強(qiáng)降雨下的高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

劉麗琴

(赫章縣水務(wù)局，貴州 赫章 553200)

0 引 言

高邊坡的穩(wěn)定性研究一直都是巖土工程領(lǐng)域的熱門研究方向，影響邊坡穩(wěn)定性的因素有許多，其中降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響較大，已有學(xué)者對其做了大量研究。如張明[1]等通過統(tǒng)計(jì)學(xué)研究和機(jī)理研究，總結(jié)了降雨型滑坡的研究歷史和現(xiàn)狀；王述紅[2]等通過數(shù)值模擬軟件，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡滲流場與應(yīng)力場耦合下的安全系數(shù)，研究了降雨影響邊坡穩(wěn)定性的機(jī)理；汪華斌[3]等基于室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，提出新的數(shù)值模擬邊界條件，改進(jìn)了傳統(tǒng)方法；吳永[4]等從能量的角度研究入滲的裂縫水對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了邊坡裂縫、降水入滲以及滑動(dòng)面的形成機(jī)制；李寧[5]等采用非飽和土模型和改進(jìn)后的入滲模型對降雨入滲模型進(jìn)行改進(jìn)，并提出一個(gè)降雨作用下的邊坡失穩(wěn)的簡化模型；蔣中明[6]等通過編寫程序?qū)Ψ秋柡蜐B流計(jì)算模型進(jìn)行了完善，并與已有研究對比，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性模型試驗(yàn)；余培杰[7]通過采用數(shù)值模擬的方法，評估了降雨入滲對邊坡的影響程度，發(fā)現(xiàn)不同坡比的破壞模式也極為不同。

綜上研究可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降雨的入滲對邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力、應(yīng)力場和穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響。因此，本文將采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對強(qiáng)降雨作用下的高邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

本文基于某礦區(qū)邊坡工程，對強(qiáng)降雨下的邊坡失穩(wěn)進(jìn)行研究。該工程邊坡高陡，邊坡臺(tái)階標(biāo)高最高為555 m、最低為395 m，邊坡的最大高度可達(dá)255 m，邊坡角最小為36°、最大43°，臺(tái)階的坡面角最大65°、最小43°，臺(tái)階高度11.85 m。地質(zhì)剖面圖見圖1。該區(qū)域年降雨量較大，平均年降雨量可達(dá)1 500 mm以上。

圖1 邊坡模型圖

2 礦區(qū)邊坡模型建立

FLAC3D軟件采用有限差分法對模型進(jìn)行有限元分析，能夠模擬分析土體、巖石以及其他材料的受力特性，能夠?qū)Ω鞣N材料的塑性破壞進(jìn)行模擬分析，且不需要計(jì)算剛度矩陣，對內(nèi)存空間的要求較低，故本文利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型。為保證計(jì)算結(jié)果可靠，模型需符合工程實(shí)際，根據(jù)地質(zhì)剖面圖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行建模，并對該模型進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測，見圖1。本模型X軸與Y軸長度均為1 000 m，其中X軸垂直于礦體走向，Y軸平行于礦體走向，Z軸垂直于X-Y平面。為了研究強(qiáng)降雨下的坡體穩(wěn)定性，本文對模型進(jìn)行強(qiáng)降雨模擬，降雨量參考該地區(qū)最大日降雨量75.8 mm/d，對模型在模擬強(qiáng)降雨6、12、18和24 h后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。模型相關(guān)參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 降雨入滲對孔隙水壓力的影響分析

為分析降雨入滲對空隙水壓的影響，本文根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的位置選取3個(gè)剖面進(jìn)行監(jiān)測。不同降雨時(shí)間下現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡孔隙水壓力云圖見圖2，不同降雨時(shí)間下邊坡孔隙水壓力變化情況見圖3。

