降雨強度及持時對邊坡穩(wěn)定性影響研究

鐘曦岳

(大連市水利建筑設(shè)計院有限公司，遼寧 大連 116100)

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，土地資源日益稀缺，越來越多的工程開始修建于山區(qū)，邊坡護(hù)坡不當(dāng)往往造成山體滑坡、崩塌失穩(wěn)，造成財產(chǎn)重大損失和人員傷亡[1-2]。因此，邊坡穩(wěn)定性研究成為巖土工程領(lǐng)域的重點研究課題。降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響顯著。降雨水分在邊坡地表時，會逐漸向下滲透到邊坡體內(nèi)部，增大了邊坡土體的飽和度，降低了土體的抗剪強度，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，導(dǎo)致邊坡滑坡或坍塌。此外，降雨還會導(dǎo)致邊坡土體內(nèi)部的水壓增大，使得土體的抗剪強度進(jìn)一步降低。在強降雨時，水壓可能會很快上升，從而迅速引發(fā)邊坡失穩(wěn)。國內(nèi)外研究人員提出了各種理論和數(shù)值模擬方法評價降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性，包括極限平衡法、極限分析法和數(shù)值模擬方法，如有限元法、有限差分法、離散元法等[4]。趙衡等[5]利用FLAC3D軟件對某路塹邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出邊坡破壞方式為對稱破壞，并提出斜坡穩(wěn)定性極限平衡計算方法。喬翔等[6]針對某公路邊坡的剖面模型，采用極限平衡法對坡體不同部位進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并根據(jù)受力分析提出合理的邊坡加固方案。劉勇等[7]以改良的極限平衡法為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)測試和數(shù)值模擬技術(shù)，揭示降雨對邊坡安全系數(shù)產(chǎn)生顯著影響的影響因素，如降雨強度和降雨時長等，并計算了在降雨入滲作用下，非飽和土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

大量邊坡失穩(wěn)工程案例表明，邊坡土體在遭受降雨入滲作用時很容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。雨水的滲透會使坡面土體飽和度增加，導(dǎo)致其抗剪能力下降，嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。本文以某水庫邊坡為研究對象，分析降雨強度和持時對邊坡安全系數(shù)和變形滲流特征的影響，為降雨條件下邊坡的支護(hù)設(shè)計方案提供參考。

1 工程概況

某水庫邊坡模型示意圖如圖1所示，坡面前緣長10m，后緣長20m，橫向投影23m。邊坡主要巖性為坡積土，由泥巖露頭和早期淺成巖等巖性組成含少量碎石，碎石粒徑在5～15mm之間，含量約30%，坡積土下部為花崗巖基巖，厚約15～25m。斜坡土體的物理和力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)斜坡幾何尺寸和物理力學(xué)參數(shù)，利用ABAQUS軟件對對邊坡滲流及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析。

表1 斜坡面土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡模型示意圖

2 邊坡降雨入滲數(shù)值模擬

2.1 降雨強度對邊坡滲流的影響

在ABAQUS數(shù)值模擬中，降雨強度可以表示為單位流量q(m/h)。通過設(shè)置降雨邊界條件實現(xiàn)降雨入滲模擬。斜坡前后及地面采用固定約束邊界，以限制邊坡在該方向上的位移。邊坡除邊界位移條件限制外，還需設(shè)置孔隙水壓邊界條件。將邊坡前緣孔壓設(shè)置為零，降水滲透基底處孔隙水壓不為零，透水界線設(shè)置為離坡底位置10米處，其它區(qū)域設(shè)置為不透水界線。邊坡土體經(jīng)過雨水的滲透，會逐漸滲入土體內(nèi)部，導(dǎo)致土體飽和度增加，同時加大了孔隙水壓強。降雨強度為72h，邊坡不同位置的孔隙水壓分布云圖。如圖2所示。

圖2 雨量強度不同的邊坡孔壓分布情況

邊坡孔隙水壓沿深度逐漸減小，坡底處孔壓最高。邊坡最大孔隙水壓受降雨強度影響，降雨強度由5mm/h提高到10、15、20mm/h，最大孔壓分別提高到107.5、109.7和110.9kPa。隨著降雨強度的加大，邊坡安全系數(shù)在降雨持續(xù)72h內(nèi)逐步降低，見表2。這是因為降雨降低了坡面土體的抗剪強度。降雨強度增大，孔隙水入滲程度增大，導(dǎo)致土體的抗剪強度明顯降低。

