降雨及水位變化條件下路基邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

摘要：為研究降雨及水位變化條件下路基邊坡的穩(wěn)定性，文章以云南省騰沖市某沿河路基土質(zhì)邊坡工程為例，基于有限元數(shù)值模擬軟件分析了邊坡在不同工況下的安全系數(shù)變化規(guī)律和降雨-水位變化組合模式下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：不同降雨強(qiáng)度下邊坡的安全系數(shù)變化速率不同；坡體內(nèi)部初始水位越高，邊坡在降雨條件下越容易失穩(wěn)破壞；路基土質(zhì)邊坡經(jīng)過降雨-水位升降后，邊坡的穩(wěn)定性會大幅度下降。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；有限元分析；降雨作用；水位變化

中圖分類號：U416.1+4" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.008

文章編號：1673-4874（2024）11-0025-03

引言

隨著我國交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，公路工程建設(shè)的環(huán)境也日益復(fù)雜。我國西南山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的許多公路沿河修建，由于山區(qū)多變的氣候，路基邊坡多受到降雨及河流水位變化的影響，往往會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，對公路工程的建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，研究降雨及水位變化對公路邊坡穩(wěn)定性的影響十分重要。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者針對降雨及水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響開展了大量的研究。Pearce等［1］針對滑坡的滲流情況，首次提出了“浴缸模型”，該模型可根據(jù)孔壓及邊坡形態(tài)的變化來分析不同降雨條件下的滑坡演化過程，該模型為后續(xù)學(xué)者研究降雨條件下的滑坡變形機(jī)理及演化過程提供了新方法。靳紅華等［2］通過Midas GTS軟件分析了高陡邊坡在不同降雨情況下的滲流場變化規(guī)律，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)提出了預(yù)測該類高陡邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)方法，該方法綜合考慮了土體的物理特性及循環(huán)降雨對土體強(qiáng)度的影響，使預(yù)測值更加可靠。劉澤［3］通過數(shù)值模擬分析了巖質(zhì)邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性，通過分析孔隙水壓力、位移及穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律，估算了該巖質(zhì)邊坡在30年內(nèi)的水土流失情況，以此表示降雨對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。Thi等［4］對水位變化條件下沿河路段路堤邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，分析了安全系數(shù)及應(yīng)力分布的變化規(guī)律，結(jié)果表明，水位上升時(shí)，沿河路堤的穩(wěn)定性下降；水位下降時(shí)，路堤的穩(wěn)定性有所回升，安全系數(shù)增加。

上述學(xué)者的研究主要集中于降雨或水位變化單一條件下的邊坡穩(wěn)定性研究，較少考慮降雨及水位變化綜合條件對邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，本文在前人的研究基礎(chǔ)上，基于云南省某沿河公路工程，通過有限元軟件分析不同降雨及水位變化條件下土質(zhì)路基邊坡的穩(wěn)定性，并基于此分析降雨及水位變化組合作用下的邊坡穩(wěn)定性。該研究可為沿河路基邊坡工程提供相應(yīng)參考。

1工程概況

依托項(xiàng)目位于云南省騰沖市某路段，路線全長約60 km。本文所研究的路基邊坡位于該路段中部，臨近龍川江支流南通河，易受到河流的影響，河流全年最高水位約為11.8 m，最低水位約為9.8 m，流量受季節(jié)影響，為40～85 m3/s。研究區(qū)雨季為4～10月，年平均總降水量約為1 500 mm。地貌以中山地貌、侵蝕地貌、河谷堆積地貌為主。根據(jù)勘察報(bào)告，上覆層為以粉質(zhì)黏土為主的殘坡積土，粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)較松散，穩(wěn)定性差，通常為可硬塑狀，部分遇水會發(fā)生明顯的劣化。下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分區(qū)域巖溶發(fā)育，且發(fā)育不均勻。

研究區(qū)路段受暴雨及河流的影響，部分路基發(fā)生沉陷，路面由于水的侵泡，加之路基發(fā)生變形，產(chǎn)生了不均勻壓實(shí)及沉降現(xiàn)象，車轍的碾壓將進(jìn)一步對路面產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重影響了車輛通行。

2數(shù)值模擬分析

本章通過有限元軟件分析不同降雨及水位變化條件下土質(zhì)路基邊坡的穩(wěn)定性，并進(jìn)一步分析降雨及水位變化組合作用對邊坡穩(wěn)定性的影響［5］。

