降雨对土质边坡稳定性影响的研究分析

李 涛

（辽宁辽东水务控股有限责任公司，辽宁 本溪 117000）

近些年来由于水库边坡失稳引起的灾害频发，造成了很大的人员伤亡和经济财产损失， 很大一部分是出现在夏季降雨集中的季节，因而研究降雨对土质边坡稳定性影响具有重要的影响意义。 目前学者做了大量相关的研究，沈梦芬等［1］通过使用Geo-Studio软件对合肥地铁1号线边坡建立数值分析模型， 研究不同降雨强度对边坡稳定性的影响；李涛等［2］以实际高速公路工程为研究对象，在不同降雨持续时间和降雨强度条件下分析边坡的稳定性；唐栋等［3］将砂土、黏土作为研究对象，通过改变土体的初始含水率和降雨条件， 研究边坡土稳定性的变化进程；杨旭等［4］通过构建软质红岩地质的缩小模型， 模拟软质红岩坡面的变形破环与降雨量的关系；汤珊珊等［5］构建了人工降雨的实验模型，研究了土质边坡变形破坏过程中土体边坡中主要构成物质的含量变化情况。研究结果发现，在雨水冲刷过程中， 主要流失的物质为较细颗粒的粉质土颗粒和砂质土颗粒，试验后保留的主要物质为较粗的土颗粒；陈华梁等［6］通过构建路堑边坡有限元模型，研究分析边坡土体在降雨的不同阶段含水率的变化情况。研究结果表明， 在降雨初期土体含水量基本保持不变，在降雨中期土体的含水率上升趋势较为明显，但在后期含水率上升速度达到最大；沈银斌等［7］研究了降雨强度、 降雨持续时间及土质边坡的初始含水量对边坡的稳定性的影响；胡明鉴等［8］通过构建了人工降雨的实验模型研究了影响滑坡的外界因素；赵宏渠等［9］通过构建某水库的有限元模型分析不同降雨强度对边坡含水率和边坡失稳的影响。

基于以上研究， 降雨强度和持续时间是影响土质边坡稳定性最重要的两个因素。 因而， 本文通过Geo-studio软件构建土质边坡模型，模拟在降雨条件下土质边坡稳定性特征参数的变化情况。

1 建立模型

1.1 边坡数值模型构建及参数取值

该边坡为水库西侧边坡，如图1为构建的边坡几何模型，边坡模型为长40m、宽20m、高10m的均质土质边坡，边坡坡度为0.7。 该模型共选取11个特征点作为研究对象，将坡顶定位特征点1，每个特征点之间的直线距离为2.5m， 第11个特征点选在距离特征点10水平距离为2m的坡底位置处。该模型共选取2个特征面作为研究对象，构建的两个截面如图1。 通过Geo-studio构建的模型如图2，模型具体参数如下：共选取了2213个网格单元，网格划分距离为0.5m，模型的长轴X轴为边坡的长度方向，短轴Y轴为边坡的高度方向。 构建模型的边界条件如图3。 边界条件类型与设置原因如表1。

