不同降雨持续时间的组合结构支护边坡稳定性分析

张秀奇

（内蒙古绰勒水利水电有限责任公司,内蒙古 呼和浩特 010010）

1 引言

我国气候多样,各地降雨量差异明显,且同一地区不同季节之间降雨量也极不相同。当然,面临我国这种多样性的降雨环境,在边坡支护工程中也应该根据当地降雨情况,进行支护方式的选择。近些年来,学者们对降雨工况下边坡支护的研究十分关注,并取得一定的研究成果。王江荣等[1]依托实际路堑边坡工程,利用有限元分析软件FLAC3D,对暴雨工况下路堑高边坡格构支护效果进行了研究,研究结果表明：持续暴雨工况下,格构支护结构能显著提升边坡的稳定性。杨天森等[2]利用数值模拟技术,对暴雨作用下杂填土边坡滑动机理进行了研究,研究结果表明：对于暴雨影响下非饱和渗流过程,采用简化分析方法的计算效率明显要高。

以上研究均是与降雨工况条件有关,但研究的方法以及边坡支护结构的类型均有显著差异。然而,以上研究中并未涉及不同降雨持续时间对评价边坡稳定性指标的影响。基于此,本文结合边坡支护工程,利用有限元软件MIDAS GTS,建立不同降雨持续时间下组合结构支护边坡的模型,对不同降雨持续时间对评价边坡稳定性进行分析。

2 工程概况

该边坡支护工程位于内蒙古地区,组成该边坡的岩土体自下而上分别为中风化页岩、全风化页岩、风化土。各种岩土体均为全场地分布,但各岩土体间层厚有明显差异。

边坡拟采用抗滑桩+锚杆的组合支护结构进行支护。抗滑桩的长度为15 m,截面尺寸为2 m×3 m,抗滑桩采用的钢筋强度等级为HRB400,采用的混凝土强度等级为C30,采用机械挖孔施工,抗滑桩与岩土体物理力学参数见表1。组合结构中锚杆采用的是HRB335 钢筋,锚筋直径为25 mm,锚杆长度为12 m,采用带螺旋钻杆的回转钻机进行钻孔,钻孔的直径为15 cm,锚杆的横向与纵向间距均为4 m。水泥刚度为2 MPa,水泥粘结力为1000 kN。

表1 岩土体与抗滑桩物理力学参数

3 有限元模型

边坡有限元模型采用有限元分析软件MIDAS GTS 进行建立,模型的尺寸为左高22 m、右高59 m、长111 m,边坡有限元模型见图2。为保证计算结果的准确性以及计算过程的便捷有效性,三种主要的岩土体在划分网格时,采用两种网格尺寸,其中风化土与全风化页岩基本尺寸为1 m,中风化页岩基本尺寸为2 m。为保证抗滑桩与锚杆的受力的均匀性,在不同属性接触间共用有限元网格单元。在各种材料本构模型的选择上,分别为岩土体材料采用摩尔库伦本构模型、抗滑桩采用梁单元模型、锚杆采用桁架模型。设置静水位线、边界约束、曲面流量～线流量以及自重荷载。添加应力～渗流～边皮施工阶段组设置相应施工阶段后,运算求解。

图1 边坡有限元模型

图2 边坡塑性应变云图

4 数值模拟结果分析

经运算求解后,得出不同降雨持续时间组合结构支护下边坡不同位置的体积含水率、孔隙水压力、塑性应变、稳定安全系数与最大总位移,并依次对其进行分析。

4.1 边坡体积含水率分析

不同降雨持续时间不同位置边坡体积含水率见表2。由表2 可知,各个位置的体积含水率均随降雨持续时间的增长而增大；在相同降雨持续时间中,坡脚位置的体积含水率较坡中和坡顶位置的体积含水率较大,原因是由于降雨过程中雨水落地之后不能完全被土壤吸收,一部分雨水会沿着边坡往坡脚处流动,使得坡脚处雨水汇集,从而导致坡脚处体积含水率偏高。当降雨结束后,坡脚汇集的雨水被完全吸收后,使得坡脚稳定性较差,可能造成滑坡。通过上述分析可知,在边坡的坡脚设置恰当的排水形式是十分重要的。

