强降雨条件下非饱和土边坡稳定性研究

华月新

(惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东 惠州 516003)

滑坡是指在一定地形地质条件下，由于外界条件发生变化，导致原状边坡土体应力场发生改变，破坏了原有的力学平衡条件，使边坡在自重和其他荷载联合作用下，沿滑裂面突发性地向下移动[1-3]。我国幅员辽阔，约2/3为山地，受地质构造和气候条件的影响，每年发生滑坡灾害数以万计，西南地区尤为严重，给人民群众的生命财产安全造成巨大损失，降雨条件下边坡稳定性分析已成为工程界研究的热点问题[4]。近年来，随着我国基础设施建设的快步推进，其施工过程往往不可避免地对原状边坡产生扰动，在遭遇降雨等不利因素影响时，极易导致滑坡灾害的发生，因此有必要对降雨条件下的边坡稳定性分析开展研究[5-7]。本文以均质土坡为例，考虑降雨入渗对边坡应力场的影响，采用有限元强度折减法，对边坡进行稳定性分析，对不同降雨条件下边坡安全系数的变化规律进行研究，研究结果可为边坡抗滑稳定分析与设计提供参考。

1 计算理论与方法

1.1 流固耦合模型

利用Galerkin 有限元方法，离散节点孔压和位移，可得流固耦合控制方程[8]：

(1)

1.2 饱和非饱和理论

降雨在非饱和土中渗流满足质量守恒方程，以达西定律为基础，结合渗流过程中流体质量守恒，推导出以基质势为因变量的渗流控制方程[9]：

(2)

(3)

式中：kx、ky分别为X、Y方向的渗透系数；h为基质势；ρw为水的密度；g为重力加速度；mw为比水容重。

1.3 强度折减理论

强度折减法主要思想是将原始土体的强度参数c和φ按照一定比例进行折减，将折减后的强度参数作为新的材料输入进行计算。以此类推，直到边坡塑性区贯通或坡顶相对位移急剧增大时停止，此时折减系数即为边坡安全系数Ks。基于摩尔库伦模型强度折减公式为[10]：

tanφ′=tanφ/k

(4)

c′=c/k

(5)

式中：k为强度折减系数；c、φ为土体实际抗剪强度指标；c′、φ′为折减后的强度参数。

2 降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性分析

2.1 有限元计算模型

强降雨入渗条件下，边坡土体快速由非饱和状态进入饱和状态，相应区域孔隙水压力会急剧升高，同时抗剪强度会有所降低，瞬态渗流场和应力场耦合作用下，边坡更容易发生失稳破坏。本文针对以均值土坡为例，对不同降雨条件下边坡安全系数的变化规律进行研究。边坡有限元模型见图1，A、B、C分别为坡顶、坡中和坡脚处3个位移观测点。边坡坡角45°，坡脚长15 m, 坡顶长25 m, 高度25 m，初始水位位于坡脚处。模型共划分1 585个单元和1 687个节点，采用ABAQUS孔压应力耦合CPE4P单元模拟。初始应力场为地下水和自重引起的应力场。土体弹性模量为200 MPa，泊松比0.3，密度为1 300 kg/m3。凝聚力为19 kPa，摩擦角为27°，渗透系数为0.44E-6 m/s。土体孔压和渗透折减系数随饱和度变化见图2。

图1 二维边坡模型

图2 孔压和渗透系数随饱和度变化曲线

2.2 不同降雨持时对边坡稳定性影响

为研究不同降雨持时对边坡稳定性影响，取雨强为20 mm/h，分别设置降雨持时0、10、20、30、40、50、60和70 h共8种工况，用有限元强度折减法对不同工况下边坡稳定性进行分析。图3为降雨持时分别为0、30和60 h 3种工况下的边坡孔隙水压力分布云图。从图3中可以看出，3种工况下，边坡孔隙水压力最大值分别为150、157.5和167.7 kPa，最小值分别为-250、-59.7和-53.5 kPa。随着降雨持时的增加，边坡孔隙水压力逐渐增大，其中边坡上部负孔隙水压力在降雨初期变化显著，随着降雨时间增加则趋于稳定。

