降雨入渗下边坡稳定性的影响研究

王晓伟，朱兴旺，李 卓

（中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050200）

1 概述

我国是世界上发生滑坡等地质灾害最频繁的国家之一。自20世纪80代来，随着社会经济的迅速发展，人们也加速了对自然环境的开发及利用。与此同时，自然因素和人类活动导致的边坡滑坡、坍塌等地质灾害也随之而来。这给国家经济和人民安危带来巨大危害。因此，对边坡稳定性问题的研究已成为当前热点之一。

众多科研工作者针对边坡稳定性影响的问题展开了一系列的研究，并获得了宝贵的成果。王述红等[1]利用三维有限元软件，建立三维数值模型，研究了降雨入渗的边坡稳定性问题，评估了联合支护的支护效果。汪华斌等[2]基于某降雨诱发边坡破坏的工程，探讨了降雨条件下边坡稳定性模拟的问题，并针对该问题提出了有效的解决方法。朱文等[3]利用数值手段研究了降雨条件下土体滑坡问题。对比了不同支护条件下的边坡稳定性，从而确定了该工程最佳的支护方案。戚国庆等[4]通过建立三维有限元模型，系统分析了岩质边坡降雨入渗过程。吴江鹏等[5]基于某土质边坡工程，研究了降雨条件下土质边坡的开挖过程，获得了土质边坡变形破坏机理和变形规律。周翠英等[6]建立有限元模型分析了边坡变形破坏过程，针对该边坡的变形规律确定了最优支护措施确保了边坡的稳定。张家发[7]基于某土质边坡工程，分析了土坝在饱和与非饱和条件下的渗流场，获得了不同条件下的土坝变形规律。刘立平等[8]针对边坡稳定性问题，总结了边坡稳定性分析方法的最新进展。

本文基于某实际边坡工程，建立三维数值模型，评估了联合支护结构对本边坡的治理效果，确定了边坡的最佳支护措施。基于联合支护结构，进一步研究了几种不同因素的影响。

2 工程概况

本研究区域内以低山丘陵地貌为主，植被遭受一定的破坏，覆盖率一般，山顶海拔高程在88.0～359.9m。同时本研究区主要所处山体为一座残丘，残丘位于西侧低山丘陵区山间沟谷的下游出口处，植被以灌木为主，斜坡下部为附近居民种植的竹林，该丘顶标高约150.8m，坡脚地面标高约55～60m，相对高差85～90m，斜坡上陡下缓，一般20°～35°左右。

经过现场调查，该滑坡体的左右两侧边界清晰，坡体西侧与砌块石挡墙相连，坡体右侧附近便是近期刚发生的局部崩塌点，距离仅4～5m。坡体左右侧可见较浅沟槽，一直延伸至坡体后缘边界，系由于受到地表水侵蚀而逐渐切割形成侧沟。两侧边界的滑坡较为发育，沟中填充杂草碎石。

选取1-1′工程地质横剖面进行稳定性评估，剖面图如图1所示。滑坡体的土体重度：滑坡体组成物质主要为坡积②层粉质粘土混碎块石。依据室内土工试验结果，结合区域工程地质资料分析，土体天然重度取18.5kN/m3、饱水重度取20.0kN/m3。

图1 1-1′剖面图

考虑滑动面为折线型，采用《滑坡地质灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0218-2006）附录E中E.1.2的计算公式（如下）计算滑坡体的稳定系数。计算成果汇总见表1。由以上滑坡体稳定系数计算结果可知：滑坡体在考虑暴雨或强降雨影响时，滑坡体稳定性状态为不稳定。据此分析，滑坡体在持续暴雨或强降雨条件下，存在进一步向下滑动的极大可能。

表1 经验值稳定性验算及推力计算成果汇总表

3 有限元模型的建立

3.1 三维数值模型

根据研究区勘察资料，同样以勘察钻孔ZL01-ZL08的8口钻孔揭露地层为依托建立计算模型，所建立的模型如图2所示。对X、Y方向设置水平向的约束，对Z方向的底部设置固定约束。整个边坡布设了3排抗滑桩，从小往上依次是B型抗滑桩、E型抗滑桩和I型抗滑桩。同时再增设锚杆。土体参数及抗滑桩参数选取参照上一节。锚杆材料密度为26kN/m3，弹性模量3×107kPa，水平间距为5m，垂直间距为3m。倾角为25°，锚孔直接为130mm，锚固段长度为8m。

