考虑降雨入渗的高边坡开挖支护稳定性分析

阮浩东 郑晓东 付建宝 沈一鸣 赵逸博

摘 要：【目的】为研究降雨入渗对多级开挖支护后高边坡的稳定性，针对四川达州市某高边坡工程，基于ABAQUS软件并结合现场工程地质和水文地质条件，建立高边坡开挖降雨渗流模型。【方法】考虑不同降雨条件的影响，引入多层非饱和土计算方法，结合现场监测情况，对降雨工况进行研究，进而研究非饱和土边坡的稳定性。【结果】研究结果表明，孔隙水压、边坡位移与降雨强度和降雨持续时间呈正相关，长时间高强度降雨易使多级开挖的高边坡产生较大滑移。【结论】建议采取边开挖边支护的施工措施。研究成果可为高边坡多级开挖支护的稳定性研究提供一定的参考。

关键词：高边坡；稳定性分析；降雨入渗；多层非饱和土；现场监测；数值模拟

中图分类号：U416.1     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）08-0054-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.011

Analysis of High Slope Excavation Support Stability Considering

Rainfall Infiltration

RUAN Haodong1，2，3 ZHENG Xiaodong1，2 FU Jianbao3，4，5，6 SHEN Yiming1，2 ZHAO Yibo1，2，3

（1.College of Water Resources and Hydropower， Hebei University of Engineering， Handan 056001， China;

2.Hebei Key Laboratory of Intelligent Water Conservancy， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China; 3.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 4. Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Ministry of Communications， Tianjin 300222， China; 5. Key Laboratory of Geotechnical Engineering of Tianjin， Tianjin 300222， China; 6.Tianjin Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering Technology， Tianjin 300222， China）

Abstract： [Purposes] In order to study the stability of the high slope after multi-stage excavation and support， a high slope project in Dazhou City， Sichuan Province was established based on ABAQUS software and combined with the site engineering geology and hydrogeological conditions. [Methods] Considering the influence of different rainfall conditions， the calculation method of multilayer unsaturated soil is introduced， and combined with the field monitoring， the rainfall condition is studied， and the stability of unsaturated soil slope is summarized. [Findings] The results show that the pore water pressure and slope displacement are positively correlated with rainfall intensity and rainfall duration， and long-term high intensity rainfall is prone to large slip in multi-stage excavated high slope. [Conclusions] It is suggested to take the construction measures of excavation and support. The results can provide some theoretical reference for the stability research of multi-stage excavation support of high slope.

Keywords： high slope; stability analysis; rainfall infiltration; multi-layer unsaturated soil; field monitoring; numerical simulation

0 引言

近年来，人工边坡的高度和面积逐渐增加，加上复杂多变的工程地质条件和降雨等特殊工况，由降雨入渗造成的边坡失稳和破坏情况并不少见。如陈家湾沟滑坡［1］、云南红河滑坡均揭示了降雨入渗是导致非饱和土边坡失稳的主要因素之一［2-3］。

对于降雨工况下边坡稳定性的研究方式主要包括数值建模和试验。孔郁斐等［4］分析了降雨入渗对边坡稳定性的影响，进行了有限元模拟计算。李焕强等［5］研究了不同因素对边坡稳定性的影响，得出了降雨入渗条件下土体含水率的变化规律。史振宁等［6］通过试验并结合非饱和土抗剪强度理论及极限平衡理论，得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性的计算方法。吕波等［7］采用Midas-GTS/NX，分析了四川盆地某悬崖墓坟边坡的稳定性，结果表明，边坡在自然状态下较稳定，进行锚索加固后安全系数显著提高。在降雨条件下，边坡的降雨强度、持续时间和土壤分布对边坡的稳定性有不同程度的影响。许方领等［8］利用ABAQUS有限元软件，建立了二维非饱和土边坡数值模型，发现边坡孔隙压力、饱和度等因降雨入渗而增大。张南楠［9］通过土工试验和数值模拟方法，揭示了土质高陡边坡失稳因素包括岩土体特征和坡面形态两个内因，以及降雨和人类工程活动等外因。

