持续降雨条件下边坡稳定性影响分析

王正龙WANG Zheng-long；孙小波SUN Xiao-bo

（中煤长江基础建设有限公司，南京 210046）

0 引言

降雨渗流是影响边坡稳定性的主要诱因之一[1]。我国由于降雨引发的滑坡事故较高，占总滑坡数量的90%[2]。边坡在雨季容易产生滑坡这是一个普遍现象，正常情况下这些边坡是稳定的，但随着降雨时间的推移和雨水的入渗作用，一些看来十分可靠的边坡也可能在雨季发生滑坡。调查研究表明，绝大多数边坡失稳出现在降雨期间或降雨之后，可见降雨入渗对土质边坡稳定性影响具有重要意义。

本文根据某边坡治理方案，研究持续降雨条件下对于边坡稳定性的影响，探究在不同降雨强度、不同降雨历时情况下边坡稳定性的变化情况，以求为今后考虑降雨条件的边坡治理提供参考和依据。

1 工程概况

1.1 工程简介

某边坡长约85m、高约26m，2016 年4 月边坡左侧及坡脚开挖铺设了供热管道，导致边坡局部地段发生变形迹象，坡顶出现平行边坡走向的裂缝，威胁到供热管道的安全运营，拟对该段边坡进行治理。

该地区原地貌属于构造剥蚀低山丘陵区，后经过人工回填形成现状地形地貌，地表植被不发育，以杂草、灌木为主。该段边坡地貌形态呈陡坡状，坡面为陡坡，坡面坡度为23°～40°；坡顶地形基本平坦，局部受到铺设供热管道人工开挖形成凹坑。边坡整体地形、地貌特点如图1。且受管道施工开挖坡脚影响，地表发育有几条平行边坡走向的裂缝，边坡两侧及前缘未发现滑动痕迹，说明该边坡处于蠕变变形阶段，滑面尚未贯通，边坡稳定性较差。裂缝如图2所示。

图1 边坡整体地形地貌图

图2 边坡裂缝图

1.2 工程地质条件

该边坡位于暖温带大陆性季风气候区，四季较为分明，春季干旱多风，夏季受东南亚季风气候影响炎热多雨，秋季温和凉爽，冬季受西伯利亚高压气流控制，雨雪稀少寒冷。整个边坡地区的主要土层自上而下分别为素填土、杂填土、泥岩。

该地区地质构造简单，地层基本呈一单斜构造，岩层倾向与坡向相同。边坡区及其附近未发现断层、强烈褶曲及岩浆活动。裂隙构造在滑坡区较发育，是区内主要结构面之一。

2 Geo-Studio 软件建模

本次有限元模拟使用Geo-Studio[3，4，5]软件进行，整个边坡模型尺寸为长85m、高26m，边坡坡度设置为39°。土层自上而下分别为素填土、杂填土、泥岩。其中，素填土土层层厚为4.0m，杂填土为10.0m，泥岩为12.0m。其模型具体尺寸参数如图3 所示，模型建模图如图4 所示。

图3 模型尺寸图

图4 模型建模图

本次使用有限元软件Geo-Studio 主要是模拟基于二维的土质边坡在不同降雨强度、不同降雨历时下的稳定性情况，其主要是通过边坡安全系数、边坡中孔隙水压力来直观表示。在本次的模型构建中，设置水位位于边坡底部3m 处，持续的降雨条件使用Geo-Studio 软件中的边界条件来模拟。为了便于计算，不同的降雨强度通过设置边界条件中的不同单位流量来表示，不同降雨历时通过设置不同的计算时间来表示。本文运用Geo-Studio 软件SEEP/W模块和SLOPE/W 模块对边坡进行耦合模拟计算[6]，首先运用SEEP/W 模块进行瞬态持续降雨的模拟，将得到的结果作为父项分析，耦合SLOPE/W 模块计算坡体稳定性。

本次模拟中所用的具体土层参数表如表1 所示，降雨强度分别设置为0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 五个梯度，降雨历时设置为6h、12h、18h、24h、30h五个梯度。

表1 土层参数表

3 模拟结果分析

为研究持续降雨条件下对于边坡稳定性的影响效果，本文一共设置了二组模拟对照分析，即不同降雨强度、不同降雨历时，通过边坡安全系数与孔隙水压力大小来最终体现持续降雨条件下对于边坡稳定性的影响，为今后的边坡防护提供依据和参考。

3.1 不同降雨强度

本次模拟分析主要模拟了不同降雨强度对于边坡稳定性的影响。共选取了降雨强度分别为0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 五个梯度。在不改变其他条件的影响下，即降雨历时不变，来探寻降雨强度与边坡安全系数、孔隙水压力之间的关系。