图3 孔隙水压力分布云图(不同降雨持时)

图4为3种工况下的边坡饱和度分布云图。从图4中可以看出，3种工况下，边坡饱和度最小值分别为0.08、0.091和0.101。随着降雨持时的增加，边坡土体饱和度呈上升趋势。对比3种工况下饱和度云图可以发现，随着降雨持时增加，边坡下部土体逐渐趋于饱和，上部非饱和土体部分区域逐渐缩小。

图4 边坡饱和度分布云图(不同降雨持时)

图5为边坡观测点水平向位移随降雨持时变化曲线。从图5中可以看出，其水平向位移随观测点高程增加而增大。在降雨0～5 h以内，A、B两观测点位移随降雨持时变化较为陡峭。这是由于在降雨初期，边坡上部土体孔隙水压力变化较大；随着降雨持时增加，边坡上部土体孔隙水压力逐渐趋于稳定。当降雨持时达到30 h左右时，3个观测点水平向位移变化速率均发生明显变化。图6为边坡安全系数随降雨持时变化曲线。从图6中可以看出，在降雨0～10 h以内，边坡安全系数降低较快。当降雨持时大于10 h时，边坡安全系数随降雨持时增加线性变化。

图5 观测点水平向位移随降雨持时变化曲线

图6 边坡安全系数随降雨持时变化曲线

为研究不同降雨强度对边坡稳定性影响，设置降雨持时30 h，分别设置降雨强度5、10、15、20、25、30和35 mm/h 7种工况，对边坡稳定性进行分析。图7为降雨强度分别为5、20和35 mm/h 3种工况下的边坡孔隙水压力分布云图。从图7中可以看出，3种工况下，边坡孔隙水压力最大值分别为152.7、157.5和162.9 kPa，最小值分别为-206.7、-59.7和-50.6 kPa。随着降雨强度的增加，边坡孔隙水压力逐渐增大，其中边坡上部负孔隙水压力随着降雨强度增加变化速率由大到小。

图7 孔隙水压力分布云图(不同降雨强度)

图8为3种工况下的边坡饱和度分布云图。从图8中可以看出，3种工况下，边坡饱和度最小值分别为0.08、0.091和0.106。随着降雨持时的增加，边坡土体饱和度呈上升趋势。对比3种工况下饱和度云图可以发现，随着降雨强度增加，边坡下部土体逐渐趋于饱和，上部非饱和土体部分区域逐渐缩小。

图8 边坡饱和度分布云图(不同降雨强度)

图9为不同降雨强度下边坡观测点水平向位移随降雨持时变化曲线。从图9中可以看出，其水平向位移随降雨强度增加而增大。对比3种工况下位移变化速率可知，边坡位移变化速率随降雨强度增加而不断增大。图10为边坡安全系数随降雨强度变化曲线。总体来看，边坡安全系数随降雨强度增加而逐渐减小，两者呈线性变化。

图9 不同降雨强度下边坡观测点水平向位移随降雨持时变化曲线

图10 边坡安全系数随降雨强度变化曲线

3 结 语

本文基于非饱和土体理论，并结合有限元强度折减法，对不同降雨持时和降雨强度作用下的边坡稳定性进行研究。研究结果表明，在强降雨条件下，边坡上部负孔隙水压力在降雨初期变化显著，随着降雨时间增加则趋于稳定。在降雨0～5 h以内，边坡土体上部位移速率较大。在降雨0～10 h以内，边坡安全系数降低较快。当降雨持时大于10 h时，边坡安全系数随降雨持时增加线性变化。随着降雨强度增加，边坡位移变化速率随逐渐增大。总体来看，边坡安全系数随降雨强度增加而逐渐减小，两者呈线性变化。