强降雨条件下土质边坡稳定性分析

徐浏源，李登科，孟令博，张 彪

（黄河科技学院工学部，河南郑州 450000）

0 引言

造成滑坡现象的因素多且复杂。因为暴雨或持续降水带来的滑坡是最为普遍和频繁的，因此水对滑坡的形成尤为重要。降水下渗是伴随时长、空间变化特别敏锐的动态演化过程。降水的渗入与降水程度、降水时长、土质的渗入程度等多项原因有关。当降水强度比土质的渗入能力小，实际渗入量取决于降水程度，土坡含水量与降水程度呈正相关关系，最终稳定下来；当降水强度比土坡的渗入能力大，实际的渗入量取决于其自身的渗入性能。开始降水后土体边坡会先在饱和区逸出点上呈现暂态饱和区，伴随降水时长的增加，暂态饱和区域持续沿坡面扩大、延长，渐渐在整体坡面呈现一个“饱和壳”，且伴随降水的增加往边坡内部扩大，影响区域也渐渐增加，“饱和壳”也逐渐变厚。伴随降水入渗增长，土质的含水程度提高，孔隙水压力变大，从而土坡的基质吸力减小，土质的抗剪程度降低，进而造成边坡的稳定程度的下降。

1 非饱和渗流边坡稳定程度研究

1.1 非饱和土的抗剪性能

1977 年，加拿大的两位专家提议用净法向应力和基质吸力组成抗剪程度表达式。他们提出，非饱和土的抗剪程度由三个要素构成，分别为有效凝聚力、净法向应力、基质吸力，如图1所示。

图1 非饱和土的抗剪性能

1.2 边坡稳定的轻度折减法

强度折减指数理念开始是在土工弹塑性有限元数值研究时被考虑到，抗剪强度折减系数释义为：在外荷载没有变化的条件下，边坡中土体能够表现的最高抗剪强度和外荷载在边坡中造成的真实剪应力之比，叫做强度储备安全指数如图2 所示。

图2 强度储备安全指数

2 实际工程分析

2.1 工程概述

所研究的工程居于四川省，具体在金沙江支流中都河出口段的岸边，距离坝址有70.4km。此处顺坡部分大约320m，土坡横向宽340m，整体面积大致为10×10m2，坡体聚积体整体厚度大致为30m，体积大致为300×10m3。基岩边坡为缓倾外的顺向坡结构，由区内崩坡积物以及阶地聚集物的散布状况来说，此坡体是一崩坡聚积物与阶地聚积物的滑坡，坡体构成要素一般是砂质粘土加碎石以及部分块石。

2.2 计算模型及参数选取

根据边坡的具体地质情况，借助ABAQUS 有限元软件来构建滑坡参数模型，且添加网格，单元的数量统共是47410 个，网格节点统共是43350 个。在开展参数分析的时候，滑坡在降水发生改变的情况下，渗流的边界状态如下：①流量边界：斜坡表面为降水带来入渗的流量边线，当降水程度比表面坡体的深入速率大的时候，把土体的入渗速率值当做边界流量的数值；当降雨程度比表面坡体的入渗效率小的时候，把降水程度值当做边界流量值。②两侧与底部渗流边界：模型底部以及两边是自由入渗边线，因为基岩的渗透性较小，所以可以将其当做不渗水边界。

2.3 计算结果与研究

根据所记录的最近几年滑坡当地的降水量，此地区月最高降雨量大致是 304mm(7 月)、最低降水量是 0mm(12 月以及 1 月)，日最高降水量是94.7mm(同年8 月19 日)。从整体数据来看，这个地区的降水一般集中为每年的4 月到9 月，几乎占同年降水量的85%，最大降水量发生于每年的7 月和8 月。根据这个降水量分布数值，将日最大降水量是94.7mm 当做研究条件，探究在这个最大降水背景下土地坰滑坡的稳定程度以及分析各种情况和在这个分析背景下选用强度折减方式获得的滑坡体的安全指数。

经过研究可得，在排除基质吸力状况下的安全系数减小程度比结合基质吸力条件下的减小程度要略微小一点，这种情况是由于在极限降水条件下非饱和土的比例伴随降水时长的增加在渐渐变小，基质吸力的带来的强度也在一步步减少。由对数据的研究中得知：在2h 降水强度是947mm 的时候，在非饱和范围内，降水起始之后，土质边坡最初在饱和区逸出点之上左右呈现出暂态饱和区，伴随降水时长的增加，暂态饱和区域持续沿着坡面扩大、延展，沿着坡面中下区域的暂态饱和区表现较为显著，且伴随降水过程的持续往边坡中部扩大，所影响的范围也渐渐扩大，逐步在坡面呈现出以暂态饱和区组成的“饱和壳”。并且能够发现，伴随降水程度的减小，非饱和区的暂态饱和部分也开始一步步的变小，并且暂态饱和区的孔隙水压力也开始逐渐的减小，从而相较于其他时刻的基质吸力也开始增长，强化土质的抗剪程度，提升边坡的稳定程度。由其余数据的分析可得，伴随单位时间内的降水量的增加，滑坡坡面的浸润线变化就随之变化显著。当暴雨降水程度是94.7mm 时，滑坡的安全指数伴随降水程度的提升而降低，在排除基质吸力的影响作用下，当降水的持续时长是2h，滑坡的安全指数大致是1.002，当暴雨持续的时长是24h，滑坡的安全系数提升大致1.100；若是结合基质吸力的作用，2h 土坡的安全指数是1.005，24h 的安全指数是1.205。

3 结语

降水入渗导致土体边坡最初在饱和区逸出点之上左右呈现出暂态饱和区，并且暂态饱和区的范围也逐渐变大，饱和区的厚度也在增长；在各种的降水程度的状况下，暂态饱和区的范围以及往边坡里面扩大的厚度也各不相同，伴随降水程度的增加，暂态饱和区的区域以及厚度也开始随之增加。相反，降水程度变小的时候，暂态饱和区的区域以及厚度也就随之下降，相应的安全系数也就有所提升，边坡的安全程度也开始改善。

在剧烈降雨条件下，伴随降水时长的增加，单位时长内的降水强度也就持续增加，滑坡体中的浸润线浮动就更为显著，基质吸力对其稳定程度的作用就比较明显；在结合基质吸力状态下的安全指数减少程度比排除基质吸力状态下的减少程度要略为显著。

在降水量一定的条件下，滑坡的安全系数伴随降水程度的上升而下降；倘若排除基质吸力的因素，降水程度由94.7mm/24h 提高到94.7mm/2h，边坡的安全系数也由1.100 下降至1.002；倘若结合基质吸力的作用因素，降水程度由9.47mm/24h 提高至94.7mm/2h，边坡的安全系数也由 1.205 下降至 1.005。

因此在对边坡展开整改以及治理时需要更多地考虑到边坡的含水量，使边坡保持在较为干燥的情况下，从而有利于边坡保持其稳定状态。