不同降雨强度对土质边坡稳定性影响数值分析

■巫炎鑫

（福建高达通工程勘察设计院有限公司，连城 365000）

近年来，极端天气情况加剧，强降雨天气日渐频繁，大量统计表明降雨作用是边坡失稳的主要因素。 长期以来学者致力于研究降雨作用诱发边坡失稳的作用机理，结果显示：一方面人工开挖后边坡表面土体结构松散，造成雨水很容易渗入坡体内部，导致土体重度增大，边坡下滑力增强；另一方面对于土质边坡， 降雨入渗引发土体内渗透作用，导致土体含水率上升，土体孔隙水压力增大，基质吸力（或负孔隙水压力）和粘聚力减小，非饱和土渗透性增大，土体内部应变场发生变化，岩土力学性质发生劣化，边坡抗滑力减小，进而导致边坡稳定性下降[1-3]。 土质边坡的失稳模式宏观上通常为坡表冲刷，进而形成冲沟、切沟侵蚀，导致坡脚局部坍塌，最终破坏范围沿纵横向发展从而整体失稳，因此滑坡应注重坡脚防护，尽可能降低土质边坡渐进式破坏的可能性[4]。 而降雨状态，降雨强度以及降雨持续时间是影响土质边坡稳定性的重要外部因素[5-6]。 本文通过有限元模拟方式，建立二维边坡渗流—应力耦合模型， 分别模拟降雨强度100、200、300 mm/d 下持续降雨2、4、6 d以及停雨2 d 过程中，边坡土体孔隙压力及边坡稳定性变化情况，进而分析持续降雨工况以及停雨工况下降雨强度对边坡稳定性影响作用，综合分析持续降雨条件下土质边坡的失稳诱因及防治措施。

1 边坡稳定性数值分析

1.1 工程背景

选取福建省三明市某公路边坡工程项目作为研究对象， 选桩号AK2+060～AK2+100 段进行数值模拟分析。 该断面为高度23 m 的土质路堑边坡，边坡横断面如图1 所示。 该地区全年平均降水量是1656.3 mm，少雨年份仅1050 mm，多雨年则可超过2250 mm。 一年中的降水量的分配不均匀，3—6 月的雨季为多，平均降水量大于200 mm，约占全年的57%，10 月—次年1 月的平均降水量在70 mm 以下。据统计1961—2012 年近52 年间，三明市共出现暴雨241 d，其中2005 年出现暴雨最多，共11 d，其次分别是2010 年和2012 年，各10 d[7]。近年更是极端暴雨灾害频发，2019 年5 月15—17 日和6 月7—11 日普降暴雨，最大小时降雨量为56.6 mm，最大日降雨量达259.6 mm[8]。

图1 边坡横断面示意图

1.2 数值模型

边坡岩土体物理力学参数如表1 所示，其中边坡表层土体为粉质黏土和砂土状强风化花岗岩，其渗透系数为基质吸力的函数。 粉质黏土和砂土状强风化花岗岩的非饱和特性参数如表2 所示，土体的渗透性函数和土水特征曲线采用Van Genuchten 函数[9]模拟。

表1 边坡物理力学指标参数

表2 非饱和特性参数

中国气象部门的的降雨量等级划分标准为微量（<0.1 mm/d）、小 雨（0.1～10 mm/d）、中 雨（10～25 mm/d）、大雨（25～60 mm/d）、暴雨（60～100 mm/d）、大暴雨（100～250 mm/d）、特大暴雨（>250 mm/d）。根据该标准， 本文选取100、200、300 mm/d 共3 种降雨强度，研究不同降雨强度、降雨时间条件下边坡稳定性情况和内部应力变化情况，以及降雨条件下边坡的破坏形式及破坏机理。

2 高边坡稳定性数值分析

2.1 数值模拟结果分析

采用Midas 软件建立边坡开挖后的二维边坡渗流—应力耦合模型进行数值模拟， 边坡横断面如图2 所示； 采用强度折减法分析边坡的安全系数及塑性区，其中中风化混合花岗岩层为不透水层。

图2 Midas 边坡二维分析模型

2.2 不同降雨强度下土体孔隙水压力变化情况

Frellund[10]通过大量试验提出非饱和土强度理论，提出了修正的Mohr-Coulomb 准则，考虑了基质吸力对抗剪强度的影响。 因此土体中孔隙水压力的变化情况与边坡稳定性变化息息相关。如图2 所示，特征点1 位于边坡坡顶位置。 图3（a）为特征点1位置孔隙水压力与降雨时间关系曲线，结果表明：（1）在降雨初期，边坡的孔隙水压力为－103.84 kPa，在持续降雨6 d 后， 雨水持续入渗， 在降雨强度为300、200、100 mm/d 条件下孔隙水压力分别上升至－20.38、－28.09、－49.41 kPa；（2）当降雨量大于200 mm/d时，由于降雨强度高，孔隙水压力呈多阶段变化形式；连续降雨4 h 时，坡表层的孔隙水压力小幅度极速增大，随后上升趋势明显减缓；降雨1～2 d 内，孔隙水压力又迅速上升，降雨2～6 d 内边坡孔隙水压力逐渐趋于平稳，这是由于高强度降雨入渗作用能够使得边坡土体迅速达到饱和状态，但由于土体排水条件受限，排水通道不畅，产生超静孔隙水压力[1]；（3）而降雨量100 mm/d 条件下，降雨1 d 内孔隙水压力呈逐渐增大趋势，边坡的土体逐渐饱和；降雨2～6 d 内孔隙水压力变化趋于平稳。

