(湖南省永州市公路局工程處，湖南 永州 425000)

0 引言

近年來，國內(nèi)的公路、鐵路等工程建設(shè)得到蓬勃發(fā)展，在山坡地區(qū)出現(xiàn)較多的邊坡工程，當雨季期間雨水頻繁入滲，會造成邊坡失穩(wěn)引發(fā)滑坡災(zāi)害[1]。根據(jù)全國地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果可知，滑坡約占總地質(zhì)災(zāi)害的50%左右，其中降雨入滲誘發(fā)的滑坡占比45%以上[2,3]。降雨入滲會引起邊坡土體內(nèi)的孔隙水壓力增大，導(dǎo)致邊坡內(nèi)基質(zhì)吸力和黏聚力減小，造成邊坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡[4,5]?？梢娺吰聝?nèi)的孔隙水壓力與土體滲透性及降雨強度密切相關(guān)，基于此，本文采用有限元分析方法，重點分析不同滲透性的土質(zhì)邊坡分別在3種降雨強度作用下的穩(wěn)定性，分析結(jié)果對土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性控制及防護提供理論依據(jù)。

1 計算模型

本文使用Geo-Studio有限元軟件進行計算分析，其中邊坡穩(wěn)定性采用Slope/w模塊，地下水滲流采用Seep/w模塊。試驗流程首先基于有限元法結(jié)合Seep/w做降雨入滲條件下的二維非飽和滲流分析，然后依據(jù)極限平衡法運用 Slope/w軟件對邊坡的穩(wěn)定性能進行詳細分析[6]，具體試驗步驟為：①輸入非飽和土相關(guān)公式、參數(shù)；②設(shè)定降雨因素，運用Seep/w軟件進行滲流分析；③計算邊坡的孔隙水壓力；④輸入邊坡幾何特征、土壤特性、降雨時間及雨強等參數(shù)；⑤計算安全系數(shù)及滑動面。

1.1 模型建立

運用Geo-studio有限元軟件建立邊坡計算模型，邊坡模型及其網(wǎng)格劃分大致如圖1所示，其中藍色線條表示地下水位，紅色線條表示AB截面，整個模型中共1 064個結(jié)點，994個單元。邊坡模型中各參數(shù)如表1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

表1 邊坡模型參數(shù)左高層/m左地下水層/m右高層/m右地下水層/m坡頂/m坡底長度/m坡腳/m坡高/m坡角/(°)12 56321232100122035

1.2 材料參數(shù)

在邊坡滲流分析過程中，需在Seep/w軟件中設(shè)置滲透系數(shù)函數(shù)曲線與土水特征曲線2個參數(shù)。參考張雪東[7]試驗可知，土水分特征曲線可通過體積壓力板確定，本次試驗采用的土水曲線如圖2所示。而滲透系數(shù)函數(shù)曲線可在飽和滲透系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過Van Genuchten模型計算獲得[8]，并分成高、中、低3種滲透性，具體情況如圖3所示，其飽和條件下的滲透系數(shù)依次為ks=1×10-1cm/s、ks=1×10-3cm/s、ks=1×10-5cm/s。Slope/w邊坡穩(wěn)定分析過程中的各項材料參數(shù)如表2所示。另外，本次試驗為降雨入滲對非飽和邊坡的穩(wěn)定性影響，因此土壤中存在隨土壤含水量增減而變化的剪力強度，故需設(shè)置一個隨基質(zhì)吸力ua-uw而變化的內(nèi)摩擦角φb。

圖2 土水特征曲線

圖3 滲透系數(shù)函數(shù)曲線

表2 材料參數(shù)容重/(kN·m-3)含水量/%有效粘聚c′/kPa有效內(nèi)摩φ′/(°)?b/(°)19 0911 51228 413 86

1.3 邊界條件

邊坡左側(cè)有6 m地下水位，右側(cè)有12 m地下水位，故左右兩側(cè)以下區(qū)域為定水頭的邊界條件，而以上區(qū)域設(shè)置為零流量邊界；對于邊坡的坡面、坡腳以及坡頂?shù)谋砻鎱^(qū)域，由于不存在水流的流入和輸出，即水流量為0，故邊界條件設(shè)置為定流量；坡底區(qū)域設(shè)為不透水邊界，其水流量也是為0，故邊界條件與邊坡的坡面、坡腳以及坡頂?shù)谋砻鎱^(qū)域一致。上述設(shè)定的邊界條件為初始狀態(tài)下邊坡地下水水頭的分布情況，具體如圖4所示，在此基礎(chǔ)上針對邊坡的穩(wěn)定性進行暫態(tài)模擬。

圖4 初始狀態(tài)下邊坡地下水壓力水頭分布

1.4 降雨條件

為了探討降雨強度和滲透性對邊坡穩(wěn)定性的影響，筆者在降雨持時3 d和雨型均勻的條件下，擬定了滲透系數(shù)分別為k1=1×10-1cm/s、k2=1×10-3cm/s、k3=1×10-5cm/s，降雨強度分別為20、40、60 mm/h共9種不同情況，針對不同降雨強度和滲透性下的邊坡穩(wěn)定性展開詳細分析，具體情況如表3所示。

