降水入渗对某河道岸坡稳定性影响分析

刘菲菲，蒋晓艳，王启凡，安琳琳

(1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001；2.华设设计集团股份有限公司常州分公司，江苏 常州 213000；3.徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州 221000)

0 引言

水是导致边坡、崩塌等地质灾害的主要诱发因素之一，在水的作用下岩土体的物理、力学参数将发生变化[1-3]。一般情况下，岩土体含水量增大将导致其重度发生变化。水将导致岩土体抗剪强度参数降低，从而导致边坡出现变形失稳破坏。因此，专家、学者对降水对边坡稳定性产生的影响进行了深入的研究，取得了诸多学术成果[4-7]。数值模拟方法和物理模型试验方法是边坡稳定性研究中常用的方法，2种方法均可较为准确的分析边坡变形失稳破坏情况，物理模型试验与数值模拟分析方法相比，可为更为直观的反应边坡的变形破坏过程，但数值模拟分析方法可以获取更多的数据信息，有利于边坡变形破坏机制分析的研究。

通过前人的研究成果可以得知，水对边坡稳定性影响较大，降水是造成边坡失稳的重要因素之一，因此，结合某河道岸坡工程的实际情况，对降水条件下岸坡稳定性进行分析研究，为后续工作提供指导。

1 河道岸坡工程条件及数值分析模型建立

为了保证河道工程的安全，对河道边坡进行了修复治理，周边重要工程较少，具有较好的空间，可以采用放坡的方式进行支护处置。

通过现场调查，场地土层具有显著的河道冲积土层，从上至下主要为素填土、粉土、粉质粘土、卵石层、粉质粘土层。河道岸坡总高度约为28m，结合周边条件，采用三级放坡支护，放坡坡比均为1∶1.0，从上至下坡高分别为8.0、10.0、10.0m。

根据边坡开挖坡比、坡高建立数值模拟计算模型，研究不采取加固措施和采用锚杆加固后不同降水条件下的岸坡稳定性情况，计算工况见表1。数值模拟计算模型2侧采用法向约束、底部采用全约束的边界条件。数值分析采用PLAXIS 3D软件，各土层计算参数见表2。

表1 河道边坡计算工况

表2 土层计算参数表

水土特征曲线是影响水土耦合分析计算的重要参数，其正确性对边坡稳定性分析的准确性影响较大。目前，在边坡水土耦合分析过程中主要采用Van Genuchgen确定该边坡岩土体的水土特征曲线[8-9]。该方法主要计算过程如下：

(1)

式中，ua、uw—孔隙气压力和孔隙水压力，kPa；ψ、ks—土体的基质吸力，kPa、饱和渗透系数，cm/s；m、n、α—待定参数，无量纲；Sr、kr—饱和度、相对渗透系数，无量纲；θr、θw、θs—残余体积含水量、体积含水量、饱和体积含水量，无量纲。

在数值模拟方法中，通常采用强度折减法对边坡工程的稳定性情况进行分析研究，该方法经过了多项工程的检验，计算结果较为可靠，此处不再赘述该方法的计算理论。

2 计算结果与分析

2.1 降水对边坡孔隙水压力的影响成果分析

根据建立的数值模拟计算模型，分析降水对河道边坡孔隙水压力的影响情况，计算结果如图1所示。从图1可以得知，降水导致的负孔隙水压力的变化过程和降水强度关系较小，不同降水强度不影响负孔隙水压力的变化过程。但是，降水强度对最大孔隙水压力的形成时间影响较大。不同降水条件下不同深度的最大孔隙水压力形成时间见表3。当降水强度过大时，边坡可能形成表面径流或者积水情况，同时，降水强度越大入渗深度也相对增大，随着入渗深度的增大，入渗速度将减小，主要原因是随着深度增大，孔隙水压力减小，入渗速度也随之减小。

图1 降水强度对孔压的影响曲线

表3 不同降水条件下不同深度的最大孔隙水压力形成时间 单位：d

2.2 不同降雨时长边坡破坏过程分析

采用100mm降水强度，对边坡降水条件下的稳定性情况进行分析，PLAXIS 3D数值分析计算结果如图2所示。根据数值模拟分析计算结果可知，该放坡的变形破坏首先发生于最下层边坡的坡脚部位，随着降水的进行，边坡变形破坏影响范围不断增大，主要表现为由下至上的发展过程中。降水导致土层含水率增大、重度增大且抗剪强度参数等降低，边坡稳定性将有所下降，降水入渗导致边坡变形破坏范围不断向坡内发展，直至形成贯通的破坏面，如图2(b)所示，边坡的变形破坏与降水存在一定的滞后性，一般发生在降水后的几天时间内。

图2 河道边坡破坏过程云图

2.3 未加固条件下边坡稳定性分析

在未采取支护的情况下，降水边坡稳定性情况如图3所示。根据变形曲线可以得知，边坡稳定性呈现先减小后增大的变化趋势，主要原因是降水发生后，雨水入渗导致表层岩土体稳定性快速下降。降水后，坡体内部的水体不断排出，岩土体强度参数有所恢复，边坡稳定性系数增大。降水强度越大，边坡安全系数越低，边坡稳定性下降速率越大。

图3 未加固边坡安全系数变化曲线

2.4 锚杆加固后边坡稳定性分析

在未采取措施的情况下，边坡稳定性在降水条件下迅速下降，边坡将发生滑动破坏。为了保证边坡的稳定性，采取锚杆支护，锚杆设计长度25m，锚固段25m。锚杆加固后，边坡稳定性情况变化情况如图4所示。采取锚杆加固后，边坡稳定性变化过程同未加固条件下基本一致，表现为先减小后增大变化过程，但是边坡安全系数有明显的提升。表明采用锚杆支护可以有效提升边坡的稳定性条件。

图4 加固后边坡安全系数变化曲线

3 结论

(1)不同降水条件下，降水强度越大，雨水入渗速度和深度越大，浅层岩土体入渗速度最大，将快速达到饱和状态，导致表层岩土体发生滑动破坏。

(2)随降水强度增大，边坡稳定性系数逐渐减小，边坡稳定性系数下降速率不断增大。

(3)采用锚杆加固后，边坡稳定性情况可以快速上升，与未加固情况一致，均表现为先减小后增大的变化规律。数值分析结果可知，锚杆加固在工程应用效果良好。