降雨对岩土边坡稳定影响的实例分析

黄龙波　汪洪星　谈云志　吴　军

(1. 三峡大学 水电工程施工与管理湖北省重点实验室， 湖北 宜昌　443002； 2. 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 湖北 宜昌　443002)



降雨对岩土边坡稳定影响的实例分析

黄龙波1，2汪洪星1，2谈云志1，2吴军1，2

(1. 三峡大学 水电工程施工与管理湖北省重点实验室， 湖北 宜昌443002； 2. 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 湖北 宜昌443002)

以建始县红土坪新城区红土中路K1+140-360右侧安置点边坡为例，采用有限元强度折减法及Mohr-Coulomb屈服准则对边坡进行数值模拟，分析不同降雨入渗时间岩土边坡渗流路径、渗流速度和孔隙水压力对岩土边坡稳定性的影响．计算结果表明：随着降雨时间的持续，岩土边坡卵石土层中的渗流路径进一步向水平向倾斜，中风化砂岩层中的入渗深度进一步增大，开始在坡脚处产生水平向的渗流，坡体内地下水的流动速度加快，对渗透通道里面的岩土体(卵石土层、强风化砂岩层)中产生冲刷，造成细颗粒的流失，从而导致整个开挖边坡的稳定性急剧下降．持续降雨作用下，边坡土体含水率急剧增加，进而饱和，导致边坡土体基质吸力下降，开挖边坡的稳定性降低．

边坡稳定性；降雨持续时间；数值模拟；有限元强度折减

近年来我国频繁遭遇强降雨等极端天气，由此而带来的边坡安全问题受到国内外专家和工程界的关注，而边坡失稳滑坡主要发生在雨季，多是由于降雨所导致的．自然雨水的大量入渗使边坡土体饱和而使其容重增加，随着降雨入渗，土体含水量增大，土粒间的孔隙水压力也随之增加，非饱和区基质吸力降低，土体抗剪强度下降，当降雨的强度和持续时间超过一定程度时，便可能导致边坡失稳．目前国内外一些专家学者在土体渗透性和抗剪强度[1]、非饱和土孔隙水压力[2]、降雨强度、土坡坡度及植被根系等方面进行了相应的研究．研究方法有足尺模型试验，数值模拟等．实验方面，林鸿州等[3]都在足尺实验中实现了边坡的降雨型破坏，实验结果与真实情况很接近；Tsaparas等[4]利用假想的边坡分析了降雨量、降雨持时、初始水位、渗透性对降雨诱发滑坡的影响，发现上述参数的取值对计算结果影响较大．进行这类问题的数值计算，可采用有限元法或简化方法进行非稳态渗流计算[5]，用极限平衡法或强度折减有限元法进行边坡稳分析[6]．

本文首先分析了对红土中路-东路边坡稳定有影响的因素，然后采用有限元方法探讨了不同降雨入渗条件下，边坡的地下水流动路径、地下水流动速度、边坡孔隙水压力对边坡稳定性的影响，从而对边坡的稳定性作出评价，为工程决策者提供参考．

1　工程概况

建始县城西北的业州镇红土坪村管辖范围的红土中路HZK1+140-HZK1+360右侧集中修建一还建安置点，占地约3 300 m2．根据山区地形特点及当地风俗习惯，整个安置点场区设计为一个阶地，整体与红土中路顺接，规划安置户沿红土中路单排布置12×10 m户型．为了符合安置点建设的场地要求，有必要在现有红土中路开挖路堑的基础上，对红土中路右侧继续进行开挖，开挖最大宽度为15 m，最大高度为23 m左右，从而形成了新的高边坡．

