降雨条件下高边坡安全评价与变形预警机制研究

王恒亮，渠根启，黄亦佳，潘 童，万愉快

（1、南京市江宁区建设工程质量监督站 南京 211134；2、南水北调东线江苏水源有限责任公司徐州分公司江苏徐州 221000；3、河海大学土木与交通学院 南京 210024；4、江苏省建筑工程集团第一工程有限公司江苏扬州 225008；5、宁夏大学土木与水利工程学院 银川 750021）

0 引言

降雨沿表面土体入渗或形成的坡面流沿地表裂缝进入坡体内部，会导致岩土体的抗剪强度降低，极易诱发边坡滑坡灾害，危害人民的生命财产安全。在大规模公路工程建设中，有效评估公路高边坡稳定性，对保障人民生命财产及工程安全和优化工程建设的投资及运营效益具有重要意义，同时也是发挥安全监测和灾害预警的核心工作。

边坡稳定性演化是一个复杂、动态的非线性耗散过程，是由内外地质应力和人为因素共同作用的结果，这个过程十分复杂，且具有不确定性。为了对边坡变形演化行为做出准确判断，就需要建立具有一定适用性的滑坡预警判据。李秀珍等人［1］分析比较了各种不同的滑坡判据，提出了以监测资料为依据，将理论模型预报、根据预报判据预报以及斜坡的宏观变形破坏迹象和前兆信息等几者有机地结合起来的综合信息预报方法；刘造保等人［2］结合岩石实验及边坡安全监测的具体情况，制定边坡进入加速变形-破坏阶段的综合预警判据；张振华等人［3］提出了基于设计安全系数和破坏模式的边坡开挖过程中动态变形监测预警指标的研究思路和方法。降雨是诱发滑坡的重要因素之一，许多学者将降雨因素的影响考虑进滑坡预警系统的设计中。王俊等人［4］基于无限边坡算法开展降雨型滑坡的预警系统研究；黄晓虎等人［5］以日降雨量、日位移速率建立临灾预警线，进而设计递进式滑坡临灾预警系统。降雨工况、尤其是降雨工况下的边坡破坏具有短时程的特点，此时滑坡临界速率难以确认且普遍存在位移突变现象。杨帆等人［6］针对滑坡监测位移-时间曲线特点，提出基于时间序列的人工蜂群算法与支持向量回归机相结合的滑坡位移预测方法；谭万鹏等人［7］通过分析关键点位移监测数据以及数值软件，分析不同安全系数对应的滑坡位移趋势曲线进行滑坡预报。本文运用数值方法开展降雨工况下的高边坡稳定性评价，建立降雨条件下高边坡变形预警机制。

1 边坡稳定性评价

1.1 边坡参数与数值建模

某公路高边坡段坡长425 m，为五级边坡，最大高约50.3 m。每级坡高10 m，设计坡比1∶0.5～1∶1.25。坡表分布残积含碎石粉质粘土，褐黄色硬塑状约含10%辉绿岩碎石，表层含少量植物根系，属普通土；全风化辉绿岩呈灰褐色，原结构已破坏，呈砂土状，风化中夹球形孤石，属硬土；强风化辉绿岩，深灰色，结晶较好，差异风化明显，属软岩；中风化辉绿岩，花岗斑岩脉穿插，深灰色，结晶较好，岩质坚硬，属次坚石。现场调查时，该段处于爆破开挖施工中，从现场情况可以看出坡顶有较厚的碎石粉质土，岩石破碎度高，不利于边坡安全。粘聚力c取122.2 kPa，内摩擦角φ取22.4°。

对该边坡正常工况下稳定性进行评价，运用数值分析-强度折减法进行安全系数计算。数值分析-强度折减法基于有限差分法，基于抗剪强度折减法理论进行边坡稳定性分析，逐步降低或增加材料的抗剪强度，使边坡达到极限平衡状态［10-13］。安全系数定义如下：

式中：Fs为折减系数，通过不断增加或减小折减系数，反复计算，直至边坡达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数。单次安全系数的计算过程主要采用“数值计算的不收敛性”判据。首先，通过给粘结力设定一个大值来改变内部应力，以找到体系达到力平衡的典型时步Nr；接着，对于给定的折减系数Fs，执行Nr时步，如果体系不平衡力与典型内力比率R＜10-3，则认为体系达到了力平衡。如果不平衡力比率大于10-3，那么再执行Nr时步，直至R＜10-3后退出当前计算，开始新一轮折减计算过程。为了控制整个强度折减法循环计算过程的求解时间，只要满足上述3 个标准中的任何1个，便退出计算。

采用式⑶进行边坡所在区域的降雨强度预测，计算确定不同降雨重现期下不同持续时间的总降雨量，如表1所示。

表1 不同降雨重现期下的降雨量Tab.1 Rainfall under Different Rainfall Return Periods（mm）

其中：i为降雨强度（mm/min）；P为设计降雨重现期；t为降雨历时（min）。对边坡断面进行数值建模（见图1），降雨工况数值计算的模型参数取值如表2所示。

图1 边坡断面模型Fig.1 Model of the Original Section

表2 边坡降雨工况数值建模参数Tab.2 Numerical Modeling Parameters for Slope Rainfall Conditions

1.2 降雨工况下边坡安全系数影响规律分析

降雨工况下边坡安全系数随降雨时间的变化曲线如图2 所示，边坡安全系数随着降雨持续时间的增加而降低，降雨持续时间较短（如1 h）对边坡安全性影响较小，降雨持续时间较长（如24 h）对边坡安全性影响显著。此外，边坡安全系数随着降雨重现期（即降雨强度）的增加而显著降低。