圖2 不同降雨時(shí)間下現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡孔隙水壓力云圖

圖3 不同降雨時(shí)間與邊坡孔隙水壓力關(guān)系圖

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡的孔隙水壓力隨降雨時(shí)間的變化趨勢有些差異。降雨初期，現(xiàn)狀邊坡的土體和巖體尚未飽和，強(qiáng)降雨引起的入滲導(dǎo)致該坡體的淺層水位有所上升，部分監(jiān)測區(qū)域可以觀測到較大面積的負(fù)孔隙水壓力區(qū)域，分布位置較廣；小部分監(jiān)測區(qū)域觀測到少數(shù)負(fù)孔隙水壓力區(qū)域，但隨著持續(xù)強(qiáng)降雨，土體和巖體趨近于飽和狀態(tài)會(huì)形成徑流，而在坡底處的負(fù)孔隙水壓力會(huì)逐漸上升，并比坡頂處先出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，即孔隙水壓力為零的區(qū)域，而且不斷向坡頂發(fā)展，暫態(tài)飽和區(qū)面積在持續(xù)模擬強(qiáng)降雨12h后達(dá)到最大。而最終邊坡則略有不同，在模擬強(qiáng)降雨初期，在所有監(jiān)測區(qū)域觀測到負(fù)孔隙水壓力區(qū)域，且均為大面積，伴隨模擬強(qiáng)降雨的進(jìn)行，在邊坡內(nèi)部也觀測到負(fù)孔隙水壓力區(qū)域，模擬強(qiáng)降雨12h后暫態(tài)飽和區(qū)在南部坡底率先出現(xiàn)；而北部坡底直到模擬強(qiáng)降雨18 h后才觀測到暫態(tài)飽和區(qū)，并隨時(shí)間逐步向坡頂發(fā)展，且在坡底達(dá)到最大。

3.2 邊坡應(yīng)力場分析

不同降雨時(shí)間下現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡最大剪切應(yīng)力云圖見圖4。不同降雨時(shí)間下邊坡最大剪應(yīng)力變化情況見圖5。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀和最終邊坡的剪切應(yīng)力變化較大的位置均出現(xiàn)在坡角處，且相同降雨時(shí)間下，現(xiàn)狀邊坡的應(yīng)力比最終邊坡小。剪切應(yīng)力變化最大的時(shí)間段出現(xiàn)在模擬強(qiáng)降雨6 h后，6 h后剪切應(yīng)力依舊隨時(shí)間增大，但變化趨勢減緩。究其原因，是由于入滲的水分增大了邊坡巖石土體的自重，當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)形成徑流，并流向坡底處，使剪切應(yīng)力變化最大的位置出現(xiàn)在坡底，所以在坡腳處出現(xiàn)滑動(dòng)面，從而由坡腳剪出并發(fā)生剪切破壞的可能性最大。

圖5 不同降雨時(shí)長與最大剪應(yīng)力關(guān)系圖

3.3 邊坡安全系數(shù)分析

邊坡穩(wěn)定系數(shù)與模擬降雨時(shí)長的關(guān)系見圖6；現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡的安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在未降雨時(shí)，現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，邊坡的穩(wěn)定性不斷下降。而模擬降雨6 h后，最終邊坡的安全系數(shù)比現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)大。原因是開挖后的最終邊坡出露的灰?guī)r抗水性以及抗風(fēng)化性質(zhì)比現(xiàn)狀邊坡出露的石英巖要好，不易被水軟化。

圖6 不同降雨時(shí)長與邊坡安全系數(shù)關(guān)系圖

表2 不同降雨條件下邊坡安全系數(shù)表

4 結(jié)論與建議

本文通過FLAC3D軟件對強(qiáng)降雨作用下礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1) 降雨初期，巖土體尚未飽和，降雨入滲會(huì)導(dǎo)致淺層水位上升，引起較大面積的負(fù)孔隙水壓力區(qū)域；長時(shí)間降雨后，巖土體趨于飽和并在坡體表面形成徑流，引起暫態(tài)飽和區(qū)，并不斷向坡頂發(fā)展。

2) 通過對邊坡應(yīng)力場的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀和最終邊坡的剪切應(yīng)力變化較大的位置均出現(xiàn)在坡角處，且相同降雨時(shí)間下，現(xiàn)狀邊坡的應(yīng)力比最終邊坡小。剪切應(yīng)力變化最大的時(shí)間段出現(xiàn)在模擬強(qiáng)降雨6 h后，6 h后剪切應(yīng)力依舊隨時(shí)間增大，但變化趨勢減緩。

3) 由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在未降雨時(shí)，現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著降雨時(shí)間的持續(xù)，邊坡的穩(wěn)定性不斷下降。