降雨入滲對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響

張喬軍

（貴州水利科技開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002）

1 引 言

邊坡失穩(wěn)問題是中國西南山區(qū)最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。研究表明，影響邊坡失穩(wěn)的因素有很多種，常見的比如降雨、地震、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)條件及水文條件等。其中降雨又是影響邊坡失穩(wěn)最重要的因素之一。目前大量學(xué)者針對降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響開展了研究。文章基于數(shù)值模擬，建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)地研究了降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)長對邊坡孔隙水壓力和穩(wěn)定性的影響。文章的研究可為類似工程提供參考。

2 數(shù)值模擬

文章采用GeoStudio 數(shù)值軟件進(jìn)行計(jì)算，分析邊坡在不同降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)長對邊坡穩(wěn)定性的影響。建立數(shù)值模型見圖1 所示。鑒定邊坡土體為典型的砂土類型。為了更直觀地分析邊坡不同位置的滲流及位移變化情況，文章選擇了兩個(gè)坡頂和坡腳代表性的監(jiān)測點(diǎn)（A 點(diǎn)和B 點(diǎn)，詳見圖1）。參考相關(guān)研究文章計(jì)算中采用的土體物理力學(xué)參數(shù)見表1 所示。計(jì)算中假定土體時(shí)連續(xù)均勻的介質(zhì)，且降雨強(qiáng)度在一定時(shí)間內(nèi)保持不變。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 邊坡典型剖面圖

文章計(jì)算了三種不同的降雨強(qiáng)度，分別為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d。兩種不同的降雨持續(xù)時(shí)間，分別為降雨停止后1 d和6 d。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 降雨強(qiáng)度對邊坡孔隙水壓力的影響

圖2 匯總得到不同降雨強(qiáng)對邊坡坡頂和坡腳位置處孔隙水壓力的影響。根據(jù)圖2（a）和圖2（b）對比分析可知。不同的降雨強(qiáng)度下，監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力隨降雨持續(xù)時(shí)間的增大而先增大后保持不變。在降雨時(shí)間小于10 h時(shí)，坡頂和坡腳的孔隙水壓力迅速增大，當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間大于12 h，監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力有所波動(dòng)隨后保持不變。其中孔隙水壓力隨降雨強(qiáng)度的增大而有所增大，對于監(jiān)測點(diǎn)A來說，在降雨強(qiáng)度為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d 工況下，孔隙水壓力的最大值分別為-25 kPa、-24 kPa和-19 kPa；對于監(jiān)測點(diǎn)B來說，在降雨強(qiáng)度為50 mm/d、100 mm/d 和150 mm/d 工況下，孔隙水壓力的最大值基本與A 點(diǎn)相同?？傮w來看，不同降雨強(qiáng)度下，兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化在0.4 kPa-2 kPa左右。

圖2 降雨強(qiáng)度對邊坡孔隙水壓力的影響圖

3.2 降雨歷時(shí)對砂坡孔隙水壓力的影響

圖3 匯總得到降雨持續(xù)時(shí)長對邊坡孔隙水壓力的影響。結(jié)果表明，坡體坡頂和坡腳位置處的降雨時(shí)間對孔隙水壓力影響明顯不同。圖3（a）結(jié)果表明，腳頂位置處的變化最明顯?？傮w來看，坡頂位置處的孔隙水壓力隨時(shí)間的增大而先增大后減小最后保持平穩(wěn)。對于降雨時(shí)長為1 h、降雨時(shí)長為2 h及降雨時(shí)長為3 h 下，坡頂位置處最大孔隙水壓力分別為-16 kPa、-13.8 kPa 和-13.6 kPa。圖3（b）結(jié)果表明，腳腳位置處的變化比較小，不同歷時(shí)下，坡腳位置處的孔隙水壓力基本保持不變，最大值均為-23 kPa?？傮w來看，降雨歷時(shí)在一定時(shí)長內(nèi)會(huì)比較顯著的影響邊坡孔隙水壓力的幅值，當(dāng)超過這個(gè)范圍對邊坡孔隙水壓力影響逐漸變?nèi)酢?/p>