图2 计算模型示意图

3.2 计算参数选取

参考该人工边坡的勘察报告所提供的岩土体物理力学参数，并结合工程经验进行赋值计算，考虑粘性土为不透水层，因此强风化岩和中风化岩的参数设置为固定不变值，所选择的土体的力学参数指标见表2。

表2 土体参数

3种抗滑桩均采用现浇混凝土，混凝土密度为26kN/m3，弹性模量3×107kPa，泊松比0.2。其中B型抗滑桩锚固长度为15m，设计桩长为42m，截面积为2m×3m，水平间距为5m；E型抗滑桩锚固长度为15m，设计桩长为31m，截面积为2.5m×3.5m，水平间距为5m；I型抗滑桩锚固长度为15m，设计桩长为34m，截面积为3m×4m，水平间距为5m。

4 联合支护效果分析

图3给出了联合支护结构下的边坡水平和竖向位移图。如图所示，边坡的变形规律同抗滑桩支护结构下的变形规律一致。联合支护结构下，坡体最大水平位移仅为0.8cm，坡体最大竖向位移仅为0.9cm，较抗滑桩支护结构下的边坡变形显著减小。倾斜锚杆的作用更好地限制了支护结构处土体的竖向位移。

图3 抗滑桩支护下边坡位移云图

图4给出了联合支护下的边坡位移增量云图。如图所示，联合支护结构下的边坡不存在潜在滑动面，可以判断边坡处于稳定状态。同时，基于有限元强度折减法计算得到该边坡的稳定性安全系数为1.35，边坡整体处于稳定状态。

图4 联合支护下边坡位移增量云图

5 支护效果影响因素分析

基于联合支护结构的研究，利用PLAXIS 3D完全流固耦合功能，研究降雨时长、抗滑桩间距和抗滑桩锚固长度几个因素对联合支护效果和抗滑桩本身的影响规律。

5.1 降雨时长的影响

选取降雨时长分别为24h、48h和72h三种工况，降雨强度均为20mm/h，桩间距均为5m，土体重度均为饱和重度21kN/m3。以下关于抗滑桩内力的研究对象均选取最下方B型抗滑桩。表3给出了不同降雨时长的位移最值和安全系数、B型抗滑桩弯矩极值、B型抗滑桩剪力极值。可以看出，边坡的最大位移随着降雨时长的增大而增大，边坡稳定性安全系数随着降雨时长的增大而减小。这是因为随着降雨时长的增加，土体重度由湿重度逐渐地转变为了饱和重度，因此土体的滑动力增大。这也导致了抗滑桩的内力增大。

表3 不同降雨时长的边坡计算结果

5.2 桩间距的影响

选取桩间距分别为3m、5m、7m和9m四种工况，降雨强度均为20mm/h，降雨时长均为72h，土体重度均为饱和重度21kN/m3。表4给出了不同桩间距的位移最值和安全系数、B型抗滑桩弯矩极值、B型抗滑桩剪力极值。可以看出，桩间距的减小能使边坡的稳定性增大，但桩间距进一步减小，这种效果逐渐减弱。同时桩间距的变化对抗滑桩结构的内力影响有限。

表4 不同桩间距的边坡计算结果

5.3 锚固长度的影响

选取锚固长度分别为5m、10m、15m和20m四种工况，降雨强度均为20mm/h，降雨时长均为72h，土体重度均为饱和重度21kN/m3。表5给出了不同桩间距的位移最值和安全系数、B型抗滑桩弯矩极值、B型抗滑桩剪力极值。可以看出，锚固长度的增加可以显著地提升边坡的稳定性，但锚固长度从15m加长到20m时，不能进一步提升锚固长度，这是由于抗滑桩的锚固长度远超过滑动面的深度。但锚固长度的增大，会使得抗滑桩的内力显著增大。因此，应该选择合适的抗滑桩锚固长度。

表5 不同锚固长度的边坡计算结果

6 结论

本文通过建立三维有限元软件，评估了联合支护结构对本边坡的治理效果，确定了边坡的最佳支护措施。基于联合支护结构，进一步研究了几种不同因素的影响。得到以下结论：

（1）联合支护结构下的边坡不存在潜在滑动面，边坡稳定性安全系数为1.35，边坡整体处于稳定状态。

（2）边坡的最大位移随着降雨时长的增大而增大，边坡稳定性安全系数随着降雨时长的增大而减小；在一定范围内，减小桩间距和增加锚固长度可以有效地增大边坡的稳定性。