表3 各數(shù)值情況示意表編號滲透性滲透系數(shù)/(cm·s-1)降雨強度/(mm·h-1)11×10-1202高1×10-14031×10-16041×10-3205中1×10-34061×10-36071×10-5208低1×10-54091×10-560

2 邊坡穩(wěn)定性能分析

通過對不同雨強和滲透系數(shù)條件下的邊坡穩(wěn)定性進行有限元數(shù)值分析，獲得各時段邊坡的安全系數(shù)值如圖5～圖7所示。其中圖5為高滲透性k1=1×10-1cm/s時，不同降雨強度下各時段安全系數(shù)的變化曲線，從圖5中可以看出，當降雨強度為20 mm/h時，邊坡的安全系數(shù)在降雨8 h后逐漸緩慢下降，而雨強為40 mm/h和60 mm/h時，邊坡的安全系數(shù)分別于5 h、4 h后就開始呈下落趨勢；但當降雨持續(xù)到16 h后，3種雨強下邊坡安全系數(shù)均達到平緩狀態(tài)，且大致相同，其因為土質(zhì)邊坡受到降雨入滲的影響，基質(zhì)吸力不斷被消散，從而導(dǎo)致土壤強度逐漸削弱并降至最低值，故后續(xù)降雨難以影響邊坡的穩(wěn)定性能。

圖5 k1=1×10-1 cm/s不同雨強下安全系數(shù)的變化曲線

在高滲透性土壤邊坡AB截面中，3種不同降雨強度作用下的孔隙水壓力變化情況分別為：降雨強度為20 mm/h時，邊坡表層的孔隙水壓力隨著降雨時間的增長逐漸增大，且增幅較為明顯，當降雨持續(xù)到8 h后，土壤內(nèi)的基質(zhì)吸力開始不斷消散，在降雨持續(xù)至10 h左右，淺層邊坡內(nèi)的基質(zhì)吸力基本全部被消散且其安全系數(shù)開始逐漸減小，在降雨持續(xù)至16 h左右，邊坡的孔隙水壓力和安全系數(shù)均不再受后續(xù)降雨的影響而發(fā)生變化。降雨強度為40 mm/h時，淺層邊坡內(nèi)土壤的基質(zhì)吸力在降雨持時5 h后就基本全部消失，其安全系數(shù)開始逐漸減小，而當降雨持續(xù)至10 h左右，孔隙水壓力和安全系數(shù)均趨于穩(wěn)定，且均不受后續(xù)降雨的影響。降雨強度為60 mm/h時，邊坡表層內(nèi)孔隙水壓力和安全系數(shù)的變化情況基本相似，在降雨持時4 h后孔隙水壓力不斷增加，安全系數(shù)則逐漸減小，而在降雨持續(xù)8 h后，兩者均不再受后續(xù)降雨影響。

中滲透性(k2=1×10-3cm/s)、不同降雨強度情況下，土壤邊坡的安全系數(shù)隨降雨持時的變化曲線如圖6所示。從圖中可以看出邊坡內(nèi)的安全系數(shù)隨著降雨持時增長逐漸減小，其中雨強為20 mm/h時，邊坡內(nèi)的安全系數(shù)在降雨39 h后開始出現(xiàn)明顯減?。欢陱姙?0 mm/h和60 mm/h的曲線變化規(guī)律基本一致，其邊坡的安全系數(shù)均在降雨33 h后才出現(xiàn)明顯降幅，這是由于上述2種降雨強度大于模型中設(shè)置的滲透系數(shù)，故邊坡的飽和滲透系數(shù)決定其自身入滲的雨水量，又因為滲透系數(shù)的相同，使得2種降雨強度下的安全系數(shù)變化曲線幾乎相同。

圖6 k2=1×10-3 cm/s不同雨強下安全系數(shù)的變化曲線

在中滲透性土壤邊坡AB截面中，3種不同降雨強度作用下的孔隙水壓力變化情況分別為：降雨強度為20 mm/h時，邊坡表層的孔隙水壓力在初期存在小幅度增大趨勢，但降雨3 h后保持了一段時間平穩(wěn)，直至39 h后邊坡孔隙水壓力又出現(xiàn)明顯增大，同時其安全系數(shù)也逐漸減小。降雨強度40、60 mm/h情況下邊坡的孔隙水壓力隨時間變化趨勢大致相同，其降雨初期的孔隙水壓力與雨強20 mm/h幾乎相同，也存在小幅度增大，即表層1 m處的孔隙水壓力由負值逐漸增至0，但在降雨3～33 h時段中孔隙水壓力不再隨降雨時間變化，之后又出現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象。

低滲透性(k3=1×10-5cm/s)、不同降雨強度情況下，土壤邊坡的安全系數(shù)隨降雨持時的變化曲線見圖7。由圖7可知，3種降雨強度的安全系數(shù)變化曲線均基本相同，且隨著降雨時間的增長邊坡的安全系數(shù)并未有所變化，這是由于土壤的滲透系數(shù)較低，基質(zhì)吸力較強，雨水難以滲入土壤內(nèi)部，故降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響并不明顯。