2.1模型構(gòu)建

細(xì)觀參數(shù)對有限元軟件模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，而軟件未給出細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的定量關(guān)系，因此土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)野外調(diào)查報(bào)告以及室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行確定。如下頁表1所示為巖土體力學(xué)參數(shù)。

通過實(shí)際簡化邊坡的幾何剖面圖，將模型X方向的值設(shè)置為50 m，在Y方向的值設(shè)置為30 m。網(wǎng)格尺寸根據(jù)不同位置設(shè)置不同大小，模型頂部及底部的單元尺寸為0.6 m，坡面尺寸加密處理，設(shè)為0.4 m。模型網(wǎng)格共包括58 482個(gè)節(jié)點(diǎn)以及44 235個(gè)單元。模型如下頁圖1所示。

2.2不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)降雨年平均值，將降雨強(qiáng)度分別設(shè)置為50 mm/d、95 mm/d、200 mm/d，降雨時(shí)間設(shè)置為3 d，邊坡在0～4 d的安全系數(shù)變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，各個(gè)降雨強(qiáng)度下的邊坡安全系數(shù)均隨著持續(xù)降雨而下降，但不同降雨強(qiáng)度的安全系數(shù)變化速率不同，降雨強(qiáng)度越大，安全系數(shù)下降速度越快。這是由于降雨強(qiáng)度越大，邊坡在同一時(shí)間內(nèi)其土體所滲入的水越多，此時(shí)含水率增長速率也越快，含水率的升高會使土體的基質(zhì)吸力減小，進(jìn)而減小了土體的抗剪強(qiáng)度，因此降雨強(qiáng)度越大安全系數(shù)下降越快［6-7］。

當(dāng)降雨結(jié)束后的1 d內(nèi)，各個(gè)降雨強(qiáng)度的安全系數(shù)均有回升趨勢，但回升速率亦有不同。降雨強(qiáng)度為50 mm/d、95 mm/d、200 mm/d的邊坡其安全系數(shù)的回升值分別為0.031、0.018、0.009，表明降雨強(qiáng)度越大，降雨結(jié)束后其安全系數(shù)回升速度越慢。分析其原因?yàn)椋麦w內(nèi)部的入滲量越大，其已飽和的土體體積也越大，當(dāng)降雨結(jié)束后，降雨強(qiáng)度越大的坡內(nèi)土體飽和度下降速度也就越小，土體的飽和度決定了其抗剪強(qiáng)度及抗滑力，因此安全系數(shù)的回升速率減小。

2.3不同初始坡內(nèi)水位下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)測水位值，將初始坡內(nèi)水位分別設(shè)置為1.0 m、2.0 m、3.0 m，降雨強(qiáng)度為95 mm/d，降雨時(shí)間設(shè)置為3 d，邊坡在0～4 d的安全系數(shù)變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，初始坡內(nèi)水位為1.0 m、2.0 m、3.0 m的邊坡在相同降雨強(qiáng)度及降雨時(shí)間下，其安全系數(shù)分別降低了1.12、0.131、0.136，其變化規(guī)律基本一致，表明在降雨作用下，土質(zhì)邊坡的坡內(nèi)初始水位越高，其安全系數(shù)下降越大，邊坡穩(wěn)定性更容易受到破壞。這是由于邊坡的初始地下水位線越高，雨水更容易從坡體到達(dá)地下水位處，二者的連通速率越快，土體的孔隙水壓力的增大速度也越快，降低了土體的抗剪強(qiáng)度及抗滑力，使安全系數(shù)的下降幅度增大［8］。

2.4不同水位升降速率下的邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)河流年平均水位值，將最低水位設(shè)置為9 m，最高水位設(shè)置為12 m，水位的升降速率分別設(shè)置為0.25 m/d、0.5 m/d、1 m/d、2 m/d。各個(gè)工況如表2所示。

如圖4所示為不同水位升降速率下邊坡的安全系數(shù)變化曲線圖。由圖4（a）可知，邊坡的穩(wěn)定性隨著河流水位的提升而增強(qiáng)，而不同上升速率其安全系數(shù)的變化速率不同，上升速率越快，安全系數(shù)的變化速率越快。分析其原因?yàn)椋恿鞯乃簧仙俾逝c坡內(nèi)水體滲流速率相比較快，經(jīng)過一定時(shí)間后，坡體的內(nèi)外由于速率不同會產(chǎn)生一定的動水壓力，動水壓力可增強(qiáng)土體的抗滑力，從而使邊坡的安全系數(shù)增大。而水位的上升速率越快，坡體內(nèi)外的水位的高差越大，動水壓力也越大，因此安全系數(shù)上升速率有所不同。

