非飽和土邊坡滲流特性和穩(wěn)定性研究

史旭波，王 飛，孫娜科

（中冀建勘集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050200）

1 概述

降雨入滲、水位變動(dòng)等自然活動(dòng)常常影響邊坡穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)造成邊坡滑坡。我國作為世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最多的國家之一，每年因邊坡坍塌、滑坡等災(zāi)害導(dǎo)致的國家經(jīng)濟(jì)損失和人民生命安危不計(jì)其數(shù)。由此引發(fā)了科學(xué)界對(duì)邊坡問題研究的熱潮。

越來越多的科研工作者針對(duì)非飽和土邊坡滲流特性和穩(wěn)定性問題開展研究，并取得了一系列的成果。姚海林等[1]基于某非飽和膨脹土邊坡工程，通過建立三維數(shù)值模型研究了降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析。朱文彬等[2]利用數(shù)值模擬手段，開展了公路邊坡降雨引起的滲流分析，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。夏瓊等[3]通過有限元軟件對(duì)土質(zhì)路基邊坡滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究了不同降雨模型下邊坡的滲流特性和穩(wěn)定性。吳江鵬等[4]數(shù)值分析了土質(zhì)邊坡開挖下邊坡的變形破壞，并總結(jié)了邊坡的變形機(jī)理。基于此，深入研究了降雨作用下土質(zhì)邊坡變形破壞規(guī)律。廖紅建等[5]基于某庫岸邊坡工程，探討了庫區(qū)水位變化下坡體的穩(wěn)定性，并獲得了坡體滑動(dòng)的變形規(guī)律和機(jī)理。董金玉等[6]通過數(shù)值手段分析了庫水位升降對(duì)大型堆積體邊坡的影響，研究了邊坡的破壞機(jī)理，并進(jìn)一步對(duì)邊坡的變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)。徐晗等[7]通過ABAUQS有限元軟件，研究了降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定性，系統(tǒng)研究了降雨時(shí)長(zhǎng)和降雨強(qiáng)度等影響。

本文基于某實(shí)際邊坡工程，利用有限元軟件對(duì)該工程進(jìn)行模擬，研究了地下水位變化和降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

2 工程概況

某水庫作為著名的旅游景點(diǎn)，擬建高速公路穿越該庫岸區(qū)，對(duì)該庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境、庫區(qū)水質(zhì)、生物多樣性等都有影響。而且臨湖建設(shè)公路路堤邊坡，庫岸區(qū)復(fù)雜的水文環(huán)境對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性有著很大的影響。高速公路經(jīng)過時(shí)，臨湖段路堤邊坡通過拋石填湖制造平臺(tái)，然后在上面堆填路基填料并壓實(shí)形成路堤邊坡，邊坡的一部分在水面以下。湖面水位漲落受季節(jié)性降雨影響較大。經(jīng)過調(diào)查可知夏季水位高達(dá)175m，冬季枯水期水位在165m左右，水位漲落差達(dá)10m。

3 有限元模型的建立

3.1 三維數(shù)值模型

基于實(shí)際工程的水庫邊坡建立有限元數(shù)值模型，模型對(duì)邊坡的地形地質(zhì)條件做了一定簡(jiǎn)化處理，以方便計(jì)算。該邊坡由均質(zhì)的含礫粘性土構(gòu)成，邊坡的示意圖如圖1所示。邊坡的本構(gòu)關(guān)系采用M-C屈服準(zhǔn)則。模型的邊界條件如下：模型的底部約束x和y方向的位移，模型的左右邊緣約束x方向的位移，模型頂面，包括坡面和兩個(gè)平地面為自由邊界。網(wǎng)格類型為雙線性位移和孔壓下的四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元（CEP4P），其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共2060個(gè)，單元共有1982個(gè)。