本研究以四川省达州市某高边坡项目为例，通过数值分析，结合现场监测数据，分析降水入渗条件下高边坡施工过程的剪切变形和滑坡位移情况，重点对不同层级边坡的稳定性进行研究，为降雨工况下边坡安全防护提供参考。

1 工程概况

拟建场区位于达州市西外莲花湖片区，具体情况如图1所示。场区距北侧道路约0.2 km，场平标高311.0～330.0 m，场地南侧、东侧及北侧原始地面标高为315.0～400.0 m，因此经场平作业后将形成50～80 m高的人工边坡。全市雨量充沛，年平均降雨量为1 080～1 638 mm，日最大降水量为52～96 mm。

2 参数及模型建立

2.1 土—水特征曲线

通过室内试验测试，获得粉质黏土、强风化泥岩、中风化泥岩的土层参数，见表1。在饱和—非饱和渗流中的曲线通常由Van Genuchten拟合确定［10］，得出土—水特征曲线如图2所示。

2.2 高边坡有限元模型

边坡设计最大高度为78.43 m，分三级边坡呈台阶状，第一、二级高10 m，平台宽2 m。土层划分从上至下，层级为粉质黏土、强风化泥岩和中风化泥岩。根据实际勘测资料，设置地下水位在高边坡底部1.4 m深处，模型尺寸如图3所示。

第二级边坡采用格构梁加锚杆支护如图4（a）所示，第三级边坡采取先开挖后支护的措施［11-12］，支护高43.5 m，宽2.5 m，锚索单根长15～22 m。锚杆直径150 mm，锚杆长度13.0～22.0 m，锚固段施加预紧力300 kN，坡率1∶0.5。数值模型参数见表2。

因边坡结构较为复杂，为提高计算效率，对部分区域进行网格加密，进行降雨模拟时根据坡率设置雨量。为了获得降雨过程中坡体内的渗流变化规律，在模型中设置3个监测点，如图4（b）所示。其中监测点A、B和C分别对应图中三个不同分级的边坡位置，分别用于监测降雨渗流过程中孔隙水压力及坡体表面位移的变化过程［13］。

2.2.1 无锚杆多级开挖。通过ABAQUS软件进行计算，观察塑性应变图，判断模型是否收敛［14］。本研究将位移不迭代收敛以及边坡产生突变性作为边坡失稳破坏的根据。无锚杆开挖情况如图5所示。由图5可知，没有进行锚杆支护的边坡模型计算不收敛，无法满足后续开挖工作要求。为了防止第一级开挖边坡导致模型不收敛的情况发生，需要对易发生滑坡层设置坡面网喷。

2.2.2 网喷支护设计。喷射混凝土面板采用C25混凝土，厚度为150 mm，与边坡模型等长。网喷支护多级开挖如图6所示。设置网喷支护开挖后第二层边坡最大位移值为7.1 mm。在进行第三级开挖后，边坡的位移值有所增加，最大值为10.07 mm。网喷支护对存在滑移现象的高边坡工程起到了良好的防治效果。若要满足降雨工况下的要求还应施加锚杆加固边坡。

2.3 工况设计

由于本研究以实际工程为例，所以高边坡自身的坡高、坡比、岩性为已知因素。根据现场施工方案，将降雨工况分为9步。模拟工况见表3。

根据往年气象资料显示，工程所在地最大日降雨量为96 mm/d，按照该地区气象资料进行降雨条件设置，具体降雨条件设计方案见表4。

3 结果分析

3.1 孔隙水压分析

边坡三个位置监测点的孔隙水压力变化曲线如图7所示。由图7（a）可知，随着前7 d降雨的不断持续，坡面的孔隙水压力逐渐增大，第9 d时开始呈下降趋势，但始终为负值，即坡面部位始终处于非饱和状态。由图7（b）可知，不同降雨强度下，不同坡深孔隙水压力趋势基本相似。一级边坡水随降雨不断向下渗流，使得三级边坡土层首先达到饱和，故渗流现象主要发生在一级边坡，导致岩层孔隙压力持续增大，降雨21 d后达到最大值。由图7（c）可知，位于第三级边坡的孔隙水压力随着降雨时长的增加逐渐增大，并达到饱和状态。从监测点A处的土体含水率和基质吸力的大小关系，可以看出两者呈负相关。

