降雨强度和持续时间对边坡稳定性的影响研究

摘    要：

为了分析边坡在降雨入渗作用下的渗流和稳定性，文章采用有限元强度折减数值模拟法，分析坡面渗流及稳定性受降雨强度、持续时间及类型等因素的影响。结果表明：随着边坡降雨强度或持续时间的增加，边坡最大孔压逐渐增大，稳定性系数逐步降低。总降雨量相同的情况下，短期暴雨对粘性土坡的影响更为明显，造成孔压升高，边坡稳定性下降。研究结果对边坡稳定性评估提供参考。

关键词：降雨入渗;边坡稳定性;数值模拟;ABAQUS;孔隙水压;

随着城市建设进程的推进，土地资源日益稀缺，越来越多的工程开始修建于山区，边坡护坡不当往往造成山体滑坡、崩塌失稳，造成财产重大损失和人员伤亡[1,2]。因此，边坡稳定性研究成为岩土工程领域的重点研究课题。降雨入渗对边坡稳定性影响显著。降雨水分在边坡地表时，会逐渐向下渗透到边坡体内部，增大了边坡土体的饱和度，降低了土体的抗剪强度，诱发边坡失稳，导致边坡滑坡或坍塌。此外，降雨还会导致边坡土体内部的水压增大，使得土体的抗剪强度进一步降低。在强降雨时，水压可能会很快上升，从而迅速引发边坡失稳。国内外研究人员提出了各种理论和数值模拟方法评价降雨条件下边坡的稳定性，包括极限平衡法、极限分析法和数值模拟方法，如有限元法、有限差分法、离散元法等[4]。赵衡等[5]利用FLAC3D软件对某路堑边坡进行数值模拟分析，得出边坡破坏方式为对称破坏，并提出斜坡稳定性极限平衡计算方法。乔翔等[6]针对某公路边坡的剖面模型，采用极限平衡法对坡体不同部位进行稳定性分析，并根据受力分析提出合理的边坡加固方案。刘勇等[7]以改良的极限平衡法为基础，结合室内测试和数值模拟技术，揭示降雨对边坡安全系数产生显著影响的影响因素，如降雨强度和降雨时长等，并计算了在降雨入渗作用下，非饱和土质边坡的稳定性。

大量边坡失稳工程案例表明，边坡土体在遭受降雨入渗作用时很容易出现失稳破坏。雨水的渗透会使坡面土体饱和度增加，导致其抗剪能力下降，严重影响边坡稳定性。本文以某水库边坡为研究对象，分析降雨强度和持时对边坡安全系数和变形渗流特征的影响，为降雨条件下边坡的支护设计方案提供参考。

1 工程概况

某水库边坡模型示意图如图1所示，坡面前缘长10m, 后缘长20m, 横向投影23m。边坡主要岩性为坡积土，由泥岩露头和早期浅成岩等岩性组成含少量碎石，碎石粒径在5～15mm之间，含量约30%,坡积土下部为花岗岩基岩，厚约15～25m。斜坡土体的物理和力学参数见表1。根据斜坡几何尺寸和物理力学参数，利用ABAQUS软件对对边坡渗流及稳定性的影响进行分析。

图1 边坡模型示意图

表1 斜坡面土体物理力学参数

2 边坡降雨入渗数值模拟

2.1 降雨强度对边坡渗流的影响

在ABAQUS数值模拟中，降雨强度可以表示为单位流量q(m/h)。通过设置降雨边界条件实现降雨入渗模拟。斜坡前后及地面采用固定约束边界，以限制边坡在该方向上的位移。边坡除边界位移条件限制外，还需设置孔隙水压边界条件。将边坡前缘孔压设置为零，降水渗透基底处孔隙水压不为零，透水界线设置为离坡底位置10米处，其它区域设置为不透水界线。边坡土体经过雨水的渗透，会逐渐渗入土体内部，导致土体饱和度增加，同时加大了孔隙水压强。降雨强度为72h, 边坡不同位置的孔隙水压分布云图。如图2所示。

