降雨入渗对土质边坡稳定性影响

张乔军

（贵州水利科技开发有限责任公司，贵州 贵阳 550002）

1 引 言

边坡失稳问题是中国西南山区最严重的地质灾害之一。研究表明，影响边坡失稳的因素有很多种，常见的比如降雨、地震、构造运动、地质条件及水文条件等。其中降雨又是影响边坡失稳最重要的因素之一。目前大量学者针对降雨对边坡稳定性的影响开展了研究。文章基于数值模拟，建立数值计算模型，系统地研究了降雨强度和降雨持续时长对边坡孔隙水压力和稳定性的影响。文章的研究可为类似工程提供参考。

2 数值模拟

文章采用GeoStudio 数值软件进行计算，分析边坡在不同降雨强度和降雨持续时长对边坡稳定性的影响。建立数值模型见图1 所示。鉴定边坡土体为典型的砂土类型。为了更直观地分析边坡不同位置的渗流及位移变化情况，文章选择了两个坡顶和坡脚代表性的监测点（A 点和B 点，详见图1）。参考相关研究文章计算中采用的土体物理力学参数见表1 所示。计算中假定土体时连续均匀的介质，且降雨强度在一定时间内保持不变。

表1 岩土体物理力学参数表

图1 边坡典型剖面图

文章计算了三种不同的降雨强度，分别为50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d。两种不同的降雨持续时间，分别为降雨停止后1 d和6 d。

3 计算结果与分析

3.1 降雨强度对边坡孔隙水压力的影响

图2 汇总得到不同降雨强对边坡坡顶和坡脚位置处孔隙水压力的影响。根据图2（a）和图2（b）对比分析可知。不同的降雨强度下，监测点的孔隙水压力随降雨持续时间的增大而先增大后保持不变。在降雨时间小于10 h时，坡顶和坡脚的孔隙水压力迅速增大，当降雨持续时间大于12 h，监测点的孔隙水压力有所波动随后保持不变。其中孔隙水压力随降雨强度的增大而有所增大，对于监测点A来说，在降雨强度为50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d 工况下，孔隙水压力的最大值分别为-25 kPa、-24 kPa和-19 kPa；对于监测点B来说，在降雨强度为50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d 工况下，孔隙水压力的最大值基本与A 点相同。总体来看，不同降雨强度下，两个监测点孔隙水压力变化在0.4 kPa-2 kPa左右。

图2 降雨强度对边坡孔隙水压力的影响图

3.2 降雨历时对砂坡孔隙水压力的影响

图3 汇总得到降雨持续时长对边坡孔隙水压力的影响。结果表明，坡体坡顶和坡脚位置处的降雨时间对孔隙水压力影响明显不同。图3（a）结果表明，脚顶位置处的变化最明显。总体来看，坡顶位置处的孔隙水压力随时间的增大而先增大后减小最后保持平稳。对于降雨时长为1 h、降雨时长为2 h及降雨时长为3 h 下，坡顶位置处最大孔隙水压力分别为-16 kPa、-13.8 kPa 和-13.6 kPa。图3（b）结果表明，脚脚位置处的变化比较小，不同历时下，坡脚位置处的孔隙水压力基本保持不变，最大值均为-23 kPa。总体来看，降雨历时在一定时长内会比较显著的影响边坡孔隙水压力的幅值，当超过这个范围对边坡孔隙水压力影响逐渐变弱。

图3 降雨持续时长对边坡孔隙水压力的影响图

此外，随着降雨时间的增加，雨水入渗深度增大，水量供给量增多，渗入边坡的水增多。根据水文学入渗原理，雨水渗入坡内的深度随降雨时间的增大而增大。

3.3 降雨入渗对边坡稳定性的影响

文章采用强度折减法得到边坡在不同工况下稳定性的变化情况。图4 汇总得到边坡稳定系数随降雨强度的影响。结果表明，不同降雨强度下，边坡的稳定性系数变化规律基本相同，均表现出随时间的增大而先减小后增大。且边坡的稳定系数随降雨强度的增大而减小。对于降雨强度为50 mm/h时，边坡的稳定系数由开始的1.25 降低至最小值1.18，随后增大至1.19；对于降雨强度为100 mm/h 时，边坡的稳定系数由开始的1.25 降低至最小值1.15，随后增大至1.16；对于降雨强度为150 mm/h 时，边坡的稳定系数由开始的1.25 降低至最小值1.123，随后增大至1.15。可以看出三种不同的降雨强度下，边坡的稳定系数都表现出先减小后有所增大的趋势，这是因为随时间的增大，降雨入渗的一部分排出土体内部，导致基质吸力增大，土体的稳定性上升。

图4 降雨强度对边坡稳定性的影响图

图5 汇总得到边坡稳定系数随降雨历时的影响。结果表明，不同降雨历时对边坡的稳定系数的影响表现出较大的差异。其中三种不同的降雨历时在降雨12 h前，边坡的稳定系数逐渐降低。当降雨历时为2 d 和3 d 时，边坡的稳定性系数在12 h后迅速上升，而降雨历时为1 d，其上升速度不明显。降雨历时越大，降雨期间的稳定性系数最大值越大。其中在降雨时长为1 d 时，边坡的稳定性系数最大值为1.125，最大值在降雨初期；在降雨时长为2 d时，边坡的稳定性系数最大值为1.165，最大值在20 h；在降雨时长为3 d时，边坡的稳定性系数最大值为1.165，最大值在降雨初期，最大值在42 h。可以看出，降雨历时对边坡的稳定系表现出较强的初期失稳和雨停失稳现象。对于降雨历时较小的边坡稳定性，需考虑降雨初期边坡稳定性，对于降雨历时较大的边坡稳定性，则需要考虑雨停后的边坡稳定性。

图5 降雨时长对边坡稳定性的影响图

4 结论

①不同的降雨强度下，监测点的孔隙水压力随降雨持续时间的增大而先增大后保持不变。总体来看，不同降雨强度下，坡顶和坡脚监测点孔隙水压力变化在0.40-2 kPa。②坡体坡顶和坡脚位置处的降雨时间对孔隙水压力影响明显不同。坡顶位置处的孔隙水压力随时间的增大而先增大后减小最后保持平稳。坡脚位置处的孔隙水压力基本保持不变。降雨历时在一定时长内会比较显著的影响边坡孔隙水压力的幅值，当超过这个范围对边坡孔隙水压力影响逐渐变弱。③不同降雨强度下，边坡的稳定性系数随时间的增大而先减小后增大。这是因为随时间的增大，降雨入渗的一部分排出土体内部，导致基质吸力增大，土体的稳定性上升。④降雨历时对边坡的稳定系表现出较强的初期失稳和雨停失稳现象。