根据开挖面工程地质条件，原始设计方案将边坡分为3段．HZK1+140～HZK1+200段：第1级边坡坡比为1∶0.75，坡高8 m，采用M7.5浆砌片石窗孔式护面墙防护；第2级边坡坡比为1∶0.75，坡高一坡到顶，采用M7.5浆砌片石窗孔式护面墙防护，如图1所示．HZK1+200～HZK1+320段：第1级边坡坡比为1∶0.3，坡高8 m，采用预应力锚索框架支护；第2级边坡坡比为1∶0.5，坡高8 m，采用预应力锚索框架支护；第3级边坡坡比为1∶0.75，坡高一坡到顶，采用M7.5浆砌片石窗孔式护面墙防护，如图2所示．HZK1+320～HZK1+360段：第1级边坡坡比为1∶0.75，坡高一坡道顶，采用M7.5浆砌片石窗孔式护面墙防护，如图3所示．

图1　HZK1+140～HZK1+200段支护立面图

图2　HZK1+220～HZK1+320段支护立面图

图3　HZK1+320～HZK1+360段支护立面图

2　边坡稳定影响因素

2.1地层岩性

在钻探所达深度范围内，地层属第四系全新统、河流相冲积卵石土层、基岩岩层为白垩系(K2)强风化砂岩及中风化砂岩；场区覆盖层依次为第1-2层种植土；第2层粉质粘土，可塑；第3-1层卵石土，中密-密实；第3-2层粉质粘土夹碎石，硬塑；第4-1层强风化砂岩，岩芯多呈密实砂或半胶结的岩块状，遇水易软化，属极软岩；第4-2层中风化砂岩，岩芯较完整，裂隙不发育，属软岩．各岩土层的特征由上至下分述如下：

1)种植土1-2(Q4ml)：杂色，松散，主要由砂岩风化碎屑物及粘性土组成，见植物根系．此层揭露厚度：0.50～0.60 m．

2)粉质粘土2(Q4al+pl)：褐黄～浅黄色，可塑，含少量铁质氧化物，成分不均匀，主要以粉质粘土为主，含少量碎石．

3)卵石土3-1(Q3al+pl)：浅黄，中密-密实，磨圆度好，粒径为5～20，约占60%;含少量漂石，粒径达20～700，约占10%；余为粘性土充填，如图3所示．此层揭露厚度：5.30～6.00 m．

4)粉质粘土夹碎石3-2(Q3al+pl)：褐黄色，硬塑，含少量铁质氧化物，成分不均匀，主要以粉质粘土为主，含少量碎石．

5)强风化砂岩4-1(K2)：紫红色，细粒结构，泥质胶结，中厚层状构造，矿物成分主要为长石、石英及少量泥质．岩芯多呈密实砂或半胶结的岩块状，遇水易软化．本层没有完全揭露，其最大揭露厚度4.4 m．

6)中风化砂岩4-2(K2)：紫红色，细粒结构，泥质胶结，中厚层状构造，岩芯较完整，节长一般10～30 cm，裂隙不发育，本层没有完全揭露，其最大揭露厚度6.2 m．

由于地层主要是节理层次松散且风化严重的泥质粉砂岩及卵石土组成，下雨后雨水沿裂隙不断渗透，导致土体含水量和土粒间的孔隙水压力增加，非饱和区基质吸力和土体抗剪强度下降，当遇到强降雨和持续降雨时间超过一定限度时，边坡就可能失稳．国内外研究成果[7-13]表明，由于风化及浸水软化作用，导致岩层土的强度指标显著减小，显著降低了粘聚力c值的影响，而对内摩擦角的影响稍小．所以，风化严重的边坡地层，岩性差、吸水易软化、失水易干裂，是导致边坡失稳的主要内在因素．如果不进行有效的治理，边坡的稳定将被降雨的进一步入渗所破坏．

2.2气象特征

建始县地处鄂西山区，恩施州北部，为亚热带季风湿润型山地气候，沿线垂直落差较大，山体切割深度约50～100 m，山地气候特征显著，四季分明，年平均降雨量为1 471.7 mm，雨量主要集中在7月份．年蒸发量1 144.9 mm．由于本地区降雨充沛，夏季的暴雨容易造成洪涝、滑坡、泥石流等自然灾害．

边坡的下滑力增大、抗滑力减小、安全系数降低是由持续的降雨作用造成的．当雨水大量渗入边坡土体时，使土体吸水饱和，容重增大，强度降低，并在坡体内部产生地下水渗流，从而导致边坡失稳．