圖1 模型示意圖

3.2 計(jì)算參數(shù)的選擇

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探資料，水庫邊坡土體參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為研究庫岸邊坡水位上升速率對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了四種不同水位上升速率工況：0.5m/d、1.0m/d、1.5m/d和2.0m/d（初始水位為165m，結(jié)束水位為175m）。

圖2給出了不同水位上升速率下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長(zhǎng)的變化曲線。如圖2所示，庫岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)曲線的變化規(guī)律一致：在邊坡水位上升過程中，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)首先緩慢變小，隨后快速變大。這是由于庫區(qū)水位上升過程的初期階段，土體含水率的增長(zhǎng)導(dǎo)致邊坡土體抗剪強(qiáng)度降低，其造成的不利影響大于邊坡滲水導(dǎo)致的水浮力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的有利影響。隨著水位的進(jìn)一步上升，邊坡滲水導(dǎo)致的水浮力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的有利影響逐漸擴(kuò)大，因此邊坡穩(wěn)定性迅速變好。對(duì)比四種不同水位上升速率工況的穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線可見，在水位上升高度一致的情況下，邊坡的最終穩(wěn)定性系數(shù)隨著水位上升速率的增大而增大。這是因?yàn)樗簧仙俾试娇欤吰聝?nèi)部土體浸潤(rùn)線明顯滯后于水庫水位，這導(dǎo)致指向邊坡內(nèi)部的動(dòng)水滲透壓力增大，因此邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)。綜上所述，水庫在蓄水過程中為保證庫岸邊坡的穩(wěn)定性，在水位上升初期，應(yīng)低速提升水庫水位；當(dāng)水位提升到某一高度后，需快速提升水位。

圖2 不同水位上升速率下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

為研究庫岸邊坡水位下降速率對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了四種不同水位下降速率工況：0.25m/d、0.50m/d、0.75m/d和1.00m/d（初始水位為175m，結(jié)束水位為165m）。

不同水位下降速率下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長(zhǎng)的變化曲線如圖3所示。如圖3所示，庫岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)曲線的變化規(guī)律一致：在邊坡水位下降過程中，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)首先迅速減小，隨后逐漸增大并趨于穩(wěn)定。這是由于庫區(qū)水位下降過程的初期階段，土體含水量降低導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低的有利影響遠(yuǎn)小于坡體內(nèi)外部分水位差導(dǎo)致的下滑力增大的不利作用，由此造成庫岸邊坡穩(wěn)定性急劇下降；當(dāng)水庫水位上升一定時(shí)間后，土體含水量降低導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低的有利影響起主導(dǎo)作用，從而庫岸邊坡穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)。對(duì)比四種不同速率的穩(wěn)定性系數(shù)可看出，當(dāng)下降水位的高度一定時(shí)，水位下降越快庫岸邊坡的最終穩(wěn)定性越差。綜上所述，水庫在排水過程中為保證庫岸邊坡的穩(wěn)定性，在水位下降初期，應(yīng)以較低的速率排水；當(dāng)水位下降到某一高度后，應(yīng)該加快排水速度。

圖3 不同水位下降速率下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

為研究不同降雨強(qiáng)度對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響（保持降雨時(shí)長(zhǎng)不變），分析了五種不同工況的結(jié)果。具體工況如下，降雨時(shí)長(zhǎng)為1d，停雨時(shí)長(zhǎng)為3d，降雨強(qiáng)度分別為：100mm/d、150mm/d、200mm/d、250mm/d和300mm/d。

