降雨入渗过程中岩质边坡的稳定性分析

屈晓明，陈 龙

(湖北煤炭地质一二五队，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

我国土木工程建设施工过程中，受到地势结构分布的多样性因素的影响[1]，滑坡事故经常发生，岩质边坡降雨入渗过程的稳定性分析难度极大，带来严重的经济财产损失和人员伤亡。边坡稳定分析是经典土力学领域最早研究的问题，众多学者对此进行了研究。林国财等[2]设计了边坡内部水分扩散过程以及暂态饱和区扩展过程试验，通过室内人工降雨物理模型，分析砂土质边坡降雨入渗情况下的试验结果，但其缺少试验约束条件，定性效果较差；冯忠居等[3]分析了沟谷地形对高填方盖板涵受力及填土沉降特性的影响，但其量化分析能力不足，无法合理解释及预测边坡的滑移趋势。为此，本文提出基于边坡滑移后块体趋势分析的降雨入渗过程中岩质边坡稳定性分析模型，其创新之处在于引入SURPAC三维模型，模拟断续节理变形及破坏过程，实现了对降雨入渗过程中的岩质边坡稳定性的定向和定量分析，提高了降雨入渗过程中的岩质边坡安全稳定量化分析能力。

1 降雨入渗过程中岩质边坡稳态力学分析

采用立体边坡自动监测方法，实现对降雨入渗过程中的岩质边坡力学参数分析。对任意块体的弹性势能应变参数，假定岩质边坡2个块体进行模拟分析，采用最大基元破坏参数分析方法，构建已知块体的边界及位移关系，结果见图1。

图1 已知块体的边界及位移关系

F=l(gi+1)3+…+l(gi)2-ρhln(E0-pbgi)

(1)

式中，F为最大拉应变力；E0为点荷载力。

引入数学领域的韦伯分布，分析极限时弹性拉伸应变[8-9]，得到降雨入渗岩质边坡的潜在边界条件，即

(2)

式中，C为潜在边界限制性系数；Dj为时滞项；Nj为线弹性断裂力参数。

根据上述分析，求得位移及块体的边界，由此建立降雨入渗岩质边坡稳定性力学分析模型，进而完成降雨入渗岩质边坡失稳的动态分析。

2 试验测试与验证

试验测试用边坡为某省采矿施工区高速公路边坡，位于中纬度季风环流区中部，属于高度降雨入渗岩质区域，6月～7月为雨季，且空间分布极不均匀，多为连续降水，年均气温为15.5 ℃，无霜期220～240 d。在该自然条件下，该边坡区域的年降雨量为539.5 mm。岩质区域地面高程为880～1 200 m，地表切割深度约320 m，边坡长度约340 m，边坡高度约146 m，自然坡度上缓下陡，滑坡体周围自然坡角为30°～70°，地表植被稀疏，南岸底部树木繁茂，上部大部分为种植地。周围大量土方开挖改变并堵塞雨水排水通道，使降水在边坡上长期沉积，逐渐垂直渗透。

测试过程如下：①将雨量仪设置在采矿施工区附近，保证雨量仪视野开阔，无树木、房屋等障碍，保证雨季过程记录准确。②将6个连续拱形边坡作为研究对象，其中包含采空区。为保证任意块体都可以完成测试过程，每个块体划分为100个分布域。在边坡底部建造1个沉淀池，统一设置植物保护措施，拱形边坡坡度为100°，由1个矩形和2个半跑道拱组成，沉淀池的规格为2 m×5 m，拱半径为1 m，剩余的完整方形部分规格为2 m×2 m。共建有沉淀池6座，坡度为1∶1.5。岩质边坡汇总见表1。

表1 岩质边坡汇总

采用模型增量位移截面图分析的方法，模拟上述6个连续拱形边坡的节理变形及破坏过程，结果见图2。图2中，1～16为不同位置的边坡入渗参考点。根据图2的模型增量位移云图分析结果，以边坡坡顶、坡角及采空区部位的应力等为约束介质参量，结合边坡滑移后块体趋势特征分析，模拟断续节理变形及破坏过程，得到参考点应力参数解析结果，见表2。

依据表2的参数解析结果，根据法向、切向应力与自重应力分布，取高度为20 m，分析不同块体滑移时间步数下竖向滑移距离，结果见图3。从图3可知，随着滑移时间步数的增大，加载步数的增加，岩质边坡降雨入渗过程坡体达到稳定滑移状态。

图2 模型增量位移截面

表2 边坡入渗岩质参考点应力参数解析结果 MPa

边坡法向应力与切向应力分布的测试结果见图4。从图4可知，随着滑动面上点距坡脚水平距离的增加，法向应力与切向应力呈现出先上升后下降的趋势，应力迹线都没有发生明显的偏转，表明本文方法可以有效分析自重应力引起的有关的变形破坏过程。

图3 不同块体滑移时间步数下竖向滑移距离

图4 边坡法向应力与切向应力分布

用强度折减法和极限平衡法2种方法，对边坡安全系数与坡度、坡高关系进行分析，结果见图5。从图5可知，2种方法的曲线波动态势较为拟合，说明本文方法能够准确模拟稳定性安全状态下边坡的应力分布。

图5 边坡安全系数

在此基础上，测试稳定状态下的边坡力学参数，结果见表3。从表3可知，在滑入点距坡顶边缘距离不断增加的情况下，安全系数较为稳定，稳定性系数、破裂程度的数值波动较小，表明本文方法能准确模拟和量化分析边坡的安全系数、应力-应变场的变化情况，提高了降雨入渗过程中的岩质边坡安全稳定量化分析能力。

表3 边坡安全系数和稳定性参数量化解析结果

3 结 语

本文提出基于边坡滑移后块体趋势分析的降雨入渗过程中岩质边坡稳定性分析模型，根据水平向应力与结果分布值，结合裂纹萌生、发展、贯通的力学分布，采用弹性势能加载的方法，得到降雨入渗过程中岩质边坡的断层分布，采用最大基元破坏参数分析方法，建立降雨入渗岩质边坡稳定性力学分析模型，进行降雨入渗岩质的边坡失稳动态分析。研究得知，本文方法能准确量化分析降雨入渗岩质的边坡稳定性，模拟和量化分析边坡的安全系数、应力-应变场的变化情况。