2.3边坡排水工程措施

采用预应力锚索框架对红土中路-东路边坡进行初期加固支护．在边坡的坡面上每隔1 m加设排水管，先造孔，然后在坡面上植入排水管，排水管的水汇集到每级边坡坡脚设置的集水水沟里，边坡的集水水沟与边坡两边的纵向排水沟相连，从而实现边坡的排水．采用挂钢筋网喷射混凝土对每级坡面进行坡面防护，降低地表水下渗，进而防止了土层中残留的地表水，在重力作用下往边坡下部入渗，使边坡土体饱和，土体黏聚力减小，最终产生滑坡．

3　基本原理

20 世纪 60 年代有限元法就开始在边坡岩土体稳定分析方面应用，通过建立边坡计算范围内各离散单元的本构方程、几何方程和平衡方程来解决边坡弹性、弹塑性、粘弹塑性及非线性等问题，也可分别求出各个单元的应力、位移、应变、屈服及破坏情况．本文采用有限元强度折减法，对开挖边坡的稳定性进行分析，并采用摩尔-库伦本构模型进行数值模拟．有限元强度折减法引入一个折减系数来对抗剪强度指标粘聚力和内摩擦角进行折减，如公式(1)和公式(2)所示，然后将折减后的土体抗剪强度参数分别代入摩尔-库伦本构模型进行数值模拟分析；当折减系数较小的时候，折减后的抗剪强度参数较大，数值模拟分析土体结构将处于稳定性的状态；当折减系数增大时，折减后的抗剪强度指标逐渐减小，数值模拟分析土体结构将逐渐产生破坏，此时所确定的折减系数即为土体结构的安全系数．

(1)

(2)

式中，c和φ为土体的抗剪强度指标粘聚力和内摩擦角；c′和φ′为折减后的土体抗剪强度指标；F为折减系数，土体刚好达到破坏状态时的折减系数即为土体的安全系数．

摩尔-库伦屈服准则进行土体的破坏接近度η计算．η按如下方法确定：

(3)

式中，f(σ)由应力状态决定的函数，K(κ)为屈服条件．由式(3)可知，η为表示接近破坏程度的量值，所以被称为破坏接近度．应用到摩尔-库伦屈服准则，η的具体表达式如下

(4)

当η<1时，应力函数f(σ)在屈服面内部，土体没有破坏；当η≥1时，应力函数f(σ) 处在屈服面上或屈服面外，土体已破坏．

4　实例建模分析

根据设计开挖断面建立几何模型，通过MIDAS GTS的渗流分析模块，进行降雨条件下边坡的渗流分析，如图4所示．

图4　边坡降雨入渗分析有限元分析模型

模型共包含4个土层，从上到下依次为卵石土层、粉质黏土夹卵石土层、强风化岩层、中风化岩层，其中粉质粘土夹卵石土层为模型上角灰色部分．由于开挖边坡有植被、浆砌片石、混凝土框架、截水沟、排水沟、边沟等进行处理；因此，不考虑开挖坡面的降雨入渗，降雨入渗边界取为原始边坡的降雨入渗，如图4中模型左上角深黑色标示；根据雨量等级表，假定分析“大暴雨”条件下的边坡入渗，取降雨量为240 mm/24 h．模型左边界和上、下边界取为隔水边界，模型的左边界取为透水边界，分别对持续降雨4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h岩土边坡的渗流路径分布、地下水流动速度以及孔隙水压力等进行分析，以获取降雨对边坡稳定性的影响．

通过室内试验，获取卵石土层、粘质土夹卵石土层、强风化砂岩层、中风化砂岩层的物理力学参数见表1，饱和渗透性参数见表2．通过加德纳函数模拟各个土层非饱和渗透系数与负孔隙水压力的关系，函数中a=0.697 7，n=1.525；通过Van Genuchten函数模拟各个土层非饱和渗流函数率与负孔隙水压力的