4.2 边坡孔隙水压力分析

不同降雨持续时间不同位置边坡孔隙水压力见表3。由表3 可知,当降雨持续时间为0 h 时,边坡所观察的孔隙水压力处坡脚位置以外的其他位置孔隙水压力均为负值；在相同降雨持续时间中,坡脚和坡中位置处的孔隙水压力呈现逐渐减小的趋势；随着持续降雨时间的增长,孔隙水压力逐渐由负值变为正值,表明边坡岩土体逐渐开始向饱和状态过度；在相同降雨持续时间下,坡脚处的孔隙水压力明显比坡中与坡顶大。

表3 不同降雨持续时间不同位置边坡孔隙水压力 单位：kPa

4.3 边坡稳定性分析

4.3.1 塑性应变分析

不同降雨持续时间边坡的塑性应变云图见图2。由图2（a）可得,边坡在未支护天然工况下,边坡存在潜在滑动面且潜在滑动面贯通；在该状态下边坡的塑性应变明显,塑性应变区主要集中在风化土与全风化页岩接触交界面处,塑性应变最大的位置出现在该交界面中下部。由图2（b）可得,经组合结构支护后且未降雨时,边坡的塑性应变明显减小,锚杆的支护作用使潜在边坡滑动面下移,下移的潜在滑动面被抗滑桩阻断,可以充分体现出抗滑桩+锚杆组合支护结构的充分协作,充分发挥各自的优势。结合图2（b）～图2（e）可得,随降雨持续时间的增长,支护后的边坡塑性应变逐渐增大,但各降雨持续时间下边坡的最大塑性应变的位置都一致,最大塑性应变的位置均在坡脚处；在降雨持续时间0～12 h中,组合结构支护后边坡的潜在滑动面均未贯通,说明抗滑桩+锚杆组合结构在持续降雨工况下支护边坡的优势。

4.3.2 稳定安全系数与位移分析

不同降雨持续时间边坡稳定安全系数与最大总位移见表4。由表4 可得,在未支护天然工况下边坡的稳定安全系数为1.02,边坡当前处于极不稳定的状态,极易发生滑动；边坡的最大总位移为38 mm,远超过规范要求的20 mm,边坡最大总位移不满足要求。边坡在经组合结构支护后且降雨持续时间为0 h 时,边坡的稳定安全系数为1.43,较未支护天然状态提升了40.2%；边坡的最大总位移仅为6 mm,满足规范要求,且较未支护天然工况降低了84.2%。由此可见,边坡在经组合支护结构支护后且还未降雨时,边坡的稳定安全系数提升显著,边坡的最大总位移显著减小。随降雨持续时间的不断增长,边坡的稳定安全系数逐渐降低,边坡的最大总位移逐渐增加。在降雨持续时间为12 h 时,边坡的稳定安全系数为1.31,较未支护天然状态仍提升28.4%,边坡的最大总位移为15 mm,较未支护天然状态仍降低了60.5%。由此可见,边坡在经组合支护结构支护后且降雨持续时间为12 h 时,边坡的稳定安全系数仍有一定程度的提升,且提升后满足规范要求。

表4 不同降雨持续时间边坡稳定安全系数与最大总位移

5 结论

本文利用有限元软件MIDAS GTS,建立不同降雨持续时间下组合结构支护边坡的模型,分析不同降雨降雨持续时间对评价边坡稳定性指标的影响,得出以下结论：

（1）在持续降雨工况下,边坡坡脚的体积含水率较其他位置更大,容易引起滑坡。在工程中应注意边坡排水,以及采用合适排水方式。

（2）相对于坡中与坡顶处,坡脚的孔隙水压力更大,因此在考虑持续降雨工况支护边坡时,应更加关注坡脚位置。

（3）组合结构能有效阻断边坡潜在滑动面,显著限制塑性应变与边坡位移以及提升边坡稳定安全系数。边坡经组合结构支护后,未降雨时稳定安全系数达到了1.43,持续降雨12 h 后边坡的稳定安全系数仍大于1.30。