降雨對(duì)邊坡滲流特征及穩(wěn)定性影響研究

摘 要：為研究大雨和暴雨工況下，昔格達(dá)土邊坡滲流場特性及邊坡穩(wěn)定性。本文采用數(shù)值模擬軟件分析了降雨對(duì)邊坡土壤含水量及孔隙水壓力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，降雨對(duì)邊坡坡頂、坡中及坡腳不同位置處的土體含水率和孔隙水壓力均有顯著的影響。由于降雨的軟化作用，土體容易形成軟弱滑動(dòng)面，導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低或者整體失穩(wěn)。降雨對(duì)邊坡有劣化作用，且對(duì)邊坡穩(wěn)定性有滯后效應(yīng)。因此，應(yīng)加強(qiáng)雨后邊坡的變形監(jiān)測，出現(xiàn)坡體大變形時(shí)須及時(shí)采用控制措施，保障邊坡安全。

關(guān)鍵詞：昔格達(dá)土邊坡；穩(wěn)定性降雨；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U 416" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

邊坡穩(wěn)定性是山區(qū)基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要工程問題。既有研究表明，影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，例如降雨、地質(zhì)條件、地形地貌、地震及人類擾動(dòng)等。其中，降雨因素被認(rèn)為是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。針對(duì)邊坡穩(wěn)定性，閆慧等[1]基于ABAQUS數(shù)值模擬系統(tǒng)地研究了降雨對(duì)路堤邊坡滲流規(guī)律及穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，降雨時(shí)間越長，邊坡滲透深度越大，邊坡穩(wěn)定性越差。秦金橋等[2]基于流固耦合理論研究了雨對(duì)邊坡滲流場與穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度越大，持續(xù)時(shí)間越長，邊坡的穩(wěn)定性下降速率也越快。傅洪金等[3]依托福建省典型邊坡失穩(wěn)工程案例，給出了降雨入滲和地下水滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得到了地下水的滲流場、軟化作用和浮托作用的變化規(guī)律。

昔格達(dá)土層邊坡多為層狀邊坡，但目前關(guān)于相關(guān)的邊坡穩(wěn)定性研究比較少。本文以某地的土質(zhì)滑坡為研究對(duì)象，基于數(shù)值模擬軟件，開展了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，最后采用Morgenstern-Price方法計(jì)算了邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，本文的研究可為滑坡的加固及治理提供借鑒。

1 工程概況及數(shù)值模型

1.1 工程概況

某邊坡體現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑坡縱向長度為80m，坡度20°，主滑方向?yàn)?85°，剖面上陡下緩。鉆探資料顯示，坡體結(jié)構(gòu)呈層狀分布，滑體為典型的基覆界面土層。上部滑體為坡殘積土，顏色為褐色-黃褐色，局部有塊碎石，厚度介于1m～4m。底部為第三系昔格達(dá)粉砂土，工程性質(zhì)差?；鶐r為昔格達(dá)粉砂巖?；碌湫推拭鎴D如圖1所示。

1.2 數(shù)值模型

根據(jù)典型剖面（圖1）建立數(shù)值計(jì)算模型。模型的邊界條件為約束模型底部3個(gè)方向的自由度，約束模型左右兩側(cè)邊界水平方向的位移。巖土體采用的破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫倫本構(gòu)，具體計(jì)算參數(shù)見表1。此外，室內(nèi)進(jìn)行篩分試驗(yàn)得到研究區(qū)滑坡土體的級(jí)配曲線，如圖2所示。根據(jù)土顆粒級(jí)配曲線擬合得到昔格達(dá)粉砂土-水特征曲線。

采用GEO-STUDIO中的SEEP/W模塊進(jìn)行滲流分析。計(jì)算邊坡內(nèi)部滲流場變化情況，分析不同位置孔隙水壓力及體積含水量等指標(biāo)。此外，采用SLOPE/W模塊計(jì)算獲取邊坡內(nèi)部基質(zhì)吸力分布規(guī)律、邊坡的潛在滑動(dòng)面分布形態(tài)以及穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含水率變化情況