关系，函数中θr=0.05，θs=0.424 3，α=0.697 7，n=1.525，m=0.344 3．

表1　模型材料参数

表2　渗透性参数

4.1渗流路径对边坡稳定性的影响

从计算结果中提取不同降雨持续时间(4 h、8 h、12 h、16 h、20 h、24 h)作用下，地下水的流动路径图，分析不同持续降雨时间边坡岩土体内的渗流路径(坡面内的地下水，通过在设置排水管已经进行处理，因此此处只考虑外界降雨入渗对边坡地下水流动路径的影响)，如图5～10所示．不同持续降雨时间的渗流路径，客观的反映了持续降雨条件下，不同时间段内，边坡降雨入渗的深度和程度；降雨持续时间越长，降雨入渗的深度和横向范围越大，边坡岩土体被浸泡饱和的范围也越大．

图5　降雨4 h地下水流动路径分布　　　图6　降雨8 h地下水流动路径分布　　　图7　降雨12 h地下水流动路径分布

图8　降雨16 h地下水流动路径分布　　图9　降雨20 h地下水流动路径分布　　图10　降雨24 h地下水流动路径分布

由图5可知，降雨时间持续了4 h时，渗流路径在竖向到达了强风化砂岩与中风化砂岩的交界面，渗流路径在横向到达了开挖边坡坡脚处；也就是说，降雨入渗影响的主要范围为开挖边坡的卵石土层和强风化砂岩层，其中卵石土层中的总水头较大，强风化砂岩层中的总水头较小；在卵石土层中的总水头为比较大的正值，在强风化砂岩层中的总水头由较小的正值逐渐变为一个较小的负值．随着降雨持续，卵石土层中的渗流路径进一步向水平向倾斜，中风化砂岩层中的入渗深度进一步增大；开挖边坡坡脚处开始产生沿着坡脚的绕流，在坡脚平台地面线产生水平向的渗流；开挖边坡第一级坡面的地表径流增大，在开挖边坡的第一级和第二级坡面同时产生强度较大的地表径流，开挖边坡整体失稳的风险逐渐增强．如图6～10所示．

4.2地下水流速度对边坡稳定性的影响

降雨作用下的渗流速度矢量分布图，比较直观的反映了降雨作用下地下水在开挖边坡岩土体里面的作用方向和作用强度．通过分析不同降雨持续时间作用下，开挖边坡内部地下水流动速度的矢量分布情况，可以清晰、直观地评价不同降雨时间对开挖边坡稳定性的影响，如图11～16所示．

图11　降雨4 h地下水流动速度分布图　 图12　降雨8 h地下水流动速度分布图　 图13　降雨12 h地下水流动速度分布图

图14　降雨16 h地下水流动速度分布图　 图15　降雨20 h地下水流动速度分布图　 图16　降雨24 h地下水流动速度分布图

通过图11～13可发现，在降雨开始阶段，地下水流动方向以向下发展的竖向流动为主．随着降雨时间的持续，地下水流动矢量逐渐由竖向流动向水平向流动偏转，产生的渗流力开始对开挖边坡的最上一级坡面产生侧向压力．地下水流动范围在开始接近坡脚处，渗透力进一步加剧，开始对开挖边坡的三个等级的坡面造成直接的冲刷．渗流速度进一步向水平方向偏转，渗流速度进一步加大，在开挖边坡岩土体中的产生的侧向压力进一步加大，在进行16 h的降雨后，渗流速度进一步加大，渗流方向进一步向水平向偏转，并且渗流达到坡脚处，有在坡脚处产生绕流的趋势，如图14所示．当降雨持续时间为20 h之后，坡脚处开始产生绕流；在开挖边坡上部卵石土层、坡脚处强风化砂岩层和坡脚处卵石土层中开始形成一条狭窄的渗透通道，渗流的强度进一步加强，将对渗透通道里面的岩土体(卵石土层、强风化砂岩层)中产生冲刷，造成细颗粒的流失，从而导致整个开挖边坡的稳定性急剧下降，如图15～16所示．

