降雨作用下高填方邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

摘要：以貴州某高填方邊坡為例，采用有限元方法進(jìn)行邊坡的降雨入滲模擬和穩(wěn)定性分析。研究結(jié)果表明：在少雨期Ⅰ階段，邊坡內(nèi)孔隙水壓力和含水率增加幅度較小，巖土交界面存在較大的孔隙水壓力；在多雨期，邊坡的孔隙水壓力和含水率都大幅增加，孔隙水壓力由負(fù)到正；在少雨期Ⅱ階段，邊坡的孔隙水壓力和含水率開始降低，但坡腳變化較??；邊坡失穩(wěn)破壞始于坡腳，降雨導(dǎo)致的淺層滑動(dòng)與坡腳應(yīng)力集中，出現(xiàn)最大剪應(yīng)變，同時(shí)帶動(dòng)坡腳隆起破壞；對(duì)高填方邊坡而言，修建馬道可降低坡比，提高邊坡穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：降雨高填方邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：TU470

NumericalAnalysisofStabilityofHighFillSlopeUndertheActionofRainfall

MIAODinghua

WenzhouLuchengDistrictTrafficEngineeringQualityandSafetySupervisionStation，Wenzhou，ZhejiangProvince，325200China

Abstract：TakingahighfillslopeinGuizhouasanexample，therainfallinfiltrationsimulationandstabilityanalysisoftheslopearecarriedoutbyusingFiniteElementmethod.Theresearchresultsshow：InstageIofthelowrainfallperiod，theincreaseofporewaterpressureandmoisturecontentintheslopeissmall，andthereisalargeporewaterpressureattherock-soilinterface;Intherainyperiod，theporewaterpressureandmoisturecontentoftheslopeincreasesignificantly，andtheporewaterpressurechangesfromnegativetopositive;InstageⅡofthelowrainfallperiod，theporewaterpressureandmoisturecontentoftheslopebegintodecrease，butthechangesattheslopetoearesmall;Theslopeinstabilityfailurestartsatthetoeofslope，theshallowslidingcausedbyrainfallisduetothestressconcentrationatthetoeofslope，wherethemaximumshearstrainoccurs，andtheslidingalsodrivestheupliftandfailureofthetoeofslope;Forhighfillslopes，constructingahorseroadcanreducethedeformationoftheslopeandimproveitsstability.

KeyWords：Rainfall;Highfillslope;Stability;Numericalanalysis

高填方邊坡由于其填方量大，開挖難度大、存在不良地質(zhì)條件等特點(diǎn)，降雨條件下極易誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅[1-3]。

高填方邊坡的填筑會(huì)改變?cè)械孛布肮こ痰刭|(zhì)性質(zhì)，其高度大于等于20m，通常采用分層填筑[4-5]。降雨是誘發(fā)高填方邊坡滑塌的主要因素。2011年6月，攀枝花機(jī)場(chǎng)12#滑坡正是由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度減小，孔隙水壓力增大，坡體下滑力增大，最終邊坡發(fā)生較大變形，從而失穩(wěn)破壞[6-7]。Geo-studio是分析降雨作用下邊坡穩(wěn)定性的常用有限元軟件，它可以結(jié)合滲流場(chǎng)得到邊坡的變形破壞規(guī)律。高填方邊坡由于其工程性質(zhì)特殊，其變形破壞與降雨、地下水密切相關(guān)，其沉降變形都受水分遷移的影響。

本文針對(duì)降雨作用下的西南地區(qū)某高填方邊坡，采用有限元方法分析降雨作用下高填方邊坡的變形破壞規(guī)律，從而為邊坡地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警和滑坡治理提供參考。

1工程概況

甕安站位于貴州境內(nèi)，地處云貴高原山，山勢(shì)眾多。地勢(shì)起伏較大，地面高程1040～1300m，相對(duì)高差約260m；緩坡多被墾為耕地。甕馬線沿山腳緩坡地帶，地形左右起伏較大，左側(cè)山坡較陡多開挖高切坡，右側(cè)為自然斜坡15°～40°多填筑邊坡。甕馬鐵路在建設(shè)過程中，沿線形成大量深挖高切坡和高填方邊坡。路線范圍表層為坡殘積層紅黏土?；鶐r為頁巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、灰?guī)r。各地層巖性如下。

