連續(xù)強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

郝付軍　武電坤（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院；中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

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連續(xù)強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

郝付軍1武電坤2
（1陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

【摘要】降雨是誘發(fā)邊坡破壞的重要因素之一，在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下，降雨入滲導(dǎo)致邊坡的孔隙水壓力及基質(zhì)吸力的減小，地下水位線(xiàn)的抬升，水與邊坡結(jié)構(gòu)的相互作用，會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響?；谶吰路治龅娘柡汀秋柡屠碚摵瓦吰路€(wěn)定性理論，運(yùn)用Geo-studio軟件模擬了3d時(shí)間內(nèi)連續(xù)強(qiáng)降雨300mm情況下湖北武漢某隧道出口處邊坡孔隙水壓力和安全系數(shù)的變化特征，預(yù)測(cè)了邊坡的穩(wěn)定性變化情況。強(qiáng)降雨引起邊坡的剪切力強(qiáng)度減小，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低，應(yīng)采取防護(hù)和加固措施避免強(qiáng)降雨引起邊坡發(fā)生破壞。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)強(qiáng)降雨；邊坡；飽和-非飽和理論；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬

1　引言

近年來(lái)，邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)漸漸地成為了巖土工程研究的基本問(wèn)題之一，尤其是在眾多邊坡失穩(wěn)等自然災(zāi)害的發(fā)生之后，其得到了廣泛的關(guān)注，目前邊坡穩(wěn)定性分析已成為巖土工程中重要的研究方向［1-3］。邊坡失穩(wěn)不僅給人民的安居樂(lè)業(yè)造成了極大的威脅，而且增加工程單位的建設(shè)費(fèi)用和國(guó)家的投入。降雨是造成邊坡破壞的一個(gè)重要因素［4］，我國(guó)幅員遼闊，各類(lèi)邊坡眾多，連續(xù)強(qiáng)降雨產(chǎn)生的邊坡破壞數(shù)量大、破壞嚴(yán)重。研究強(qiáng)降雨作用下邊坡的破壞規(guī)律和防治措施是非常有必要的。當(dāng)前研究降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要理論依據(jù)是飽和-非飽和土理論、邊坡穩(wěn)定性理論。本文運(yùn)用Geo-studio模擬了連續(xù)強(qiáng)降雨作用下邊坡的降雨入滲規(guī)律和穩(wěn)定性分析，探討其規(guī)律，查找治理和防護(hù)措施，為預(yù)防此類(lèi)條件下邊坡失穩(wěn)提供科學(xué)的預(yù)防措施。

2　邊坡穩(wěn)定性分析理論

邊坡處于飽和-非飽和狀態(tài)時(shí)，在地下水位線(xiàn)以上存在著負(fù)孔隙水壓力即基質(zhì)吸力，降雨作用會(huì)改變地下水位線(xiàn)和基質(zhì)吸力，從而影響坡邊坡的抗剪強(qiáng)度?？紤]到基質(zhì)吸力對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度及滑坡的安全系數(shù)有很大的影響，F(xiàn)redlund［4］提出了基于飽和-非飽和狀態(tài)下的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，給出了剪應(yīng)力τ和抗剪強(qiáng)度τf的表達(dá)公式：

根據(jù)極限平衡原理，根據(jù)以上三式可得到滑坡的安全系數(shù)公式：

用條分法分析時(shí)考慮力的平衡可以得到滑坡的安全系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：

β——條塊基地的長(zhǎng)度；

α——條塊底邊切線(xiàn)與水平方向的夾角；

N——條塊底部的法向離；

kW——條塊形心上受到的水平地震荷載；

D——線(xiàn)荷載；

ω——線(xiàn)荷載與水平方向的夾角；

A——外部施加的水壓力。

3　工程應(yīng)用分析

3.1邊坡地質(zhì)狀況

湖北省武漢市某隧道的出口處為一邊坡，邊坡的左邊界最高點(diǎn)的高程是39.5m，右邊界最高點(diǎn)的高程是30.75m，邊坡的地寬是20.4m，邊坡總體較陡。邊坡地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

