降雨对基覆边坡稳定性的影响研究

王 绪

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110000）

1 引言

降雨时常会导致边坡失稳[1]。在我国每到梅雨季节时常会发生边坡滑坡,造成巨大的经济损失[2]。一些学者研究表明,边坡失稳存在多种破坏模式,但大多取决于坡趾部位土体的饱和程度[3]。有学者提出失稳边坡的土体内部孔隙水压力极高,可能是造成边坡失稳的主要原因[4]。

在实际工程中,基覆型边坡的基覆界面形状各不相同,因此本文采用两段直线组合的方式来模拟典型工况[5],以代表基覆型边坡的一般形态。通过这种方式,研究不同阶段边坡的承载力变化规律,以及雨后边坡失稳的机制和特征。

2 建模方案

依托辽宁省某工程项目,利用数值模拟技术模拟边坡在降雨作用下的稳定性和承载力变化规律。装置由不锈钢和有机玻璃板组成,有机玻璃板为侧面,锈钢板为底部,地板上铺设粗糙度不同的泡沫板材,用于模拟界面粗糙度。边坡模型长1.8 m,宽0.3 m,高1.2 m,见图1。

图1 边坡模型图

本文采用数值技术模拟降雨,控制出水阀门与水泵控制降雨强度,降雨强度采用雨量计记录。根据描述,降雨强度为Ir=21.96 mm/h,属于暴雨级别。通过模拟不同时间内的静荷载作用,研究降雨对边坡承载能力的影响以及对应出现的破坏模式。

表1 列出了模拟时不同质量含水率下的砂土抗剪强度指标,其中包括干燥状态下的强度,以及不同含水率下的强度指标。

表1 基本参数

图2 和图3 分别展示了干燥状态下和不同含水率下砂土的剪切强度与有效正应力的关系曲线。从图中可以看出,在不同质量含水率下,砂土的剪切强度随着有效正应力的增加而不断增加,但在相同的有效正应力下,随着含水率的增加,砂土的剪切强度逐渐降低,说明非饱和状态下的砂土的抗剪强度受到了含水率的显著影响。

图2 砂土黏聚力与内摩擦角与饱和度的关系

图3 粒径级配

观察图2、图3 可知随着饱和度的增加,所用的砂土的表观黏聚力,呈现先增大后减小的趋势。这是因为在低饱和度时,毛细水压力作用较弱,表观黏聚力较小；随着饱和度的增加,毛细水压力作用增强,表观黏聚力也随之增大,但当砂土达到饱和状态时,毛细水压力作用达到最大值,此后随着饱和度的增加,毛细水压力作用反而减小,表观黏聚力也相应减小。砂土内摩擦角与土体饱和度的变化呈负相关,水在土颗粒间起到润滑作用,含水率上升包裹土颗粒的水膜变厚,颗粒间的摩擦阻力减小。

根据提供的信息,可以计算得到砂土的孔隙比和饱和度,分别为孔隙比0.429,饱和度0.29。其中,颗粒密度取砂的密度,一般认为2.65 g/cm3。持水量指砂土最大干密度与最小干密度差值的体积含水量,根据砂土饱和渗透系数为0.00031 m/s,可以判断该砂土的渗透能力较差。根据粒径级配曲线,可知该砂土为粗砂,颗粒分布相对均匀,1.002 的曲率系数说明该土的级配连续。

本文采用记录含水率和孔隙水压力的方式进行参数分析。在模型的侧面设置白砂,标记初始标识线,边坡出现变形后,白砂条带出现了显著的偏离,可以检测到边坡变形情况。测点包括孔隙水压力测点P1～P6和含水率测点W1～W6,对应测点为1～5。测点的布置见图4。

图4 仪器布置图

本文采用的砂土含水率为5%,进行分层填筑的边坡模型建造,填筑厚度均每层小于5 cm,并逐层夯实。本文采用环刀测试夯实土体的密度和夯后含水率,然后计算土体的干密度,通过反算得到人工边坡的体积。夯土边坡的相对密度为0.16,土体相对疏松。完成夯土边坡后静置24 小时,之后进行模拟降雨,在降雨完成后进行坡顶加载,记录监测数据。

本文的目的是研究降雨时基覆型边坡的失稳特征和极限承载力,分析边坡内部孔隙水压和含水率对边坡稳定性的影响。共设置了6 种工况（详见表2）。基覆层下部倾角14°,上部倾角52°。

表2 工况设计

根据表1 中不同的质量含水率,可以计算出对应的边坡模型的安全系数理论值,并在表3 中进行展示。从表格中可以看出,随着坡内土颗粒质量含水率的增加,边坡的安全系数经历了先增加后减小的变化趋势。

表3 理论安全系数

3 结果与分析

3.1 降雨前后土体孔隙水压力与含水率变化

边坡失稳与坡内含水率和孔隙水压力的改变密切相关。图5 和图6 展示了坡内土颗粒在降雨过程中随时间变化孔隙水压力和体积含水率变化情况。根据图5,坡内土体的含水率逐渐增加,坡体安全系数呈现先增大后减小的趋势,下部坡体的含水率先开始增长。

