降雨入渗条件下高填方黄土边坡稳定性分析

马宁

摘要：通过Midas GTS NX数值分析软件建立了高填方黄土边坡模型，计算了降雨入渗条件下高填方黄土边坡的稳定性，对比分析了降雨入渗影响作用下一级黄土高填方边坡与相同尺寸下的两级黄土边坡的相关参数。结果表明：在降雨入渗条件下的一级高填方黄土边坡受降雨入渗影响较大，加设一级边坡后的两级高填方黄土边坡水平位移大幅减小;相较于一级边坡，两级高填方黄土边坡塑性区减小，坡脚处的塑性值降低了72.7%;通过强度折减计算出的边坡安全系数由1.25增大至1.60，两级高填方黄土边坡能够较好地应对降雨入渗条件影响下的滑坡等失稳问题。降雨入渗条件下高填方黄土边坡的稳定性计算对工程建设提供了参考和依据，以此可以应对日益增长的工程建设需求。

关键字：降雨入渗;高填方;边坡;稳定性;黄土

中图分类号：TU431        文献标志码：A

1引  言

随着我国2035远景目标的确立和“一带一路”倡议的持续推进，我国城市化和工业化进程快速发展，大多数工程建设时常面临着特殊地区工程地质情况下的建设难题。特殊土地区的地基、边坡以及基坑等重要性工程任务对整体工程建设的稳定和持久起着重要的作用。在各种复杂和特殊地区进行建设时需要熟知各种工程特性，并需要进行一定的相关试验和数值模拟研究。近年来，我国学者对降雨条件下的边坡问题研究较多，曾昌禄等设计了室内边坡模型箱和降雨系统，研究了不同降雨强度下边坡入渗规律以及含水率和边坡基质吸力之间的关系。侯鹏飞对降雨入渗条件下的非饱和黄土边坡稳定性进行了模型计算和稳定性分析。张硕等对降雨时填方边坡的土体的体积含水率、孔隙水压力、润湿峰进行了模型试验研究，探讨了边坡变形及其滑坡裂隙演化规律等。王磊等通过现场人工模拟连续降雨对黄土边坡破坏进行了试验，对边坡开裂时坡顶的力学机制和破坏特征进行了研究分析，考虑了隔离边界对边坡稳定性的影响。

黄土地区边坡在公路和铁路等交通工程建设中时常面临复杂的环境影响，尤以地震和降雨等条件下对处置后的高填方黄土边坡的稳定性产生较大的影响。本文采用Midas GTS NX对降雨入渗时黄土地区的高填方边坡进行了稳定性对比分析。在较为复杂的工程建设时，需要了解工程结构发生破坏的成因、特性及适宜的处理方法，对安全、科学、经济地完成建设项目具有重要意义。

2高填方黄土边坡模型

为适应复杂的地质条件和地貌特征，在工程建设中时常会出现高填方边坡，特殊的外界环境会影响高填方边坡的变形与稳定。遂对强降雨情况下的一级黄土边坡与两级黄土边坡进行数值建模分析，降雨量为80 mm/d，持续时间为5 h。边坡剖面几何尺寸概况如图1所示，土体材料参数见表1，采用Mohr-Coulomb本构模型，为对比分析黄土边坡在强降雨条件下的边坡稳定性和降雨入渗深度变化规律，遂对一级边坡进行优化加设后得到两级边坡，以便对比研究降雨条件下高填方黄土边坡的稳定性。其中，一级边坡如图1a，坡率为0.9，两级边坡如图1b，坡率为0.91。求解中考虑了土体的非饱和特性，采用van Genuchten本构模型模拟水分在非饱和黄土中的变化，模型中的水力参数依据文献确定。

3结果与分析

3.1边坡降雨入渗分析

通过Midas GTS NX软件对不同类型边坡建立降雨入渗边坡稳定计算模型，得到如图2所示降雨入渗后边坡顶面入渗水力梯度变化云图。

由图可知，两种不同类型边坡降雨入渗差异不大，在第一个变坡点所受降雨影响较大，降雨入渗后的水力梯度较大，表明此处受降雨影响后沿边坡入渗的水头损失较大，即此处黄土边坡所受入渗侵蚀影响较大。这主要是由于降雨在第一个变坡点处于两条坡线交点，在降雨条件下发生入渗后影响土体中水分含量。两级边坡第二个变坡点的水力梯度相较于第一个变坡点的水力梯度较小，这主要是由于加设一个级别的边坡后第二个坡点处受降雨入渗影响减小，将入渗水分散至两侧破面，第二坡面使得降雨入渗后水力梯度减小。另外，降雨入渗后的边坡两侧水力梯度较小，表明在降雨入渗影响下边坡两侧受降雨入渗影响较小，边坡点处容易受到降雨入渗湿陷的影响。

图3所示為两种不同类型边坡坡脚处竖直方向的降雨入渗速度，由图可知，一级边坡坡脚处的降雨入渗速度相较于两级边坡较大，一级边坡在降雨5 h时的最大降雨入渗速度为3.61×10 m/s，两级边坡两个坡脚处在降雨5 h时的最大降雨入渗速度为2.89×10 m/s和1.41×10 m/s。其中，一级边坡坡脚处的降雨入渗速度随着降雨入渗先快速增长而后速率降低，这主要是由于一级边坡坡脚处初始水头较低且向右侧渗流路径长，随着降雨的逐渐入渗初始水头影响降雨入渗的水分，因而渗流速度逐渐降低。两级边坡第一个坡脚的降雨入渗速度变化趋势为逐渐快速增长，两级边坡第二个坡脚处的降雨入渗速率变化趋势为逐渐缓慢增长，整体水平较低，这主要是由于两级边坡第一个坡脚处降雨入渗受到上坡面和水平面的渗流影响，随着降雨入渗的累计使得此处的入渗速度在后期加快。两级边坡第一个坡脚处的入渗速度变化与一级边坡坡脚处的渗流速度相似，在降雨时边坡土体的入渗速度较为缓慢，呈现以小斜率逐渐增长的趋势。