圖3匯總得到了坡頂處體積含水量變化規(guī)律。結(jié)果表明，在暴雨工況下，當(dāng)降雨持續(xù)48h時(shí)，監(jiān)測斷面出現(xiàn)飽和區(qū)域，隨降雨持續(xù)進(jìn)行，飽和區(qū)不斷擴(kuò)大。當(dāng)時(shí)間為96h時(shí)，降雨入滲深度可達(dá)3m深，飽和深度可達(dá)2m。當(dāng)降雨停止后，雨水入滲持續(xù)進(jìn)行，但飽和區(qū)開始出現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)時(shí)間為168h時(shí)，雨水最大入滲深度為3.5m。此外，當(dāng)降雨停止后，在高程為88m位置以上，相同深度位置的含水量隨時(shí)間增大而減小，而在高程88m位置以下相同深度位置的含水量隨時(shí)間增大而增大。此外，在大雨工況下，監(jiān)測斷面的含水量變化規(guī)律基本與暴雨工況相同，但降雨入滲深度明顯減小，且隨時(shí)間增大，濕潤鋒深度增大。

圖4匯總得到了暴雨和大雨工況下，坡中間位置處土體體積含水量變化規(guī)律。結(jié)果表明，在暴雨工況下，當(dāng)降雨小于48h時(shí)，滲流主要出現(xiàn)在坡面處，當(dāng)降雨大于48h以后，降雨向下入滲。當(dāng)時(shí)間為96h時(shí)，覆蓋層達(dá)到完全飽和狀態(tài)，最大入滲深度為1.5m，且土層分界面處附件含水量分布發(fā)生突變。降雨停止后，坡體深部的含水量明顯大于表層土體。由此可見，當(dāng)降雨停止后，降雨仍然向下發(fā)生滲透，導(dǎo)致淺層土體含水量變小。當(dāng)時(shí)間為168h時(shí)，土層分界面處殘積物含水量大于0.35，處于近飽和狀態(tài)。此外，在大雨工況下，降雨入滲深度明顯變小，當(dāng)時(shí)間為96h（降雨結(jié)束）時(shí)，雨水沒有滲透至地層分界面處。當(dāng)降雨結(jié)束后72h時(shí)，雨水入滲至土層分界面處，導(dǎo)致上下土層的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。雖然雨水入滲深度沒有明顯加深，但相同位置處的體積含水量仍有所升高。

匯總暴雨和大雨工況下，坡腳位置處土體體積含水量變化規(guī)律，結(jié)果表明，暴雨工況下，當(dāng)降雨持續(xù)48h時(shí)，覆蓋層表面土體已經(jīng)達(dá)到飽和，且雨水滲透至昔格達(dá)地層中，當(dāng)降雨時(shí)間為96h時(shí)，降雨入滲至昔格達(dá)粉砂層3m深度處。由于入滲深度不同，導(dǎo)致在入滲深度范圍內(nèi)土體的力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異。降雨過程中，覆蓋層達(dá)到飽和的時(shí)間非常短，當(dāng)降雨停止后，土層面附近坡殘積土含水量約為0.35，證明雨停后層面附近處的含水量仍處于較高水平。

2.2 孔隙水壓力變化情況

匯總坡頂處孔隙水壓力變化規(guī)律如圖5所示。結(jié)果表明，坡頂處的滲流均發(fā)生在覆蓋層內(nèi)，暴雨工況下，在雨水入滲深度范圍內(nèi)，孔隙水壓力持續(xù)增大。當(dāng)降雨停止后，孔隙水壓力分布表現(xiàn)出明顯的兩階段特征。1）在高程87m以下，土體孔隙水壓力逐漸消散。2）在高程87m以上，土體孔隙水壓力逐漸增大。此外，在大雨工況下，降雨入滲深度持續(xù)減小，且入滲完全發(fā)生在覆蓋層內(nèi)。

匯總坡中部處孔隙水壓力變化，結(jié)果表明，暴雨工況下，降雨時(shí)間小于72h，降雨入滲會(huì)導(dǎo)致覆蓋層孔隙水壓力發(fā)生明顯變化。隨降雨持續(xù)進(jìn)行，相同位置處的土體孔隙水壓力逐漸變大，當(dāng)降雨時(shí)間為96h時(shí)，雨水入滲至昔格達(dá)土體1m深度位置。由于昔格達(dá)粉砂土飽和含水量小于上層坡殘積土，因此導(dǎo)致孔隙水壓力增長范圍變大。在大雨工況下，降雨未達(dá)到昔格達(dá)土層內(nèi)，孔隙水壓力變化比較均勻，但持續(xù)增大，且均為正值。