圖1　邊坡地質(zhì)剖面圖

由圖1可知，邊坡主要存在兩層土體，上層為含碎石粉質(zhì)粘土，下層為紅粘土。上層土體的最大埋深是14.0m，主要分布在邊坡的后壁，前緣分布較少，下層土體埋深較深，厚度較小，厚度都在3.0m左右。由于上層是含碎石的粉質(zhì)粘土，所以其孔隙率比較大，方便雨水的入滲，為強(qiáng)降雨的條件下邊坡的破壞埋下隱患，圖中藍(lán)線(xiàn)表示地下水位線(xiàn)的分布情況。

湖北省武漢市屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、氣候溫和、雨量充沛的氣候特征。冬夏溫差大，歷年7月份氣溫最高，平均氣溫為28.8℃～31.4℃，極端最高氣溫41.3℃（1934.8.10），歷年最低氣溫為1月，平均為2.6℃～4.6℃，極端最低氣溫-18.1℃（1977年11月30日）。每年7、8、9月為高溫期，12月至翌年2月為低溫期，并有霜凍和降雪發(fā)生。

本區(qū)域雨量充沛，氣候濕潤(rùn)，多年平均降雨量1261.2mm，降雨一般集中在6～8月，約占全年降雨量的41%。最大年降雨量2107.1mm，最大日降雨量317.4mm （1959.6.9），平均器皿蒸發(fā)量為1447.9mm，絕對(duì)濕度年平均為16.4毫巴，濕度系數(shù)為0.90，大氣影響急劇深度為1.35m。

3.2數(shù)值模型分析

3.2.1數(shù)值計(jì)算模型

通過(guò)分析邊坡情況和研究需要，在Geo-studio中建立邊坡模型，如圖2所示，本邊坡模型共計(jì)1158個(gè)節(jié)點(diǎn)，1110個(gè)單元。

3.2.2邊界條件

為了真實(shí)的表現(xiàn)邊坡內(nèi)部地下水位的情況，模型的地下水位線(xiàn)，采取多點(diǎn)分段的方法，左邊界總水頭設(shè)置為0.4m，坡體內(nèi)部?jī)?nèi)部點(diǎn)的總水頭分別為5.6m，右邊界的總水頭為6.2m，如圖2紅虛線(xiàn)所示。

由于兩層土體都存在非飽和狀態(tài)，所以?xún)蓪油馏w都設(shè)置為飽和-非飽和狀態(tài)。水位線(xiàn)以上左右邊界設(shè)置為自由流動(dòng)面。滑坡表面設(shè)置為隨降雨入滲變化的流量邊界條件來(lái)表現(xiàn)真實(shí)的降雨情況。

3.2.3降雨量和降雨時(shí)間

查詢(xún)武漢市的降雨條件可知最大的短期降雨量在300mm以上，為了真實(shí)地反映邊坡的穩(wěn)定性，采取降雨3d共300mm的強(qiáng)降雨作為模擬計(jì)算的降雨時(shí)間和降雨量。

圖2　邊坡模型

3.3降雨入滲分析

由地質(zhì)剖面圖可知，兩層土體都有非飽和區(qū)域，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得兩層土體的飽和滲透系數(shù)和飽和含水率如表1所示，調(diào)用seep模塊中自帶土水特征曲線(xiàn)模擬土體的土水特征曲線(xiàn)。

表1　土體的飽和滲透系數(shù)和飽和含水率

3.3.1孔隙水壓力變化情況

在3d的降雨過(guò)程中，土體中孔隙水壓力變化情況如圖3所示。

從圖3可以的得知，在3d的強(qiáng)降雨作用下邊坡的孔隙水壓力有所下降，并且在坡體的表面存在一定量的積水。在0～1d坡體的浸濕線(xiàn)推移比較快，同時(shí)坡體的孔隙水壓力變化也比較大；在1d～3d坡體的表面形成了飽和區(qū)并且隨時(shí)間的推移飽和區(qū)的面積越來(lái)越大，尤其是在坡角處積水較多，坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化速度減慢。