图1 边坡几何模型

图2 边坡网格模型

图3 边坡边界条件

表1 边界条件设置

1.2 工况设计

降雨强度的划分是依据24h降雨量进行判断的，小雨、中雨、大雨、暴雨的划分如表2。

表2 降雨级别划分

查阅当地的水文地质资料， 降雨条件为大雨和暴雨与当地实际情况较为相近，因此设计了以下3种工况：

工况（1）：以15d为一个降水周期，每天的降雨量为0.039m，降雨时间为连续的5d，剩余连续的10d为雨停时段。

工况（2）：以15d为一个降水周期，每天的降雨量为0.079m，降雨时间为连续的5d，剩余连续的10d为雨停时段。

工况（3）：以25d为一个降水周期，每天的降雨量为0.039m，降雨时间为连续的10d，剩余连续的15d为雨停时段。

2 降雨对边坡稳定性的影响分析

通过构建的3种工况，对比分析不同的降雨量与降雨时间条件下，边坡稳定性特征参数变化情况。

2.1 不同降雨量对边坡稳定性的影响

对比工况（1）和工况（2）分析不同降雨量对边坡稳定性的影响，图4和图5为连续降雨5d，每天降雨量为0.039m/d和0.079m/d条件下边坡坡面滑移图。

图4 工况（1）边坡坡面滑移

图5 工况（2）边坡坡面滑移

各工况边坡稳定性特征参数随时间的变化情况如图6。

图6 各工况边坡稳定性特征参数随时间的变化

图6（a）和图6（b）为两种降雨条件下边坡稳定性特征参数随时间的变化曲线，表3为工况（1）和工况（2）边坡稳定性特征参的变化情况。 通过分析图6（a）（b）可知：工况（1）和工况（2）的曲线都呈现先下降后上升最终保持稳定，在一个降雨周期内，降雨强度保持不变，边坡稳定性的特征参数不断降低，在第6d达到最小值，停止降雨后，边坡稳定性的特征参数逐渐增长，最终趋于稳定。 比较分析图7（a）可知：工况（1）的边坡稳定性的特征参数始终大于工况（2），在降雨期，工况（1）边坡稳定性的特征参数下降速率小于工况（2）边坡稳定性的特征参数下降速率；在停雨期，工况（1）边坡稳定性的特征参数上升速率大于工况（2）边坡稳定性的特征参数上升速率，且工况（1）趋于稳定的时间早于工况（2），说明了降雨周期相同，降雨量越大边坡稳定性特征参数下降速率越大，下降量越多，且最终保持稳定状态时边坡越不稳定。分析表3可得工况（1）的边坡稳定性的特征参数最小值较大、边坡稳定性的特征参数变化量较小。

表3 不同工况下边坡稳定性的特征参数变化情况

图7 各工况边坡稳定性特征参数随时间的对比

2.2 不同降雨周期对边坡稳定性的影响

对比工况（1）和工况（3）分析不同降雨周期对边坡稳定性的影响，图7（b）为不同周期两种降雨条件下边坡稳定性的特征参数随时间的变化曲线，表3为工况（1）和工况（3）边坡稳定性特征参的变化情况。 比较分析图7（b）可知：在降雨期，降雨量相同的情况下，前5d两种工况边坡稳定性特征参数曲线下降速率相同，但工况（3）边坡稳定性特征参数随着降雨的进行不断降低。 在停雨期，工况（1）边坡稳定性特征参数上升速率大于工况（2）边坡稳定性特征参数上升速率，且工况（1）特征参数趋于稳定所需的时间短于工况（2）。 分析表4可得工况（1）相较于工况（3）的边坡稳定性特征参数最小值较大、边坡稳定性的特征参数变化量较小。 说明了降雨量相同的情况下，降雨周期越长，边坡稳定性特征参数的幅值越小，且最终保持边坡稳定性特征参数保持衡定状态时边坡越不稳定。

表4 不同工况下边坡稳定性的特征参数变化情况

分析不同工况下边坡稳定性特征参数变化的主要原因可知：降雨过程中，随着雨水的不断渗透，边坡土体中含水率增大， 土体的渗透能力增强，从而引起土体间的黏聚力降低，边坡稳定性的特征参数不断降低。 随着降雨的持续，边坡土体的渗透性能与降雨的强度保持平衡，出现了土体中雨水渗透的动态平衡， 边坡稳定性的特征参数降低速率减小。 在停雨期，开始阶段雨水在土体中不断下渗，土体的稳定性特征参数呈现短暂的下降趋势，随着停雨期的延长，边坡土体中含水率降低，土体的渗透能力减弱，从而引起土体间的黏聚力增强，边坡稳定性的特征参数不断增加，最终边坡稳定性特征参数达到动态平衡。

3 结语

本文通过Geo-studio建立边坡模型，以不同降雨量和不同降雨周期为研究变量，比较分析了在3种不同工况下边坡稳定性特征参数的变化情况， 并得到以下结论：

（1）边坡土体在降雨的整个周期过程中稳定性特征参数不断减小， 直至在雨停后的1d左右达到最小值，随着停雨期的不断延长，边坡稳定性特征参数不断缓慢增大，最终呈现平衡状态。

（2）降雨量越大，边坡稳定性特征参数在降雨期下降的速率越大，降低后的幅值越小，边坡稳定性特征参数在停雨期增加速率越小， 且最终平衡状态的平衡值越小。

（3）在一个周期内，降雨时间越长，边坡稳定性特征参数在降雨期初期下降的速率不变， 降低的时间越长，降低后的幅值越小，边坡稳定性特征参数在停雨期增加到稳定状态所需的时间越长， 最终保持平衡的的平衡值越小。