匯總坡腳處孔隙水壓力變化規(guī)律，結(jié)果表明，暴雨工況下，覆蓋層厚度為1m范圍內(nèi)的粉砂土達(dá)到飽和，層面附近的孔隙水壓力增大范圍變化顯著。由于土層間力學(xué)性質(zhì)的差異性，當(dāng)降雨停止后，坡體內(nèi)孔隙水壓力隨高程分布存在分區(qū)現(xiàn)象。其中，覆蓋層中孔隙水壓力明顯減小，而昔格達(dá)粉土地層中，孔隙水壓力隨時(shí)間延長而變大。大雨工況下，孔隙水壓力隨降雨持續(xù)進(jìn)行而增加，當(dāng)時(shí)間為96h時(shí)，土體內(nèi)部孔隙水壓力仍為負(fù)值，降雨結(jié)束時(shí)，由于雨水不斷入滲，孔隙水壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠?/p>

2.3 邊坡破壞機(jī)理分析

匯總不同降雨工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在2種降雨工況下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均隨時(shí)間延長均呈先變小后變大的趨勢。其中，在降雨期間，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，表明降雨不斷入滲至邊坡不同深度處，是造成邊坡的穩(wěn)定性有所差異的主要原因。當(dāng)降雨時(shí)刻為24h～48h時(shí)，由于雨水入滲至土層分界面處，該區(qū)附近土體孔隙水壓力發(fā)生變化，此時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降速度顯著增大。當(dāng)降雨大于40h時(shí)，水分進(jìn)入昔格達(dá)粉砂土后，滲透深度持續(xù)增大導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，由于粉砂土滲透性比上層坡殘疾土更差，因此，雨水入滲更慢，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降速率減小。雨水結(jié)束后，坡體內(nèi)部的水分不能迅速排出，導(dǎo)致穩(wěn)定性仍有所降低。當(dāng)雨水停止120h后，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最小。隨后，由于雨水不斷排出坡體內(nèi)部，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性逐漸提高。此外，由于降雨強(qiáng)度不同，暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性明顯低于大雨工況下的邊坡穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型，系統(tǒng)地研究了降雨對(duì)昔格達(dá)土邊坡滲流場特征及穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論。1）在降雨進(jìn)行過程中，隨雨水向下入滲，水分逐漸在土體中積累。降雨停止后，雨水在一段時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)向下滲透，由于土層滲透性存在差異，因此導(dǎo)致坡殘積土和昔格達(dá)粉砂土中土體含水率及孔隙水壓力的分布規(guī)律有明顯不同。2）滑動(dòng)面或者土層界面處的含水量及孔隙水壓力會(huì)發(fā)生突變，其中土層界面的土體處于較高的含水量狀態(tài)，而昔格達(dá)粉砂土由于降雨的軟化作用，容易形成軟弱滑動(dòng)面，且在該面上，孔隙水壓力持續(xù)升高并延伸，導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性持續(xù)降低。3）降雨對(duì)邊坡有劣化作用，當(dāng)降雨在雨停后一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)繼續(xù)入滲，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性在雨停后仍會(huì)明顯下降，邊坡穩(wěn)定性對(duì)降雨有滯后效應(yīng)。4）根據(jù)本文的結(jié)果可知，由于降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響具有滯后性，實(shí)際工程中需要持續(xù)關(guān)注降雨后的一段時(shí)間內(nèi)邊坡的穩(wěn)定性，出現(xiàn)坡體大變形時(shí)須及時(shí)采用控制措施。

參考文獻(xiàn)

[1]閆慧，張晨陽.降雨對(duì)路堤邊坡滲流規(guī)律及穩(wěn)定性影響分析[J].土工基礎(chǔ)，2022，36（5）：743-746，751.

[2]秦金橋，王大群.降雨對(duì)公路邊坡滲流場與穩(wěn)定性影響研究[J].路基工程，2020（5）：120-125.

[3]傅洪金.降雨入滲和地下水滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析[J].福建交通科技，2016（3）：1-6.