由圖4（b）可知，邊坡的穩(wěn)定性隨著水位的下降而降低，不同下降速率其安全系數(shù)的變化速率不同，下降速率越快，安全系數(shù)的變化速率越快。該現(xiàn)象同樣因河流的水位下降速率與坡內(nèi)水體滲流速率不同，二者由于速度差而產(chǎn)生方向向坡表外部的滲水壓力，向外的滲水壓力會增大坡體的下滑力，從而使安全系數(shù)下降。而水位的下降速率越快，坡體內(nèi)外水位的高差越大，滲水壓力也越大，因此安全系數(shù)下降速率有所不同。

2.5降雨與水位變化組合條件下邊坡穩(wěn)定性分析

基于上述分析，進(jìn)一步探究降雨與水位變化耦合作用下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，組合模式如圖5所示［9］。

如圖6所示為組合模式下邊坡的安全系數(shù)變化曲線。由圖6可知，組合模式下的安全系數(shù)變化綜合了各個(gè)單因素影響下的變化趨勢：在路基邊坡受到3 h的強(qiáng)降雨影響下，邊坡穩(wěn)定性急劇下降；在河流水位上升階段，由于動水壓力的作用，邊坡的穩(wěn)定性有一定的回升現(xiàn)象；而在水位下降階段，滲水壓力作用使穩(wěn)定性轉(zhuǎn)而下降，且下降幅度大于水位上升階段。表明在經(jīng)歷降雨-水位上升-水位下降至起點(diǎn)后，邊坡的穩(wěn)定性會大幅度下降，容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。根據(jù)組合模式下穩(wěn)定性的變化規(guī)律可知，坡面的滲流作用在很大程度上影響了邊坡的穩(wěn)定性。因此，該類土質(zhì)路基邊坡在坡面布設(shè)防水層能較好地減少滲流作用的影響，進(jìn)而提高邊坡的穩(wěn)定性。

3結(jié)語

為研究降雨及水位變化條件對路基邊坡穩(wěn)定性的影響，本文基于云南省某沿河路段的路基邊坡工程，通過有限元軟件分析了不同降雨及水位變化條件下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。基于此，進(jìn)一步分析降雨-水位升降組合模式下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）降雨強(qiáng)度越大，路基邊坡的穩(wěn)定性下降速率越大。

（2）土質(zhì)邊坡的坡內(nèi)初始水位越高，邊坡穩(wěn)定性更容易受到破壞。

（3）河流水位上升，動水壓力增加，邊坡的穩(wěn)定性隨之增大；河流水位下降，滲水壓力增大，邊坡的穩(wěn)定性會隨之減小。

參考文獻(xiàn)：

［1］Pearce，Andrew J.Streamflow Generation Processes：An Austral View［J］.Water Resources Research，1990，26（12）：3 037-3 047.

［2］靳紅華，王林峰，任青陽，等.降雨循環(huán)條件下高切坡穩(wěn)定性演化過程及預(yù)測方法［J］.土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文），2021，43（4）：12-23.

［3］劉澤.強(qiáng)降雨作用下全風(fēng)化花崗巖邊坡沖刷模擬與長期穩(wěn)定性分析［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2017.

［4］Thi Toan Duong，Hideo Komine，Minh Duc Do，et al.Riverbank stability assessment under flooding conditions in the Red River of Hanoi，Vietnam［J］.Computers and Geotechnics，2014（61）：178-189.

［5］江強(qiáng)強(qiáng)，焦玉勇，宋亮，等.降雨和庫水位聯(lián)合作用下庫岸滑坡模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2019，40（11）：4 361-4 370.

［6］賈官偉，詹良通，陳云敏.水位驟降對邊坡穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（9）：1 798-1 803.

［7］黃潤秋，戚國慶.非飽和滲流基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2002（4）：343-348.

［8］何忠明，史振寧，付宏淵，等.水位下降對沿湖路堤邊坡滲流特征及穩(wěn)定性的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，45（9）：3 227-3 233.

［9］時(shí)衛(wèi)民，付玉輝.條分法中土條周邊水壓力與滲透力之間的關(guān)系［J］.巖土工程技術(shù)，2007（3）：123-125，152.

作者簡介：陳振山（1978—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-16