降雨作用对边坡稳定性的影响研究

渠群英，郭爱菊，宋 艳

（1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心,山东 济南 250100；2.山东富诚工程施工有限公司,山东 德州 251200）

1 引言

目前,国内外相关学者针对降雨对边坡稳定性的影响开展了广泛研究。相关成果表明滑坡灾害的发生与降雨天气具有紧密相联,降雨是引起滑坡破坏主要因素之一。目前,有限元数值分析是一种较为常见的分析降雨作用下边坡稳定性的方法。

周家文等[1]研究降雨作用下非饱和边坡有限元渗流,随着持续性降雨,前表层土体出现瞬态饱和,边坡稳定性系数逐渐降低。降雨后边坡安全系数继续降低,随排水增加而逐渐恢复。蒋中明等[2]结合GeoStudio模拟软体分析某公路边坡在长期降雨条件下的渗流过程,随后将计算得出的边坡渗流场导入有限差分软件FLAC3D研究其稳定性。降雨结束后一天时间内,边坡稳定性系数逐渐降低,随后岩土中水分逐渐向外排出,边坡安全系数增加。但是降雨结束后的一定时间内,岩土产生软化使边坡安全系数进一步降低。Adarsh S· Chatra等[3]结合FLAC3D软件分析降雨条件下边坡的稳定性,研究降雨强度及持时对边坡的孔隙水压力,土体位移等指标的变化。

鉴于前人已有的研究成果,本文利用Geostudio模拟降雨作用下边坡稳定性的变化规律,分析降雨类型、强度以及持续性降雨的敏感因素,在此基础上简要探讨响应加固措施。

2 路基边坡冲刷特性的仿真模拟

2.1 计算数值模型

边坡模型的长度为40 m,高度30 m,坡脚高度15 m。考虑边界效应的影响,坡顶设置距离左侧边界10 m,坡脚距离右侧边界13 m。考虑到计机的计算能力,尽量减小尺寸效应的影响,边坡模型采用四边形网格划分方式,并对表层岩土区域网格进行加密,模型共计节点为4181,单元网格共计4301,监测点布设在边坡的上、中、下位置,见图1。

图1 边坡模型

2.2 计算参数与本构模型

计算采用摩尔-库伦本构模型,土体渗透系数取饱和渗透系数,满足达西渗透定律。同时,各土层的渗透模型采用Van Genuchten模型。土体强度参数见表1。

表1 模型的主要参数

2.3 实现过程

土体的孔隙水压力一般指土体达到饱和含水率状态时所对应的水压力大小,即水位线以下土体为饱和状态,此时土体的孔隙水压力为正值；在非饱和土中时,由于孔隙内尚有一定空气存在,形成类似弯液面,土体的孔隙水压力小于大气压力,此时土体的孔隙水压力为负值。基于GeoStudio中SEEP/W模块计算边坡的自重应力的分布状态,得到土体初始的孔隙水压力状态。在此基础上,将以上得到的初始自重条件下边坡的孔隙水压力与SLOPE/W模块计算得到的应力状态进行结合,计算此时边坡的稳定性系数。同时,根据不同降雨条件下的孔隙水压力与应力状态,亦根据以上步骤,进一步计算得到边坡在不同降雨条件下的稳定性系数。

计算边坡为土质边坡,坡高为l0 m~15 m,边坡类型为土质边坡。根据《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864-2016）,如表2~表3可知,鉴于该处周边的环境综合判定其工程安全等级,因此取边坡在一般工况下的安全系数为1.30,降雨作用下安全系数取1.15。计算自重条件下的边坡稳定系数为1.10,根据以上规范要求可知,自重条件下的边坡处于一般稳定状态。

表2 边坡稳定性安全系数

表3 边坡安全等级划分

3 模拟结果分析

3.1 降雨强度

通过模拟边坡受到不同强度的降雨,研究降雨强度对边坡安全系数的影响。主要考虑小雨15 mm/d,中雨30 mm/d,大到暴雨50 mm/d,暴雨100 mm/d,特大暴雨150 mm/d的降雨强度,降雨持时均为48 小时。图2 所示为降雨强度与边坡稳定性关系图。由图2 可知,边坡受到不同强度的降雨作用下,其稳定性系数均随时间呈逐渐降低的趋势。15 mm/d降雨强度作用下,边坡稳定性系数减小的幅度最小,分析认为雨强较低时,边坡受到的总降雨量较小,土体的含水率变化较小,土体的孔隙水压力与土体的基质吸力变化幅值较低,对边坡的抗剪强度影响较小,因此边坡稳定性系数减幅较小。降雨强度不断增加,边坡稳定系数下降幅度也逐渐增大,降雨强度为150 mm/d时,边坡的稳定系数曲线下降趋势达最大,在100 mm/d和150 mm/d的降雨作用下,48小时后边坡的稳定性系数分别下降到0.99 和0.94,边坡处于失稳阶段。由于较大强度降雨作用下渗入边坡内的雨水较多,使土体含水率显著增加,边坡的重度增幅较大,土体抗剪强度也显著降低；土体的基质吸力进一步降低,以上因素共同作用下使得边坡的安全系数迅速降低,逐渐变为不稳定状态。