本次模拟中，降雨历时设定为12h。不同降雨强度条件下边坡安全系数与其变化率图及其孔隙水压力变化图如图5、图6、图7 所示。

图5 不同降雨强度下边坡安全系数变化图

图6 不同降雨强度下12h 后的边坡安全系数变化率图

图7 不同降雨强度下孔隙水压力变化率图

由图5 可以看出，在降雨历时等其他条件均不变的情况下，边坡安全系数随着降雨强度的增大而逐渐减小，这与现实情况较为符合，随着降雨强度的逐渐增大，单位面积上的降雨逐渐增多，雨水入渗随即增多，致使边坡土体越来越不稳定，从而导致边坡安全系数逐渐降低。

由图6 可以看出，12h 后的边坡安全系数亦是随着降雨强度的增大呈现出逐渐减小的趋势，当降雨强度为0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 时，安全系数分别为1.956、1.769、1.691、1.688、1.676，变化率分别为9.6%、4.4%、0.2%、0.7%。可以明显的看出，在降雨强度为1.3mm/h 时，安全系数出现了较大的转折。这可能是因为虽然降雨强度不断增大，但边坡土体自身已经达到了饱和状态，不在发生剧烈变化，使得安全系数的降幅减缓乃至停留在某一数值附近不在发生大的变化。

由图7 可以看出，孔隙水压力随着降雨强度的增大而逐渐增大，当降雨强度为0.3mm/h、0.7mm/h、1.3mm/h、2.7mm/h、5.3mm/h 时，最大孔隙水压力分别为95.8kPa、100.6kPa、103.8kPa、104.4kPa、105.3kPa，变化率分别为5%、3.2%、0.6%、0.9%。其原因与上文中所述类似，即降雨强度不断增大使得边坡土体自身达到饱和状态，从而使得孔隙水压力增长减缓。

3.2 不同降雨历时

本次模拟分析主要模拟了不同降雨历时对于边坡稳定性的影响。共选取了6h、12h、18h、24h、30h 五个梯度。在不改变其他条件的影响下，即降雨强度不变，来探寻降雨历时与边坡安全系数、孔隙水压力之间的关系。

本次模拟中，降雨强度设定为1.3mm/h。不同降雨历时条件下边坡安全系数与其变化率图及其孔隙水压力变化图如图8、图9、图10 所示。

图8 不同降雨历时下边坡安全系数变化图

图9 不同降雨历时下边坡安全系数变化率图

图10 不同降雨历时下孔隙水压力变化率图

由图8 可以看出，在降雨强度等其他条件均不变的情况下，边坡安全系数随着降雨历时的增大而逐渐减小，即降雨时间越长，边坡越容易滑坡。

由图9 可以看出，当降雨历时为6h、12h、18h、24h、30h 时，安全系数分别为1.872、1.691、1.648、1.634、1.620，变化率分别为9.7%、2.5%、0.8%、0.9%。由图10 可以看出，当降雨历时为6h、12h、18h、24h、30h 时，最大孔隙水压力分别为78.3kPa、103.8kPa、119.7kPa、125.6kPa、130.8kPa，变化率分别为32.6%、15.3%、4.9%、4.1%。降雨时间越长，边坡安全系数越低、孔隙水压力越大，但从图9、图10 中可以看出，在降雨时长为18 小时时安全系数与孔隙水压力均发生较为明显的转折，这可能是因为在降水初期18小时内，土体基质吸力迅速降低，地表水力传导率较大，因此雨水得以全部入渗。同时，随着降雨时间越来越长，饱和区域在边坡表面形成的速度越来越快，最终导致基质吸力迅速降低，大大削弱了土体自身的抗剪强度，与此同时安全系数下降幅度最大，孔隙水压力快速增长。

降雨持续18 小时以后，土体自身已经达到了饱和状态，安全系数的降幅减缓乃至停留在同一数值不再发生改变，且孔隙水压力变化幅度也逐渐放缓。

4 总结

本文运用Geo-Studio 软件，基于某边坡工程的实际案例，探寻不同降雨强度、不同降雨历时对于边坡稳定性的影响。得出了以下结论：①总体来说，边坡安全系数随着降雨强度和降雨历时的增大而减小，孔隙水压力随着降雨强度和降雨历时的增大而增大。②边坡安全系数并不一味随着降雨强度和降雨历时的增大而不断减小，其减少速度是先快后慢后趋于平缓，同时孔隙水压力亦并不是一味随着降雨强度和降雨历时的增大而增大，其增大速度也是先快后慢后趋于平缓。③在持续降雨条件下，土体自身已经达到了饱和状态，导致了安全系数和孔隙水压力变化速度逐渐平缓。