下坡体安全系数变化曲线。从图15可以看出，随着降雨时长的增加，坡体滑动面逐步贯通，在坡脚处变化较大。

从图16可知，随着降雨时长的增加，坡体的安全系数由2.274减小至2.056，此外时长的差值均为2 d，但其安全系数变化差值不同，从1 d～3 d，安全系数变化差值为0.157，而由3 d～5 d，安全系数差值为0.061，由安全系数差值来看，降雨的起始阶段对其影响较大。

5 结语

本文采用Plaxis 3D V2020对降雨边坡进行了不同坡角、不同降雨速率和不同降雨时长的饱和度、坡体基质吸力、稳定性的分析，通过分析可得出以下结论：

1)通过对不同坡角影响因素的分析可知，随着坡角角度的增大，坡体基质吸力逐渐减小，但是减小幅度不明显；其次坡体的安全系数逐渐降低，但不是与坡角同比降低。

2)随着降雨速率的增大，坡顶顶部的饱和度逐渐增加。当降雨速率为25 mm/d时，坡顶表面土体已达到饱和状态。随着降雨速率的不断增加，边坡的安全系数逐渐减小，降雨速率由10 mm/d增至25 mm/d，其安全系数降低差值为0.004，而降雨速率由25 mm/d增至50 mm/d，其安全系数降低差值为0.008，说明随着降雨速率的增加，坡体安全系数的减小并非线性减小。

3)随着降雨时长的增加，坡体内含水量的饱和度逐渐由坡顶向坡体内发展，分布比较均匀。坡体内水的流速开始从坡体表面向坡体内流动，随着降雨时长的增加，流速逐渐增大。随着降雨时长的增加，坡体滑动面逐步贯通，在坡脚处变化较大。