图2 降雨强度与边坡稳定性关系图

3.2 降雨类型

自然降雨有多种类型,简化分析,取递增型、递减型、中心型、平均型四种降雨类型,分析不同降雨类型对边坡稳定性影响。选取的四种降雨类型总降雨量均是130 mm,降雨类型及对应流量见图3。图4是降雨类型与边坡稳定性关系图。

图3 降雨类型

图4 降雨类型与边坡稳定性关系图

由图4可知,当降雨强度与边坡的稳定性系数呈正相关,随着降雨强度越大,边坡的稳定系数降幅也较大。递增型降雨类型的前期雨强较小,边坡稳定系数曲线变化较小；随着降雨后期雨强逐渐增加,边坡的安全系数大幅降低。递减型降雨在前期雨强最大,前期降雨使土体含水率显著增大,土体抗剪强度迅速降低使边坡稳定性系数降幅较大。递减型降雨稳定系数在前期降幅最大,后期随着降雨强度逐渐减小,边坡的稳定性系数降幅也逐渐降低。中心型降雨条件下,由于前期雨强对土体含水率及孔隙水压力等影响较小,因此对边坡安全系数的影响较低；降雨后期雨强逐渐增大,雨水迅速渗入土体内部导致土体的含水率显著增加,使得土体浅表层出现一定深度暂态饱和区域,此时土体抗剪强度显著降低,边坡安全系数逐渐降低。随着降雨强度降低,边坡浅表层区域内的土体逐渐处于饱和状态,由于渗透系数降低导致土体入渗量降低,沿着坡表向下形成径流,所以边坡稳定系数的变化较小。均匀型降雨在各阶段的雨强保持稳定,雨水渗透性由快逐渐降低,对应于边坡稳定系数前期较均匀下降,后期趋于稳定状态。

3.3 长期持续降雨

通过施加降雨强度为30 mm/d的等强型降雨,持时共计12天,研究降雨持时对边坡稳定的影响,绘制其对应的安全系数随时间变化,图5是长期降雨条件下该边坡的稳定系数随时间变化的曲线图。

由图5可知,边坡在受到长期持续性30 mm/d的降雨作用下,稳定系数逐渐降低,第288 小时时刻边坡的安全系数达到最小值,约0.97,表明此时边坡已经处于失稳状态。边坡稳定系数在降雨前期下降幅度较大,降雨后期逐渐趋于平缓。分析认为,降雨前期边坡土体内的含水量较低,土体抗剪强度相对较大,此时边坡稳定性系数较高；持续降雨作用下,水分不断向下入渗,土体含水率逐渐增加,土体基质吸力逐渐降低,抗剪强度显著降低,导致边坡的整体安全系数降幅增加。降雨持续一定的时间后,边坡表层土体的含水率逐渐上升,达到相对饱和状态后,表层土体的渗透系数降低,过量的雨水无法继续渗透,过量的降雨不能继续向下渗入边坡内部,多余的水分在坡表汇聚,在重力作用下形成一定流量坡面径流,逐渐向下流走,对应于此时边坡稳定性系数不再显著降低。降雨完成后,此时边坡安全系数变为0.97,为整体失稳阶段。

图5 长期降雨与边坡稳定性关系图

4 边坡加固防护措施

综上可知,降雨作用将极大影响边坡的稳定性,使边坡由稳定逐渐变为不稳定状态。因此,有必要考虑降雨作用下边坡的加固防护措施。

（1）边坡排水防护措施

排水防护工程的主要措施有边沟、截水沟、排水沟、急流槽、盲沟等。其中边沟、截水沟与排水沟是低等级公路中最常见的防护措施。

（2）边坡工程防护措施

边坡工程防护是指使用砂浆、石灰、水泥、等施工材料的工程防护措施,植被土与边坡护面墙是最常见的加固形式。

边坡护面墙常用于易风化、较破碎的岩质边坡,主要防治坡面的风化、侵蚀及部分局部滑坡等破坏。但是该支护方式不能承受加固结构墙后的主动土压力。常见的边坡护面墙主要有孔窗式及拱式等形式。

5 结论

利用Geostudio模拟分析降雨强度、类型及持续性时间对边坡安全系数的影响,并简要讨论考虑降雨作用下边坡加固措施,主要结论如下：

（1）不同类型降雨类型对边坡安全系数影响较大,边坡的安全系数的降低随着降雨强度呈正相关,中心型降雨作用下边坡安全系数最小。

（2）边坡在暴雨及大暴雨的情况下安全系数都小于1.3,需要采取针对性的加固措施。

（3）考虑降雨强度30 mm/d,持时12 天后,边坡的稳定系数小于1.0,此时边坡失稳。

（4）降雨作用对边坡的稳定性影响较大,宜注意排水措施,根据实际情况采取相应的坡面防护。