强降雨对昔格达土公路边坡稳定性的影响

2022-05-20丁国盛

工程建设与设计 2022年6期

丁国盛

（云南中铁双百建材有限公司，昆明 650200）

1 引言

随着我国交通基础设计建设的覆盖范围逐渐扩大，涉及的岩土体种类也越来越丰富，尤其是在软弱地层上进行工程建设时，道路边坡的稳定问题是施工建设的研究重点。昔格达土体广泛分布于我国西南地区，属于强度较低的软弱土层，同时，在地下水或者降水等水力作用影响下，会导致土层强度降低，对公路边坡的稳定性造成严重影响[1，2]。因此，强降雨对于昔格达土公路边坡施工具有严重威胁，还会影响公路施工安全和施工进度。

强降雨条件改变了边坡内部渗流场，导致内部孔隙水压力产生变化，针对强降雨对边坡稳定性的影响，张社荣等[8]针对饱和～非饱和边坡的稳定性，考虑强降雨条件下边坡的稳定性，提出了瞬态渗流场与应力场的耦合研究方法；王维早等[9]以堆积体边坡为研究对象，采用物理离心试验模型研究强降雨条件下边坡稳定性；覃小华等[10]建立了基岩型边坡渗流模型，并分析了强降雨条件下边坡的安全性；马世国等[11]改进Green-Ampt渗流模型，综合考虑强降雨与地下水的影响，对基岩型边坡稳定性进行分析；顾成壮等[12]研究强降雨条件下土体内水流运移情况，并分析其动力稳定性特征。

本文以云南省玉溪市至楚雄高速公路为项目背景，针对昔格达土公路边坡稳定性，通过建立昔格达土边坡有限元数值模型，分析强降雨条件下不同降雨历时（12 h、24 h、36 h、60 h、72 h）5种工况下的边坡渗流场及稳定性，为具体工程建设提供指导。

2 强降雨条件下的边坡模型

利用有限元数值分析软件对昔格达土公路边坡稳定性进行分析，边坡顶部与边坡面设置为强降雨影响边界，边坡模型尺寸与网格划分情况如图1所示。

图1 边坡数值分析模型

边坡数值分析模型单元数量为722个，节点数量为786个，采用渗流与边坡稳定性分析相结合的方式，稳态流动状态为初始状态，强降雨改变边坡内部渗流场。通过研究稳态条件下孔隙水压力的特征，建立瞬态渗流变边坡模型，实现不同降雨条件下的渗流特征分析，同时，根据极限平衡原理得到不同降雨历时工况下边坡安全系数的变化规律。

根据边坡稳定性分析数值分析模型，利用渗流相关理论可以得到稳态流动状态边坡孔隙水压力的变化特征，稳定状态下边坡孔隙水压力均匀分布。根据Morgenstern-Price可以得到边坡的安全系数为2.106，处于较为稳定的安全状态。

为分析强降雨条件下边坡稳定性，分别研究降雨时间为12 h、24 h、36 h、60 h、72 h，边坡的孔隙水压力以及安全系数的变化特征，数值分析过程中降雨量设置为78 mm/h，5种工况下降雨量分别为936 mm、1872 mm、2808 mm、4680 mm以及5616 mm。

3 强降雨条件下边坡稳定性分析

3.1 边坡孔隙压力变化趋势

通过对自然条件下昔格达土边坡稳定性进行分析可以得到，昔格达土边坡安全系数较高，处于比较稳定的状态，但是降雨会对边坡的稳定性造成严重影响，并且随着降雨时间的延长，昔格达土边坡的稳定性逐渐降低，孔隙水压力也逐渐增大。根据昔格达土边坡孔隙水压力的变化特征，可以得到随着降雨时间的逐渐增大，昔格达土边坡孔隙水压力逐渐增大。因此，边坡内部水位线逐渐升高，并且边坡的坡脚处出现渗水现象。图2为边坡孔隙压力等值线图，限于篇幅原因，分别列出了降雨时间为12 h、36 h、72 h时的边坡孔隙水压力变化趋势。

图2 边坡孔隙压力等值线图

由于强降雨条件下水从坡顶以及坡面渗入边坡体内部，导致内部岩土体的溶解以及整体结构的变化，因此，降雨入渗的通道逐渐扩展，并且多个通道贯通形成渗流裂隙网络。强降雨条件改变了隧道内部的渗流场，导致孔隙水压力的增大。

3.2 边坡安全系数

根据昔格达土边坡数值分析模型，可以得到降雨时间为12 h、24 h、36 h、60 h、72 h条件下边坡安全系数，限于篇幅原因，分别列出了降雨时间为12 h、36 h、72 h的边坡安全系数如图3所示。

图3 不同降雨时间边坡安全系数

根据边坡安全系数的变化特征，降雨时间为12 h、24 h、36 h、60 h、72 h时，边坡的安全系数分别为1.767、1.480、1.267、1.046、0.859，根据数据拟合软件可以得到边坡的安全系数与降雨时间的关系，如图4所示。

图4 降雨时间与边坡安全系数的关系

随着降雨时间的增长，边坡的安全系数呈现指数函数降低，随着边坡体内水位逐渐升高，岩土体内含水量逐渐在增大，土体重度逐渐增大，同时，坡体基质吸力逐渐降低。由于岩土体具有一定的渗流能力，当短时间内的雨水汇集后，边坡土体内的基本饱和后，边坡内部水流通道逐渐与坡面径流汇合。降雨对于边坡稳定性的影响，其中的一个主要影响因素为降雨时间，降雨时间较短时，一般只会影响边坡的浅层土体，并不会深入边坡体内部，但是随着时间的逐渐在增长，水流逐渐向坡体内部渗流。