圖3 降雨持續(xù)時(shí)長對邊坡孔隙水壓力的影響圖

此外，隨著降雨時(shí)間的增加，雨水入滲深度增大，水量供給量增多，滲入邊坡的水增多。根據(jù)水文學(xué)入滲原理，雨水滲入坡內(nèi)的深度隨降雨時(shí)間的增大而增大。

3.3 降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響

文章采用強(qiáng)度折減法得到邊坡在不同工況下穩(wěn)定性的變化情況。圖4 匯總得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，不同降雨強(qiáng)度下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律基本相同，均表現(xiàn)出隨時(shí)間的增大而先減小后增大。且邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而減小。對于降雨強(qiáng)度為50 mm/h時(shí)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由開始的1.25 降低至最小值1.18，隨后增大至1.19；對于降雨強(qiáng)度為100 mm/h 時(shí)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由開始的1.25 降低至最小值1.15，隨后增大至1.16；對于降雨強(qiáng)度為150 mm/h 時(shí)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由開始的1.25 降低至最小值1.123，隨后增大至1.15?？梢钥闯鋈N不同的降雨強(qiáng)度下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)都表現(xiàn)出先減小后有所增大的趨勢，這是因?yàn)殡S時(shí)間的增大，降雨入滲的一部分排出土體內(nèi)部，導(dǎo)致基質(zhì)吸力增大，土體的穩(wěn)定性上升。

圖4 降雨強(qiáng)度對邊坡穩(wěn)定性的影響圖

圖5 匯總得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨降雨歷時(shí)的影響。結(jié)果表明，不同降雨歷時(shí)對邊坡的穩(wěn)定系數(shù)的影響表現(xiàn)出較大的差異。其中三種不同的降雨歷時(shí)在降雨12 h前，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。當(dāng)降雨歷時(shí)為2 d 和3 d 時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在12 h后迅速上升，而降雨歷時(shí)為1 d，其上升速度不明顯。降雨歷時(shí)越大，降雨期間的穩(wěn)定性系數(shù)最大值越大。其中在降雨時(shí)長為1 d 時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最大值為1.125，最大值在降雨初期；在降雨時(shí)長為2 d時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最大值為1.165，最大值在20 h；在降雨時(shí)長為3 d時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最大值為1.165，最大值在降雨初期，最大值在42 h。可以看出，降雨歷時(shí)對邊坡的穩(wěn)定系表現(xiàn)出較強(qiáng)的初期失穩(wěn)和雨停失穩(wěn)現(xiàn)象。對于降雨歷時(shí)較小的邊坡穩(wěn)定性，需考慮降雨初期邊坡穩(wěn)定性，對于降雨歷時(shí)較大的邊坡穩(wěn)定性，則需要考慮雨停后的邊坡穩(wěn)定性。

圖5 降雨時(shí)長對邊坡穩(wěn)定性的影響圖

4 結(jié)論

①不同的降雨強(qiáng)度下，監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力隨降雨持續(xù)時(shí)間的增大而先增大后保持不變?？傮w來看，不同降雨強(qiáng)度下，坡頂和坡腳監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化在0.40-2 kPa。②坡體坡頂和坡腳位置處的降雨時(shí)間對孔隙水壓力影響明顯不同。坡頂位置處的孔隙水壓力隨時(shí)間的增大而先增大后減小最后保持平穩(wěn)。坡腳位置處的孔隙水壓力基本保持不變。降雨歷時(shí)在一定時(shí)長內(nèi)會(huì)比較顯著的影響邊坡孔隙水壓力的幅值，當(dāng)超過這個(gè)范圍對邊坡孔隙水壓力影響逐漸變?nèi)?。③不同降雨?qiáng)度下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間的增大而先減小后增大。這是因?yàn)殡S時(shí)間的增大，降雨入滲的一部分排出土體內(nèi)部，導(dǎo)致基質(zhì)吸力增大，土體的穩(wěn)定性上升。④降雨歷時(shí)對邊坡的穩(wěn)定系表現(xiàn)出較強(qiáng)的初期失穩(wěn)和雨停失穩(wěn)現(xiàn)象。