圖7 k3=1×10-5 cm/s不同雨強下安全系數(shù)的變化曲線

在低滲透性土壤邊坡AB截面中，3種不同降雨強度作用下的孔隙水壓力變化情況基本相同，且其壓力數(shù)值均在降雨3 h前由負值增至為0，隨著降雨持續(xù)至模擬結(jié)束，邊坡表層處的孔隙水壓力均保持一致無任何變化。

綜合上述分析結(jié)果可知，降雨雨強和滲透性能夠影響邊坡的穩(wěn)定性能；滲透系數(shù)越低，邊坡就越穩(wěn)定；降雨強度越大，安全系數(shù)就越低，邊坡的穩(wěn)定性也會受到不同程度影響。當降雨強度比邊坡的入滲率大時，大部分雨水會形成地表徑流而流走，只存有一小部分的雨水滲入邊坡內(nèi)部，而此時邊坡穩(wěn)定性也會受到一定程度影響。滲透性決定降雨強度在邊坡穩(wěn)定性中存在一個極值，因此滲透性可作為求取邊坡失穩(wěn)情況下臨界雨強的推估條件。

土壤邊坡中孔隙水壓力和最有可能破壞面的變化關(guān)系如圖8～圖10所示，由于圖幅較多，本文僅列出降雨強度20 mm/h不同滲透系數(shù)情形下的變化關(guān)系圖。由圖可知，當邊坡內(nèi)無雨水入滲時，最有可能破壞面沒有受到任何影響處于穩(wěn)定狀態(tài)，屬于較深層的滑動面，此時的安全系數(shù)也相對較高，具體如圖8a、圖9a所示；當雨水入滲深度至邊坡表層時，其土壤的基質(zhì)吸力會隨著含水量的增加逐漸消散，致使土壤的抗剪強度不斷降低，其最有可能破壞面開始變成淺層圓弧狀的滑動面，如圖8b、圖9b所示；隨著后續(xù)雨水的不斷滲入，邊坡內(nèi)最有可能破壞面的圓弧面不斷加深，同時也導(dǎo)致安全系數(shù)不斷的減小，如圖8c、圖9c所示。但是隨著雨水入滲的持續(xù)破壞，邊坡內(nèi)的圓弧滑動面并非不斷加深，當入滲的雨水達一定程度時，邊坡內(nèi)圓弧滑動面和安全系數(shù)均不再發(fā)生任何變化，此時受到破壞的圓弧面包含整個雨水入滲部分，如圖8c所示。當邊坡土層的滲透系數(shù)較小時，持續(xù)降雨并不會對其孔隙水壓力和最有可能破壞面造成影響，如圖10所示。

a)T=6 h，F(xiàn)S=1.935

b)T=9 h，F(xiàn)S=1.795

c)T=24 h，F(xiàn)S=1.557

a)T=24 h，F(xiàn)S=1.931

b)T=48 h，F(xiàn)S=1.790

c)T=72 h，F(xiàn)S=1.612

a)T=24 h，F(xiàn)S=1.946

b)T=48 h，F(xiàn)S=1.945

c)T=72 h，F(xiàn)S=1.945

3 結(jié)論

通過對不同降雨強度和滲透性情形下的邊坡穩(wěn)定性進行有限元計算分析，得出以下結(jié)果：

1)滲透系數(shù)越低，邊坡就越穩(wěn)定；邊坡的穩(wěn)定性會隨著降雨強度增大而受到不同程度的影響。

2)當降雨強度比邊坡的入滲率大時，大部分雨水會形成地表徑流而流走，而另較少部分雨水會滲入邊坡內(nèi)部，導(dǎo)致穩(wěn)定性受到不同程度的影響。

3)滲透系數(shù)能決定邊坡穩(wěn)定性影響中降雨強度的極值，故其可作為求取邊坡失穩(wěn)情況下臨界雨強的推估條件。

[1] 李媛，孟暉，董穎，等.中國地質(zhì)災(zāi)害類型及其特征-基于全國縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004，15(2)：29-31.

[2] 中國地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng).全國地質(zhì)災(zāi)害通報(2006-2013年度)[EB/OL].http://www.cigem.gov.cn.

[3] 石振明，沈丹祎，彭銘，等.考慮多層非飽和土降雨入滲的邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利學(xué)報，2016,47(8):977-985.

[4] 常金源，包含，伍法權(quán)，等.降雨條件下淺層滑坡穩(wěn)定性探討[J].巖土力學(xué)，2015，36(4)：995-1001.

[5] 蔡瑞卿.降雨誘導(dǎo)的邊坡滲流及邊坡失穩(wěn)機理研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[6] Geo-Slope internation Ltd.Stability Modeling with SLOPE/W 2007 Version[Z].中仿科技，2007.

[7] 張雪東.土水特征曲線及其在非飽和土力學(xué)中應(yīng)用的基本問題研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010.

[8] Genuehten,M.T.A closed form equation for Prediction the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1980(44):892-898.