不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長(zhǎng)的變化曲線如圖4所示。如圖4所示，未降雨條件下，庫岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)約為1.24。從圖中可以看出，不同降雨強(qiáng)度條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律一致：庫岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著作用時(shí)長(zhǎng)先迅速減小，隨后逐漸增大直至趨于穩(wěn)定。降雨強(qiáng)度為100mm/d、150mm/d、200mm/d、250mm/d和300mm/d時(shí)的最小穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.17、1.14、1.11、1.09和1.085，可見邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強(qiáng)度的增大越來越差，且邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降速率也越來越大。從穩(wěn)定性系數(shù)曲線上升段部分可以看出，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)增大幅度隨著降雨強(qiáng)度的增大而加快，這是由于降雨時(shí)長(zhǎng)條件下，坡內(nèi)浸潤(rùn)線隨降雨強(qiáng)度增大而變高。當(dāng)停雨后，坡內(nèi)浸潤(rùn)線越高的工況坡內(nèi)滲水量愈大，孔隙水壓力消散速度也加快，土體抗剪強(qiáng)度也愈大，因此邊坡穩(wěn)定性系數(shù)增大幅度更大。但當(dāng)降雨強(qiáng)度超過250mm/d時(shí)，邊坡穩(wěn)定性曲線上升段曲線重合，這說明此時(shí)降雨強(qiáng)度與穩(wěn)定性系數(shù)無關(guān)，這是由于當(dāng)降雨強(qiáng)度超過250mm/d時(shí)，邊坡土體已飽和，坡內(nèi)浸潤(rùn)線高度一樣，因此停雨后的下降速率無差別。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

為研究不同降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響（保持降雨強(qiáng)度為135mm/d不變），分析了五種不同工況的結(jié)果。降雨時(shí)長(zhǎng)分別為1d、1.5d、2d、2.5d和3d，與之對(duì)應(yīng)的停雨時(shí)長(zhǎng)分別為4d、3.5d、3d、2.5d和2d。

不同降雨時(shí)長(zhǎng)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長(zhǎng)的變化曲線如圖5所示。如圖5所示，未降雨條件下，庫岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)約為1.24。從圖中可以看出，不同降雨時(shí)長(zhǎng)條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律一致：庫岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著作用時(shí)長(zhǎng)先減小后增大。降雨時(shí)長(zhǎng)分別為1d、1.5d、2d、2.5d和3d的最小穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.147、1.121、1.092、1.092和1.092。從降雨時(shí)長(zhǎng)為1d、1.5d、2d三個(gè)工況可以看出，庫岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，其下降速率增大。從降雨時(shí)長(zhǎng)為2.5d、3d兩個(gè)工況可以看出，當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)不低于2.5d時(shí)，庫岸邊坡最終穩(wěn)定性一致。對(duì)比降雨時(shí)長(zhǎng)1d、1.5d、2d三個(gè)工況曲線的上升段可以發(fā)現(xiàn)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，其增長(zhǎng)速率越快。這是由于降雨時(shí)長(zhǎng)條件下，坡內(nèi)浸潤(rùn)線隨降雨強(qiáng)度增大而變高。當(dāng)停雨后，坡內(nèi)浸潤(rùn)線越高的工況坡內(nèi)滲水量愈大，孔隙水壓力消散速度也加快，土體抗剪強(qiáng)度也愈大。對(duì)比降雨時(shí)長(zhǎng)2d、2.5d、3d三個(gè)工況曲線的上升段可以發(fā)現(xiàn)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)增長(zhǎng)速率基本一致，這是由于該工況下降雨后的坡體浸潤(rùn)線一樣高。

圖5 不同降雨時(shí)長(zhǎng)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

本文基于某實(shí)際邊坡工程，利用有限元軟件對(duì)該工程進(jìn)行模擬，研究了地下水位變化和降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。主要得到以下結(jié)論：

（1）在邊坡水位上升過程中，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)首先緩慢變小，隨后快速變大。在水位上升高度一致的情況下，邊坡的最終穩(wěn)定性系數(shù)隨著水位上升速率的增大而增大。

（2）在邊坡水位下降過程中，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)首先迅速減小，隨后逐漸增大并趨于穩(wěn)定。當(dāng)下降水位的高度一定時(shí)，水位下降越快庫岸邊坡的最終穩(wěn)定性越差。

（3）邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強(qiáng)度的增大越來越差，且邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降速率也越來越大。邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增大而減小。