3.2边坡变形特性分析

在降雨后水分入渗边坡影响土体的含水率，使得土体的饱和度发生变化，在自重和其他外力的影响下使得土体发生位移，影响边坡的稳定性。图4为经强度折减法边坡稳定性计算后两种不同类型的边坡经降雨影响后的水平位移大小云图。

通过对比可以发现，一级边坡的水平位移最大值为45.6 cm，发生最大位移的位置在坡脚附近且变化范围集中，基本表现出了滑移面的轮廓，但加设后的两级边坡最大水平位移为25.8 cm，且其位移影响范围进行了分散，坡脚处的最大位移范围较小，有利于边坡的整体稳定。结果表明，加设一级边坡可以减小降雨入渗对边坡稳定性的影响，能够分散外力影响下的边坡位移。

对不同类型边坡坡脚处不同深度的点进行水平位移统计后得到如图5所示位移图，由图可知，在距离坡脚5 m深度范围内的水平位移较大，在大于5 m深度处各点的土体水平位移均小于5 cm。相较于一级边坡，两级边坡坡脚处的水平位移减小，在坡脚处的水平位移基本相差一半，说明在降雨条件下增设一级边坡可以减小坡脚处的水平位移，且其深度方向的土体水平位移也相应减小，因而增加了土体的稳定，能够减小降雨入渗对土体边坡变形的影响。

图6为强度折减计算后两种不同类型边坡降雨影响后的有效塑性应变云图。由图可知，一级边坡坡脚处的最大塑性应变值为1.10，其塑性区域面积大，贯穿范围宽。两级边坡坡脚处的最大塑性应变值为0.30，塑性应变值较小，贯穿范围较窄。这主要是由于加设一级边坡后斜坡面在水平方向的延伸加长，且加设一级边坡后的土方减少使得塑性区拉长和塑性值降低。结果表明，两级高填方边坡的塑性应变区面积较小，整体塑性应变值低，两级边坡的坡脚处塑性应变对边坡稳定性影响较小。

3.3边坡稳定性分析

通过对降雨入渗后的边坡采用强度折减法进行稳定性计算，得到如图7所示边坡整体位移变化。由图可知，一级边坡可能发生失稳的滑坡体较大，其安全系数为1.25，整体位移变化区域集中，不利于边坡的稳定。两级边坡发生失稳的滑坡体在水平方向分布较长，且水平位移较小，其安全系数为1.60，位移变化区域在整个土体中分布。因此，在同一降雨强度的作用下，加设一级边坡后的边坡稳定性显著提高，使得土体中的应力向土体内部分散，降低了滑坡发生的可能性。

4结论

（1）一级边坡的第一个变坡点受降雨影响较大。加设一个级别的边坡后两个变坡点受降雨入渗影响减小，第二个坡点将入渗水分散至两侧破面，使得降雨入渗后水力梯度减小，边坡点处容易受到降雨入渗湿陷的影响。

（2）在降雨入渗的影响下一级边坡的水平位移区域集中且值较大，加设一级边坡后的两级边坡水平位移向土体内部分布，且水平位移值整体减小。加设一级边坡后的塑性应变区减小，整体塑性应变值降低，两级边坡的坡脚处塑性应变对边坡稳定性影响较小。

（3）通过强度折减法计算出的两种不同类型的边坡稳定性，一级边坡安全系数为1.25，加设后的两级边坡稳定系数增大为1.60，边坡稳定性提高，降低了在降雨入渗等外界影响下发生滑坡的可能性。降雨入渗对不同类型边坡的稳定性计算为工程建设提供了参考和依据。

参考文献

[1]曾昌禄，李荣建，关晓迪，等. 不同雨强条件下黄土边坡降雨入渗特性模型试验研究[J]. 岩土工程学报，2020，42（S1）：111-115.

[2]侯鹏飞.降雨入渗条件下非饱和黄土边坡稳定性分析[J].山东交通科技，2020（04）：12-14.

[3]张硕，裴向军，黄润秋，等. 黄土填方边坡降雨入渗特征及变形破坏模式的模型试验[J]. 中国公路学报，2019，30（9）：32-41.

[4]王磊，李荣建，潘俊义，等.隔离边界条件下连续降雨诱发黄土边坡开裂试验研究[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2019，52（11）：1163-1170.

[5]湿陷性黄土高填方地基处理技术及稳定性试验研究[D]. 西安建筑科技大学，2013.宋焱勋，彭建兵，张骏. 黄土填方高边坡变形破坏机制分析[J]. 工程地质学报，2008，16（ 5）： 620-624.

[6]van Genuchten， M. T. （1980）. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of American Journal， 44， 892–898.

[7]王鐵行，卢靖，岳彩坤. 考虑温度和密度影响的非饱和黄土土-水特征曲线研究[J].岩土力学，2008（01）：1-5.