（1）紅黏土。棕黃色，棕紅色，硬塑，含10%～15%白云巖質(zhì)角礫，分布于斜坡地帶，厚0～2m，多具弱膨脹性，不能直接做填料。

（2）強(qiáng)風(fēng)化泥巖、灰?guī)r?；?guī)r為灰白色，中厚層～厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化泥巖為中厚層狀?；鶐r自上而下分別為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和灰?guī)r。根據(jù)高填方邊坡地質(zhì)條件，選擇不利于填方邊坡穩(wěn)定的地段作為計(jì)算研究剖面。填方邊坡每個(gè)斷面由坡頂對(duì)齊高程、采用1∶2的坡度確定坡腳，每級(jí)坡高為10m，每10m高度設(shè)置一個(gè)馬道，馬道寬度為2.5m。將原地基坡面的軟弱覆蓋層予以清除或加固處理，并將坡面做成臺(tái)階狀。

（3）巖土物理力學(xué)參數(shù)。飽和含水率40.3%，重度19.6kN·m-3，黏聚力24.3kPa，內(nèi)摩擦角14.2°，泊松比0.25，彈性模量7.21MPa，滲透系數(shù)1.0×10-4cm·s-1。

2邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1模型建立

利用Geo-Studio中的SEEP/W、SIGMA/W和SLOPE/W進(jìn)行分析。根據(jù)地形等高線、填方邊坡設(shè)計(jì)資料建立了邊坡地質(zhì)模型如圖1所示。數(shù)值模型長(zhǎng)85m，高40m，地層自下而上依次是灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和人工填土。巖-土界面設(shè)有4處監(jiān)測(cè)點(diǎn)（JC1、JC2、JC3、JC4），監(jiān)測(cè)其孔隙水壓力的變化?；贕eostudio中的土地氣候相互作用邊界，考慮貴州遵義2019年的降雨量、氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速，模型兩側(cè)為定水頭邊界，底部為不透水邊界，坡面為大地氣候相互作用邊界，持續(xù)時(shí)間365d。

2.2變形-滲流分析

圖（2）給出了高填方邊坡在不同降雨期的孔隙水壓力分布情況。由圖2（a）可知，1月份降雨較少，加之冬季天氣干燥，土體水分含量也較少，表層土體基本全部吸收雨水，在巖土交界面出現(xiàn)最大負(fù)孔隙水壓力。由圖2（b）可知，4月份雨水逐漸增多，表層土體孔隙水壓力增大，呈現(xiàn)正向增長(zhǎng)，但還未達(dá)到飽和，邊坡整體的孔隙水壓力增大。對(duì)比坡頂、坡中、坡底可以發(fā)現(xiàn)，由于雨水可聚集，坡頂和坡底表層土較快達(dá)到飽和，而坡中由于雨水不能匯集產(chǎn)生坡面流動(dòng)，未能入滲的雨水匯集到坡底，這也加快了坡底土體飽和。由圖2（c）可知，7、8月份屬于多雨期，此階段不僅降雨強(qiáng)度大，而且歷時(shí)長(zhǎng)，孔隙水壓為0的界面趨近于巖土交界面，邊坡內(nèi)部孔隙水壓力也出現(xiàn)了較大增長(zhǎng)，僅有小部分巖土交界面還存在較大負(fù)孔隙水壓力，這也表明，高強(qiáng)度的降雨會(huì)使孔隙水壓力出現(xiàn)較快增長(zhǎng)。由于地下水位抬升，正向孔隙水壓力高程逐漸增加。由圖2（d）可知，在經(jīng)歷多雨期后，降雨量減少，但前期降雨已致邊坡大部分土體飽和，隨著氣溫降低，蒸發(fā)減弱，加之短歷時(shí)的弱降雨繼續(xù)補(bǔ)充，邊坡整體出現(xiàn)了大面積的正孔隙水壓力，隨著降雨持續(xù)，土體完全飽和后，其孔隙水壓力將不再變化。