3.2 位移分析

因所在区域大雨情况较为常见，因此选取46 mm/d降雨工况作为降雨时长稳定性分析。分别施加168 h、336 h、504 h的不同降雨时长，以进行边坡稳定性分析。

边坡滑动位移大小能够直观地反映边坡稳定性情况。监测点竖向位移如图8所示。当降雨时长为168 h时，边坡竖向位移最大值为2.5 mm；当降雨时长为336 h时，边坡竖向位移最大值为2.85 mm；当降雨时长为504 h时，边坡竖向位移最大值为3.05 mm。以上3种降雨工况最大位移值均在监测点A处，故监测点A处坡体受降雨影响最严重。监测点C在3种降雨工况下竖向位移较小，故坡底位置相对较为稳定。随着降雨的持续，边坡位移只有细微的变化，可见在相同降雨时长情况下，高边坡位移变化主要受开挖影响。大雨工况下监测点A和B的位移发生了陡增，其原因是坡体表层土体吸水膨胀，监测点处产生向坡外的位移。仅有第一级边坡的土体竖向位移较大，说明针对降雨工况多级边坡的锚杆支护措施较为有效。

监测点水平位移如图9所示。由图9可知，降雨一段时间后，各监测点水平位移存在负值，可能是由于水压力的存在，测点发生水平移动。而处于监测点B的水平位移最大，究其原因可能由于边坡较高，一级边坡竖向位移在降雨后变化较大，导致二级边坡处存在相对位移。

3.3 稳定性分析

两种工况下降雨后高边坡的塑性区分布如图10所示。其中，无支护降雨塑性区分布如图10（a）所示，可以看出边坡潜在滑移面位于第一级边坡。支护后降雨塑性区分布如图10（b）所示，边坡塑性区从第一级边坡移动至第三级边坡，边坡滑移面下移明显，随着降雨时长的增加，边坡塑性带分布逐渐扩大，其中降雨504 h后边坡塑性带扩张幅度最大，边坡稳定性最低。受降雨入渗影响，边坡发生滑移破坏的可能性也随之增加。

不同降雨工况的边坡安全系数变化如图11所示。降雨时长168 h后的边坡安全稳定系数为1.32；降雨时长336 h后的边坡安全稳定系数为1.30，降雨504 h后的边坡安全稳定系数为1.28。

4 结 论

本研究依托实际工程，并通过ABAQUS软件对降雨入渗高边坡多级开挖支护前后的边坡情况进行模拟。根据边坡实际开挖方式拟定支护措施，分析了不同降雨工况下降雨入渗对加固后边坡孔隙水压力、边坡位移及边坡稳定性的影响，主要得出以下结论。

①第一级边坡的孔隙水压力随着降雨强度的增大而增加，之后随着含水量的减少，压力逐渐降低；第二级边坡的孔隙水压力随时间变化不大；第三级边坡的孔隙水压力受降雨的影响最大。降雨强度越大，其负孔压的增加量越大，坡角处应力集中范围越大。

②边坡位移随着降雨时长的增加而增大，边坡最大总位移位于一级边坡上。3种降雨工况下一级边坡位移最大。

③在降雨作用下，未加固边坡位移比加固边坡的位移变化明显，加固后边坡的滑移面与加固前不再相似，其形状变化与加固结构的形式有较大关系。边坡整体的稳定性系数随降雨时长与降雨强度的增加而降低。

参考文献：

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［10］VAN GENUCHTEN M T. A closed‐form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］. Soil science society of America journal， 1980， 44（5）：892-898.

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［14］王飞阳，潘泓.不同失稳判据下边坡稳定性的规律性［J］.土木建筑与环境工程，2016，38（6）：10-16.

收稿日期：2023-08-22

基金项目：博士后专项基金项目（SJ200100105）；国家重点实验室项目（2019KFKT-15）；河北省自然科学基金（E2020402087）；河北省水利科研与推广计划项目（2020-11）。

作者简介：阮浩东（1996—），男，硕士生，研究方向：水利工程；郑晓东（1983—），男，博士，副教授，研究方向：水利工程。