4.3孔隙水压力对边坡稳定性的影响

持续降雨作用下地下水对开挖边坡岩土体的浸泡作用能够被孔隙水压力所反映，以及孔隙水压力影响得边坡稳定性；孔隙水压力越大，表明岩土体的含水率越大，基质吸力越小，开挖边坡的稳定性降低；当孔隙水压力为正值的时候，表明岩土体已经饱和，岩土体处于降雨入渗的浸泡作用下．

通过图17～22可见看到不同降雨持续时间作用下开挖边坡内部岩土体的孔隙水压力分布的趋势为：孔隙水压力随着深度的增加而减小，坡顶附近为最大的正值，往下逐渐消减为一个负值；随着降雨时间的持续，孔隙水压力为正值的区域逐渐向下方扩大，孔隙水压力为负值的区域逐渐缩小，说明降雨入渗是一个持续发展的过程，当上部岩土体饱和后，产生足够大的孔隙水压力以后，推动地下水注浆向深部岩土体渗透．

图17　降雨4 h边坡孔隙水压力分布　　图18　降雨8 h边坡孔隙水压力分布　　图19　降雨12 h边坡孔隙水压力分布

图20　降雨16 h边坡孔隙水压力分布　　图21　降雨20 h边坡孔隙水压力分布　　图22　降雨24 h边坡孔隙水压力分布

5　结　语

通过对渗流路径、渗流速度矢量和孔隙水压力的分析，可以知道，持续降雨作用下，卵石土层和强风化砂岩层将长期处于地下水的浸泡中，其强度参数将被弱化；地下水的渗透力、静水压力将对卵石土层和强风化砂岩层内部的应力场改变较大，将对开挖边坡的稳定性造成降低；强风化砂岩层属于极软岩，遇水易软化，预应力锚索锚固段置于其中，在持续降雨的作用下，其抗拔能力将进一步降低．因此，建议通过工程措施对卵石土层进行处理，一方面减低持续降雨作用下卵石土层中的入渗量，减小地下水对卵石土层和强风化砂岩层的作用，另外一方面增强卵石土层的强度，增加边坡的稳定性；同时，应该调整预应力锚索锚固段的位置，尽量减小预应力锚索在强风化砂岩层中的长度．

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[责任编辑周文凯]

Case Study of Influence of Rainfall on Geotechnical Slope Stability

Huang Longbo1，2Wang Hongxing1，2Tan Yunzhi1，2Wu Jun1，2

(1. Hubei Key Laboratory of Construction Management in Hydropower Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Taking the right settlement slope of clay middle road K1+140-360 in Jianshi County for example, the finite element strength reduction and Mohr-Coulomb yield criterion are used for numerical simulation of slope. The influence of geotechnical slope percolation paths, flow velocity and the pore water pressure on the geotechnical slope stability is analyzed under different rainfall infiltration times. The results show that：With sustained rainfall, percolation paths in geotechnical slope gravel layer lean further to the horizontal. Meanwhile, the infiltration depth of medium-weathered sandstone layer increased more and horizontal seepage begins to produce at the toe. And the groundwater under slope flows faster and erodes the rock mass (gravel layer, strongly weathered sandstone layer) inside the penetration channel, which results in the loss of fine particles and a sharp decline in the stability of the excavation slope. In brief, under the effect of continuous rainfall, the water content of the slope is increased rapidly; and then the soil is saturated, which leads to the decrease of the soil matrix suction and the stability of the excavation slope.

slope stability；duration of rainfall；numerical simulation；strength reduction of finite elements

2016-02-26

水电工程施工与管理湖北省重点实验室(三峡大学)开放课题(No.2014ksd14)；三峡大学博士科研启动基金(KJ201413036)；国家自然科学基金项目(41402259)；三峡大学研究生科研创新基金(2015CX035)

汪洪星(1983-)，男，讲师，博士，主要研究方向为特殊土土力学研究．E-mail：wanghongxinglih@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.009

TU43

A

1672-948X(2016)04-0040-06