强降雨下的高边坡稳定性数值模拟研究

刘丽琴

(赫章县水务局，贵州 赫章 553200)

0 引 言

高边坡的稳定性研究一直都是岩土工程领域的热门研究方向，影响边坡稳定性的因素有许多，其中降雨对边坡的稳定性影响较大，已有学者对其做了大量研究。如张明[1]等通过统计学研究和机理研究，总结了降雨型滑坡的研究历史和现状；王述红[2]等通过数值模拟软件，利用强度折减法计算边坡渗流场与应力场耦合下的安全系数，研究了降雨影响边坡稳定性的机理；汪华斌[3]等基于室内试验与数值模拟分析结果进行对比分析，提出新的数值模拟边界条件，改进了传统方法；吴永[4]等从能量的角度研究入渗的裂缝水对边坡稳定性的影响，分析了边坡裂缝、降水入渗以及滑动面的形成机制；李宁[5]等采用非饱和土模型和改进后的入渗模型对降雨入渗模型进行改进，并提出一个降雨作用下的边坡失稳的简化模型；蒋中明[6]等通过编写程序对非饱和渗流计算模型进行了完善，并与已有研究对比，验证了该计算方法的准确性模型试验；余培杰[7]通过采用数值模拟的方法，评估了降雨入渗对边坡的影响程度，发现不同坡比的破坏模式也极为不同。

综上研究可以发现，强降雨的入渗对边坡内部的孔隙水压力、应力场和稳定性会产生影响。因此，本文将采用FLAC3D数值模拟软件，对强降雨作用下的高边坡稳定性的变化规律进行研究。

1 工程概况

本文基于某矿区边坡工程，对强降雨下的边坡失稳进行研究。该工程边坡高陡，边坡台阶标高最高为555 m、最低为395 m，边坡的最大高度可达255 m，边坡角最小为36°、最大43°，台阶的坡面角最大65°、最小43°，台阶高度11.85 m。地质剖面图见图1。该区域年降雨量较大，平均年降雨量可达1 500 mm以上。

图1 边坡模型图

2 矿区边坡模型建立

FLAC3D软件采用有限差分法对模型进行有限元分析，能够模拟分析土体、岩石以及其他材料的受力特性，能够对各种材料的塑性破坏进行模拟分析，且不需要计算刚度矩阵，对内存空间的要求较低，故本文利用FLAC3D软件建立数值模型。为保证计算结果可靠，模型需符合工程实际，根据地质剖面图采用摩尔-库伦本构模型进行建模，并对该模型进行布点监测，见图1。本模型X轴与Y轴长度均为1 000 m，其中X轴垂直于矿体走向，Y轴平行于矿体走向，Z轴垂直于X-Y平面。为了研究强降雨下的坡体稳定性，本文对模型进行强降雨模拟，降雨量参考该地区最大日降雨量75.8 mm/d，对模型在模拟强降雨6、12、18和24 h后的边坡稳定性进行研究分析。模型相关参数取值见表1。

表1 数值模拟参数

3 边坡稳定性分析

3.1 降雨入渗对孔隙水压力的影响分析

为分析降雨入渗对空隙水压的影响，本文根据监测点的位置选取3个剖面进行监测。不同降雨时间下现状边坡与最终边坡孔隙水压力云图见图2，不同降雨时间下边坡孔隙水压力变化情况见图3。

图2 不同降雨时间下现状边坡与最终边坡孔隙水压力云图

图3 不同降雨时间与边坡孔隙水压力关系图

通过计算发现，现状边坡与最终边坡的孔隙水压力随降雨时间的变化趋势有些差异。降雨初期，现状边坡的土体和岩体尚未饱和，强降雨引起的入渗导致该坡体的浅层水位有所上升，部分监测区域可以观测到较大面积的负孔隙水压力区域，分布位置较广；小部分监测区域观测到少数负孔隙水压力区域，但随着持续强降雨，土体和岩体趋近于饱和状态会形成径流，而在坡底处的负孔隙水压力会逐渐上升，并比坡顶处先出现暂态饱和区，即孔隙水压力为零的区域，而且不断向坡顶发展，暂态饱和区面积在持续模拟强降雨12h后达到最大。而最终边坡则略有不同，在模拟强降雨初期，在所有监测区域观测到负孔隙水压力区域，且均为大面积，伴随模拟强降雨的进行，在边坡内部也观测到负孔隙水压力区域，模拟强降雨12h后暂态饱和区在南部坡底率先出现；而北部坡底直到模拟强降雨18 h后才观测到暂态饱和区，并随时间逐步向坡顶发展，且在坡底达到最大。

3.2 边坡应力场分析

不同降雨时间下现状边坡与最终边坡最大剪切应力云图见图4。不同降雨时间下边坡最大剪应力变化情况见图5。通过计算发现，现状和最终边坡的剪切应力变化较大的位置均出现在坡角处，且相同降雨时间下，现状边坡的应力比最终边坡小。剪切应力变化最大的时间段出现在模拟强降雨6 h后，6 h后剪切应力依旧随时间增大，但变化趋势减缓。究其原因，是由于入渗的水分增大了边坡岩石土体的自重，当达到饱和时形成径流，并流向坡底处，使剪切应力变化最大的位置出现在坡底，所以在坡脚处出现滑动面，从而由坡脚剪出并发生剪切破坏的可能性最大。

图5 不同降雨时长与最大剪应力关系图

3.3 边坡安全系数分析

边坡稳定系数与模拟降雨时长的关系见图6；现状边坡和最终边坡的安全系数统计见表2。由上述结果可以发现，在未降雨时，现状边坡和最终边坡均处于稳定状态，但随着降雨时间的持续，边坡的稳定性不断下降。而模拟降雨6 h后，最终边坡的安全系数比现状边坡的安全系数大。原因是开挖后的最终边坡出露的灰岩抗水性以及抗风化性质比现状边坡出露的石英岩要好，不易被水软化。

图6 不同降雨时长与边坡安全系数关系图

表2 不同降雨条件下边坡安全系数表

4 结论与建议

本文通过FLAC3D软件对强降雨作用下矿区边坡稳定性进行了研究，主要结论如下：

1) 降雨初期，岩土体尚未饱和，降雨入渗会导致浅层水位上升，引起较大面积的负孔隙水压力区域；长时间降雨后，岩土体趋于饱和并在坡体表面形成径流，引起暂态饱和区，并不断向坡顶发展。

2) 通过对边坡应力场的分析发现，现状和最终边坡的剪切应力变化较大的位置均出现在坡角处，且相同降雨时间下，现状边坡的应力比最终边坡小。剪切应力变化最大的时间段出现在模拟强降雨6 h后，6 h后剪切应力依旧随时间增大，但变化趋势减缓。

3) 由上述结果可以发现，在未降雨时，现状边坡和最终边坡均处于稳定状态，但随着降雨时间的持续，边坡的稳定性不断下降。