图5 孔隙水压力与体积含水率随时间变化曲线

根据含水率变化图像可以看出,测点3、4、5 的含水率均小于饱和含水率,坡内土体未能饱和。而测点1、2、6 处,土壤处于饱和状态。由此可以看出,在降雨过程中时,水位线在坡体内部的中下部,表明雨水在坡脚率先聚集。随着降雨的持续,中部边坡和上部边坡的土壤含水率逐渐增加（见图6）,雨水会从各个角度通过土颗粒间的通道汇聚至坡脚,然后坡内的水位线会从下至上缓缓上升到坡中位置（见图6）。坡脚土体最先饱和,因此最先破坏发生破坏。

根据图6（a）,可以看出降雨停止后,边坡内部的土体含水率开始下降。其中,边坡上部（W5、W4）的土壤含水率最先下降,最终稳定在约17%。边坡下部土体表面（W6）开始快速下降,最终稳定在约33%。与边坡表层土体和上部土体不同,坡角与基础覆盖层的接触位置土体的含水率下降速度缓慢。因此,在降雨停止后较长一段时间内,内部土体的水位线仍会逐渐下降。尽管在坡脚和界面接触处仍有残余水分存在,但测点1、2、3 的含水率保持在饱和状态上下,含水率的时程发展规律也趋于稳定。

根据图7 和图5,可以看出在降雨初期各测点的孔隙水压力值基本没有变化。随着降雨时间的延长,坡体内部各个测点孔隙水压按由外向里的趋势依次增加,中下部边坡的孔隙水压最先达到稳定状态,并出现正峰,这说明降雨过程中坡内土颗粒的水位线由下而上逐渐上升至边中,在前面已经得到验证。但边中部位的孔隙水压的峰值均为负,说明在降雨时坡中部分土体尚未饱和。根据图7（b）发现,各测点孔隙水压力值均发生变化。坡体上部测点4、5 的孔隙水压下降十分迅速；坡体中下部土体的孔隙水压呈逐渐减小趋势,但下降速率较上部更缓慢。坡脚处的孔隙水压下降最慢。

图7 边坡内孔隙水压力不同时刻的空间分布

综上分析,坡内土颗粒在降雨过程中的含水率与坡内孔隙水压力变化呈正相关。含水率与孔隙水压力的增大同步；稳定的孔隙水压伴随含水率的稳定。

3.2 边坡失稳机制

此外,从孔隙水压力的变化可以看出,降雨过程中坡内土颗粒含水率与孔隙水压力呈正相关发展,几乎保持同增同减的变化趋势。因此,在边坡的安全评估和防护设计中,需要考虑土体含水率和孔隙水压力的影响,采取有效措施控制水分的渗透和排泄,降低孔隙水压力的影响,保证边坡的稳定性和安全性。

3.3 停雨后边坡极限承载力及破坏模式

根据数据结果,降雨停止后边坡的极限承载力会发生变化,与边坡内部水分的流失、孔隙水压下降、基质吸力增大密切相关。随着降雨时间的推移,边坡内部水分的流失后,坡体含水率下降,孔隙水压减小,基质吸力骤增,进而提高坡体的抗剪强度,从而边坡的承载力会相应地增加。

如图8,在坡部施加静荷载发生的边坡失稳可以总结为两类,一是整体滑移,二是局部滑移,其中边坡滑移面出现在基覆界面附近或中上部位置。然而,随着时间的推移和水分的流失,边坡内部的土体会发生变化,最终导致边坡出现局部滑移,坡体的中上部出现破坏面,并沿基覆接触面滑动,然后在坡体中下部位向内部发展,最后在坡脚上部位置发生剪切破坏。

图8 破坏图

因此,对于实际工程,需要在设计边坡时考虑到边坡的水文地质特征,并在降雨停止后及时进行评估和监测,以确保边坡的稳定性和安全性。同时,在边坡的监测和评估中,需要关注边坡内部水体的变化,及时采取措施降低水体对边坡稳定性的影响,保证边坡的承载力和安全性。

4 结论

本文模拟降雨环境对基覆型边坡的雨后承载能力变化以及失稳模式进行了探究,研究发现：

（1）坡内土体的含水率逐渐增加,坡体安全系数呈现先增大后减小的趋势。

（2）降雨过程中,边坡表面的含水率先上升,降雨持续进行,含水率逐渐保持稳定,坡体内部的土体含水率开始以由外向内的趋势增长。

（3）在边坡的安全评估和防护设计中,需要考虑土体含水率和孔隙水压力的影响,采取有效措施控制水分的渗透和排泄,降低孔隙水压力的影响。

（4）对于实际工程,需要在设计边坡时考虑到边坡的水文地质特征,并在降雨停止后及时进行评估和监测,以确保边坡的稳定性和安全性。