圖（3）、圖（4）給出了高填方邊坡在不同降雨期的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力及體積含水率分布情況。由圖可知，降雨存在明顯的3個(gè)時(shí)期，分別為少雨期Ⅰ、多雨期、少雨期Ⅱ，這也導(dǎo)致了邊坡內(nèi)部孔隙水壓力和體積含水量出現(xiàn)明顯變化波動(dòng)。在少雨期Ⅰ，邊坡整體體積含水率和孔隙水壓力相差不大，但隨著雨量增多，坡底首先出現(xiàn)較大含水率，降雨入滲和坡面匯集導(dǎo)致坡底的增長(zhǎng)速率明顯快于其他部位。在多雨期，邊坡體積含水率和孔隙水壓力都迅速增加，此時(shí)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)最差，需要加大對(duì)該時(shí)段的監(jiān)測(cè)。在少雨期Ⅱ，隨著降雨減少，孔隙水壓力和體積含水率都減少，地下水位下降。在蒸發(fā)作用下坡頂孔隙水壓力降低速率最快，其次是坡中心。JC1（坡底）點(diǎn)的體積含水率基本處于不變的狀態(tài)，說明該處降雨入滲和排泄達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖（5）至圖（7）給出了高填方邊坡在年度降雨內(nèi)馬道和坡腳處穩(wěn)定狀態(tài)的變化規(guī)律。由圖可知，高填方邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，馬道處的穩(wěn)定系數(shù)大于坡腳，這說明馬道的修建有助于提高邊坡的穩(wěn)定性。隨著降雨持續(xù)，邊坡中后部淺表層向下滑移，滑坡推移使得邊坡坡腳出現(xiàn)最大位移。入滲水分沿填土體內(nèi)孔隙排出時(shí)產(chǎn)生的推力，導(dǎo)致滑體表層變形較大，坡腳易隆起破壞，坡腳處出現(xiàn)最大剪應(yīng)變。這表明邊坡破壞一般從坡腳開始，由前文分析也可知，坡腳容易形成積水，這也加劇了其破壞。在多雨期，無論是馬道還是坡腳，其穩(wěn)定系數(shù)都會(huì)降低，但若沒有持續(xù)的強(qiáng)降雨，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，要做好多雨期邊坡的排水工作。在少雨期Ⅱ階段，受一年降雨的影響，與前兩階段相比，其穩(wěn)定狀態(tài)相對(duì)降低。在高速公路運(yùn)營(yíng)期，可以選擇在少雨期對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理。

3結(jié)論

本文以高填方邊坡為研究對(duì)象，對(duì)降雨作用下的邊坡穩(wěn)定性及破壞機(jī)制進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）強(qiáng)降雨初期，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，高填方邊坡填筑過程中壓實(shí)較好，雨水入滲速率較小，邊坡具有較好的穩(wěn)定性。

（2）少雨期Ⅰ階段，邊坡內(nèi)孔隙水壓力和含水率增加幅度較小。多雨期，隨著降雨強(qiáng)度增大，孔隙水壓力和含水率都大幅增加。表層填土體積含水率和孔隙水壓力在雨季達(dá)到最大值，坡腳變形破壞程度最為明顯，降雨滲流導(dǎo)致的淺層變形滑動(dòng)于坡腳處形成應(yīng)力集中，出現(xiàn)最大剪應(yīng)變，同時(shí)帶動(dòng)坡腳隆起破壞。

（3）馬道位置的穩(wěn)定性高于坡腳，這表明馬道在一定程度上可以提高邊坡的穩(wěn)定性。高速公路在運(yùn)營(yíng)期要做好豐雨季節(jié)的排水措施，密切監(jiān)控邊坡表面位移，防止滑塌破壞。

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