特征点2 位于坡中位置，图3（b）为特征点2 的位置孔隙水压力与降雨时间关系曲线， 结果表明：（1）在降雨初期，边坡的孔隙水压力为－56.96 kPa，在持续降雨6 d 后，雨水持续入渗，降雨强度300、200、100 mm/d 条件下孔隙水压力分别下降至5.92、5.27、－4.07 kPa；（2）坡体内部特征点2 孔隙水压力增大速率远小于坡顶的特征点1， 既边坡中坡顶的降雨入渗速率大于坡中位置。

潘俊义等[11]研究也发现边坡中入渗速率的顺序为坡顶>坡脚>坡中；随土体深度增加雨水入渗能力减弱。 降雨强度越大，体积含水率及土压力变化幅值越大， 且含水率及土压力突变时间相应缩短，边坡的冲刷效果愈明显。 结合图3 数据可知，孔隙水压力都随着降雨时间增长而增大。 降雨强度较大时，孔隙水压力增大速率也更大。 因此降雨强度越大，雨水对于边坡的冲刷作用越强，从而引起孔隙水压力快速上升。 根据上述结论，在工程实践中以防雨水下渗，可在边坡坡顶修筑截水沟，从而减小坡顶雨水入渗对边坡稳定性的影响。

图3 不同降雨强度下孔隙水压力与降雨时间关系

2.3 不同降雨强度下边坡的稳定性变化

观察不同降雨强度边坡安全系数变化情况（图4）可知：（1）初始状态下该边坡的安全系数为1.3，此时边坡较为稳定。 持续降雨2 d 内，边坡安全性系数显著下降，降雨强度300、200、100 mm/d 条件下，边坡安全系数分别下降至1.01、1.05、1.08；降雨2～6 d 内，安全系数下降速率减缓；降雨6 d 后降雨强度300、200、100 mm/d 条件下， 边坡安全系数分别下降至0.97、1.01、1.03；（2）持续降雨过程中，边坡安全系数的变化与图3 中孔隙水压力的变化趋势是一致的。 这是由于负孔隙水压力（基质吸力）减小直至消失是降雨诱发浅层滑坡的主要途径[12]。 结合非饱和土抗剪强度理论，当土体内部孔隙水压力增大后，其内部基质吸力相应减小，进而导致边坡抗剪强度降低， 影响边坡稳定性， 因此持续降雨2 d内，边坡的安全系数下降幅度最大；（3）停雨2 d 后边坡安全系数相较于降雨6 d 后有一定的上升，停雨2 d 后降雨强度300、200、100 mm/d 条件下，边坡安全系数分别为1.05、1.08、1.16，但远低于初始状态时。 这表明，降雨对边坡整体稳定性的破坏是不可逆的；（4）在降雨结束时，边坡上部的孔隙水压力由负变正，成为暂时的饱和区；随着降雨的进一步蒸发和潜在滑面以上土体地下水的下渗，滑面上的孔隙水压力减小，土体强度逐渐恢复，边坡的稳定性增加。 但经历降雨影响后的边坡的安全系数低于原边坡的安全系数。 因此在工程建设过程中，应及时进行支护， 避免降雨作用形成边坡滑坡破坏，造成不必要的经济损失[13]。坡脚土体有变形趋势时， 应及时进行支护处理，确保边坡的安全稳定。

图4 不同降雨强度边坡安全系数变化情况

图5 降雨200 mm/d 条件下塑性区云图

3 结论

（1）当降雨量大于200 mm/d 时，孔隙水压力呈多阶段变化形式。而降雨量为100 mm/时，孔隙水压力最初呈逐渐增大趋势， 最后趋于平稳。 降雨2 d内边坡孔隙水压力有大幅度上升趋势，而降雨2～6 d孔隙水压力变化基本趋于平稳；（2）降雨强度增大，雨水对于边坡的冲刷作用越强，从而引起孔隙水压力快速上升。 由于降雨入渗速率坡顶>坡中，边坡坡顶的孔隙水压力增大速率大于坡中位置；（3）边坡安全系数的变化与孔隙水压力的变化趋势是一致的，降雨作用下雨水入渗引起非饱和土中孔隙水压力变化是降雨引起边坡稳定性改变的主要诱因。 降雨2 d 内边坡稳定性急剧下降， 降雨2～6 d 边坡的稳定性下降幅度减小， 停雨2 d 后稳定性有小幅度回升。 停雨后边坡稳定性未能恢复到初始状态，与降雨前比较，边坡安全系数显著下降，这一现象表明，降雨破坏对边坡稳定性的影响是不可逆的。