產(chǎn)生這個(gè)原因主要是在降雨前期土體比較干燥，降雨可以快速入滲所以土體的孔隙水壓力變化很明顯，但是由于上層土體的入滲速率比較小，所以后期降雨入滲變慢同時(shí)會(huì)在坡體表面產(chǎn)生飽和區(qū)，在重力的作用下飽和區(qū)會(huì)向邊坡的坡角移動(dòng)。所以為了防止隨坡體中積水的增加土體的重度增加，導(dǎo)致邊坡的下滑力增大，在邊坡治理和預(yù)防滑坡時(shí)必須設(shè)置排水溝將坡體表面的積水及時(shí)的排出。

圖3　邊坡在0d、0.5d、1d、1.5d、2d、3d時(shí)刻孔隙水壓力分布情況

3.3.2地下水位線(xiàn)變化情況

為了準(zhǔn)確的反應(yīng)地下水位線(xiàn)的變化情況，選取地下水位線(xiàn)變化最明顯的744點(diǎn)的孔隙水壓力的變化來(lái)從數(shù)據(jù)上反映地下水位線(xiàn)的抬升如圖4所示：

圖4　744點(diǎn)孔隙水壓力-時(shí)間的曲線(xiàn)關(guān)系

從圖4可以得到，經(jīng)過(guò)3d天強(qiáng)降雨作用，744點(diǎn)孔隙水壓力變化了3.2kp，轉(zhuǎn)化為水頭為0.317m水頭，地下水位線(xiàn)的抬升還是很明顯的，從而也影響了坡體內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力即基質(zhì)吸力的變化情況。

4　滑坡穩(wěn)定性分析

采取采用Geo-studio的seep得到孔隙水壓力值導(dǎo)入到slope中計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可以得到各土層的物理力學(xué)參數(shù)［5］如表2所示：

表2　邊坡穩(wěn)定性分析的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

經(jīng)歷3d共300mm的強(qiáng)降雨作用下，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)如表3所示：

表3　各種計(jì)算法下穩(wěn)定性安全系數(shù)

從表中的安全系數(shù)可以得到，無(wú)論采用當(dāng)前常用邊坡分析的那種方法，此邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低值都在0.2左右，并且從穩(wěn)定狀態(tài)（大于1）變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)（小于1），所以必須采取治理措施才能保證邊坡的穩(wěn)定性。

5　結(jié)論及建議

本文以武漢某隧道出口邊坡為工程實(shí)例，在邊坡的基本勘察報(bào)告的基礎(chǔ)之上，通過(guò)運(yùn)用數(shù)值模擬的方法得到在連續(xù)強(qiáng)降雨的作用下邊坡的孔隙水壓力變化，并采用多種方法計(jì)算了邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，表明邊坡有可能發(fā)生失穩(wěn)，并得到了以下結(jié)論：

⑴在連續(xù)強(qiáng)降雨作用下邊坡的孔隙水壓力會(huì)發(fā)生變化，但是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)由于土體的入滲速率有限導(dǎo)致后期的變化變緩，從而也導(dǎo)致了邊坡的變面會(huì)產(chǎn)生積水在坡體中產(chǎn)生飽和區(qū)增加了土體的重度不利于邊坡的穩(wěn)定；

⑵連續(xù)的強(qiáng)降雨也會(huì)導(dǎo)致地下水位線(xiàn)的抬升影響負(fù)孔隙水壓力即基質(zhì)吸力的減少，導(dǎo)致邊坡的抗剪強(qiáng)度降低從而降低邊坡的穩(wěn)定性；

⑶在邊坡的治理時(shí)尤其是在降雨比較充足的地區(qū)必須考慮到降雨對(duì)邊坡的影響，為了保證邊坡的穩(wěn)定性，建議可以采取坡面安置排水溝及時(shí)排出表面的積水避免在坡體中形成飽和區(qū)增加土體的重度，同時(shí)可以也可以在坡體中打錨索增加其抗剪強(qiáng)度和在坡體表面噴射混凝土阻止雨水的滲入影響邊坡的穩(wěn)定性。●

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