不同降雨強度下邊坡等效塑性應(yīng)變云圖，如圖3所示。從圖中可以看出，降雨強度對邊坡塑性應(yīng)變有一定影響。在降雨強度不同的情況下，邊坡的失穩(wěn)區(qū)域從坡腳發(fā)展到坡頂，并形成連續(xù)近似圓弧的面，可視為滑動面。其中，15mm/h雨量強度下的斜坡塑性區(qū)貫穿的情況更為明顯。此外，隨著降雨強度的加大，邊坡最大塑性應(yīng)變也有所提高。例如，降雨強度為15mm/h時，邊坡可塑性應(yīng)變最大為4.306×10-1，而降雨強度為5和20mm/h時，邊坡塑性應(yīng)變最大為5.446×10-2和8.394×10-2。

圖3 不同于下坡雨量強度應(yīng)變示意圖

2.2 降雨持續(xù)時間對邊坡滲流的影響

不同降雨持續(xù)時間情況下，邊坡孔隙水壓分布云圖，如圖4所示。隨著降雨持續(xù)時間的增加，邊坡孔隙水壓逐漸增大，同時受降雨持續(xù)時間影響的還有邊坡最大孔隙水壓。最大孔隙水壓在降雨持續(xù)7h后達(dá)到最大值104.3kPa。降雨持續(xù)24h后，邊坡最大壓孔達(dá)121.3kPa。雨量持續(xù)增加至48h和72h后，坡面最大孔壓也相應(yīng)增加至102.5和104.3kPa。

圖4 下坡滲水示意圖降雨時長條件不同

2.3 降雨持續(xù)時間對邊坡穩(wěn)定性影響

隨著降雨持續(xù)時間增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也在逐漸降低，見表3。這是由于隨著持續(xù)時間的增加，總降雨量也相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致邊坡周圍的蓄水量越來越大，土體的孔壓和飽和度也在逐步增大，導(dǎo)致邊坡土體抗剪切強度因降雨入滲影響逐漸減小，極易發(fā)生山體滑坡災(zāi)害。因此，邊坡抗剪切強度會在降雨持續(xù)時間較長的情況下顯著降低，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低更為明顯[8]。

表3 與降雨持續(xù)時間條件下坡面穩(wěn)定系數(shù)不同

降雨強度5mm/h，降雨持續(xù)48h和72h后邊坡塑性應(yīng)變云圖，如圖5所示。由圖5(a)可知，坡面上的最大應(yīng)變是9.8×10-2，塑性區(qū)的最大應(yīng)變也是在圖5(b)中的坡腳處，最大應(yīng)變是8.39×10-3，并延伸到坡頂上的塑性應(yīng)變區(qū)，呈現(xiàn)連續(xù)貫通的近似圓弧面，由坡腳向坡頂方向發(fā)展至終止，可看作是邊坡的潛在滑動面。降雨持續(xù)時間不同會造成邊坡塑性變化。邊坡失穩(wěn)時塑性區(qū)隨著降雨持續(xù)增加而逐漸擴大范圍。這是由于雨水逐漸滲入土體內(nèi)部，造成土體飽和度增加，孔壓增大，對基質(zhì)的吸力降低，最終引起土體塑性變形而引起的。邊坡的安全系數(shù)隨著可塑性面積的增加而變小。此外，長時間的雨水浸潤，不僅使坡面表層土體抗剪強度降低，而且使坡面深部土體產(chǎn)生連續(xù)的滑動面，從而出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。

圖5 不同于下坡持續(xù)時間的雨量等有效適應(yīng)

3 結(jié)語

本文以某水庫邊坡為研究對象，采用有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS，分析邊坡在不同降雨強度和時長條件下的安全系數(shù)變化，得到以下結(jié)論。

(1)降雨強度增大會導(dǎo)致邊坡孔隙水壓增大，當(dāng)降雨強度為5、10、15、20mm/h時，邊坡土體最大孔壓分別為104.3、107.5、109.7、110.9kPa。

(2)降雨強度為5mm/h，坡腳最大應(yīng)變能力分別為9.8×10-2、8.39×10-3m，降雨歷時48和72h后，塑性應(yīng)變區(qū)從坡腳延伸至坡頂，形成潛在滑動面。

(3)降雨強度對邊坡的塑性應(yīng)變有明顯的影響，塑性應(yīng)變會因降雨強度的增大而增加。在降雨強度為5、10mm/h時，邊坡最大塑性應(yīng)變分別為5.446×10-2、8.394×10-2m，降雨強度為15mm/h時，邊坡最大塑性應(yīng)變?yōu)?.306×10-1m。