边坡孔隙水压沿深度逐渐减小，坡底处孔压最高。边坡最大孔隙水压受降雨强度影响，降雨强度由5mm/h提高到10、15、20mm/h, 最大孔压分别提高到107.5、109.7和110.9kPa。随 着降雨强度的加大，边坡安全系数在降雨持续72h内逐步降低，见表2。这是因为降雨降低了坡面土体的抗剪强度。降雨强度增大，孔隙水入渗程度增大，导致土体的抗剪强度明显降低。

表2 不同雨量强度下边坡安全系数

不同降雨强度下边坡等效塑性应变云图，如图3所示。从图中可以看出，降雨强度对边坡塑性应变有一定影响。在降雨强度不同的情况下，边坡的失稳区域从坡脚发展到坡顶，并形成连续近似圆弧的面，可视为滑动面。其中，15mm/h雨量强度下的斜坡塑性区贯穿的情况更为明显。此外，随着降雨强度的加大，边坡最大塑性应变也有所提高。例如，降雨强度为15mm/h时，边坡可塑性应变最大为4.306×10-1,而降雨强度为5和20mm/h时，边坡塑性应变最大为5.446×10-2和8.394×10-2。

图2 雨量强度不同的边坡孔压分布情况

图3 不同于下坡雨量强度应变示意图

2.2 降雨持续时间对边坡渗流的影响

不同降雨持续时间情况下，边坡孔隙水压分布云图，如图4所示。随着降雨持续时间的增加，边坡孔隙水压逐渐增大，同时受降雨持续时间影响的还有边坡最大孔隙水压。最大孔隙水压在降雨持续7h后达到最大值104.3kPa。降雨持续24h后，边坡最大压孔达121.3kPa。雨量持续增加至48h和72h后，坡面最大孔压也相应增加至102.5和104.3kPa。

2.3 降雨持续时间对边坡稳定性影响

随着降雨持续时间增加，边坡稳定性系数也在逐渐降低，见表3。这是由于随着持续时间的增加，总降雨量也相应增加，从而导致边坡周围的蓄水量越来越大，土体的孔压和饱和度也在逐步增大，导致边坡土体抗剪切强度因降雨入渗影响逐渐减小，极易发生山体滑坡灾害。因此，边坡抗剪切强度会在降雨持续时间较长的情况下显著降低，从而导致边坡稳定性系数降低更为明显[8]8]。

表3 与降雨持续时间条件下坡面稳定系数不同

降雨强度5mm/h, 降雨持续48h和72h后边坡塑性应变云图，如图5所示。由图5(a)可知，坡面上的最大应变是9.8×10-2,塑性区的最大应变也是在图5(b)中的坡脚处，最大应变是8.39×10-3,并延伸到坡顶上的塑性应变区，呈现连续贯通的近似圆弧面，由坡脚向坡顶方向发展至终止，可看作是边坡的潜在滑动面。降雨持续时间不同会造成边坡塑性变化。边坡失稳时塑性区随着降雨持续增加而逐渐扩大范围。这是由于雨水逐渐渗入土体内部，造成土体饱和度增加，孔压增大，对基质的 吸力降低，最终引起土体塑性变形而引起的。边坡的安全系数随着可塑性面积的增加而变小。此外，长时间的雨水浸润，不仅使坡面表层土体抗剪强度降低，而且使坡面深部土体产生连续的滑动面，从而出现贯通的塑性区。

图4 下坡渗水示意图降雨时长条件不同  

图5 不同于下坡持续时间的雨量等有效适应

3 结语

本文以某水库边坡为研究对象，采用有限元数值模拟软件ABAQUS,分析边坡在不同降雨强度和时长条件下的安全系数变化，得到以下结论。

1)降雨强度增大会导致边坡孔隙水压增大，当降雨强度为5、10、15、20mm/h时，边坡土体最大孔压分别为104.3、107.5、109.7、110.9kPa。

2)降雨强度为5mm/h,坡脚最大应变能力分别为9.8×10-2、8.39×10-3m,降雨历时48和72h后，塑性应变区从坡脚延伸至坡顶，形成潜在滑动面。

3)降雨强度对边坡的塑性应变有明显的影响，塑性应变会因降雨强度的增大而增加。在降雨强度为5、10mm/h时，边坡最大塑性应变分别为5.446×10-2、8.394×10-2m,降雨强度为15mm/h时，边坡最大塑性应变为4.306×10-1m。

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