图2 边坡在不同降雨条件下的安全系数随时间变化Fig.2 Safety Factor of Slopes under Different Rainfall Conditions Varies over Time

2 降雨工况下高边坡滑坡灾害预警机制

2.1 边坡变形稳定状态判别方法

运用有限差分数值方法进行数值建模，高边坡最大断面数值计算模型网格划分和实际坡面表面变形监测点位置如图3 所示。在进行数值模拟时，将边坡模型拟定为摩尔-库仑本构模型。将边坡模型的边界设定为底部与左右两侧约束，上部自由，即确定边坡左右边界沿水平方向的位移为0，下边界沿竖直方向的位移为0。

图3 监测边坡数值计算模型和监测点位置Fig.3 Numerical Calculation Model for Monitoring Slope and Location of Monitoring Points

《公路滑坡防治设计规范：JTG/T 3334—2018》［8］给出了边坡稳定系数要求，对于高速公路确定正常工况下边坡稳定安全系数为1.30，非正常的降雨工况下边坡稳定安全系数为1.20。

开挖路堑边坡监测预警指标确定步骤（见图4）：

图4 路堑边坡监测变形预警值确定流程Fig.4 Process for Determining Deformation Warning Values of Road Cutting Slope Monitoring

⑴针对边坡的地质结构特性和所受荷载特点，建立边坡的精细化有限元数值计算模型；

⑵以现场测试、室内实验等手段综合获得的边坡岩土体物理力学参数为基础，依据步骤⑴建立边坡的数值计算模型，采用位移反分析方法，反演边坡各层岩土体的变形模量；

⑶根据边坡的地质特征，对其在不同工况下可能的变形破坏模式进行分析，利用极限平衡法确定边坡的最危险滑动面；

⑷采用强度折减法分析边坡在不同工况下岩土体粘聚力逐渐弱化过程中的位移变化规律，通过规范［8］要求寻找边坡在不同工况下的位移变化阶段；

⑸建立边坡的监测点水平位移量与安全系数的关系曲线图，根据关系曲线上斜率变化较大的数值点和规范［8］确定的数值点确定各阶段的预警起点；

⑹根据不同工况设立不同的预警指标，通过预警指标对边坡的安全状态进行判别和预警。

2.2 正常工况下边坡变形判别

利用数值方法计算不同粘聚力下对应的安全系数和监测点的位移值，并通过多项式拟合的方法整理出正常工况下各测点水平向位移变化与安全系数的关系曲线，如图5所示。

图5 高边坡各监测点水平位移与安全系数关系Fig.5 Relationship between Horizontal Displacement and Safety Factor of Monitoring Points on High Slopes

求得各测点在正常工况下水平位移与安全系数变化的关系曲线上斜率变化较大的关键点，并根据曲线的趋势确定影响各曲线变化趋势最大的那个关键点对应的水平位移量（见图5 中的点B′）为红色预警起点，边坡断面监测点的变形突变的位移值如表3 所示。确定安全系数1.20 对应的数值点（见图5 中的点A）为橙色预警起点，确定安全系数1.0 对应的数值点（见图5中的点C）为失稳点。

表3 高边坡各监测点变形突变处B'点位移与安全系数Tab.3 Displacement and Safety Factor of Point B' at the Deformation Mutation Point of Each Monitoring Point on the High Slope

位移突变对应的边坡安全系数如表3 所示，可以发现断面监测变形突变的安全系数非常接近1.05，这与文献［8］和《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》［9］里给出的边坡稳定性评价标准中的基本稳定和欠稳定状态界限安全系数基本吻合，因此可以统一采用安全系数为1.05 时的变形值，作为不同状态的界限值，即图5中的点B，相应等级预警指标如表4所示。

表4 正常工况下高边坡各监测点变形预警值Tab.4 Deformation Warning Values of Monitoring Points on High Slopes under Normal Working Conditions

2.3 降雨工况下边坡变形判别

与正常工况下一致，按照每种岩土体同步长等比例下降原则，对开挖扰动各岩土层的粘聚力按比例折减。考虑降雨因素计算不同粘聚力下对应的安全系数和监测点的位移值，并通过多项式拟合的方法整理出正常工况下各测点水平向位移变化与安全系数的关系曲线（见图6）。降雨工况下，边坡在安全系数1.15 对应下发生上层破坏，中部的监测点位移变化较小，故在降雨工况下只考虑上部1号监测点。

图6 降雨工况下高边坡监测点水平位移与安全系数关系Fig.6 Relationship between horizontal Displacement and Safety Factor of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

求得各测点在正常工况下水平位移与安全系数变化的关系曲线上斜率变化较大的关键点，并根据曲线的趋势确定影响各曲线变化趋势最大的那个关键点对应的水平位移量（见图6 中点B′）为红色预警起点，边坡断面监测点的变形突变的位移值如表5所示。确定安全系数1.10对应的数值点（见图6中点A）为橙色预警起点，确定安全系数接近1.0对应的数值点（见图6中点C）为失稳点。

表5 降雨工况下高边坡各监测点变形突变处B′点位移与安全系数Tab.5 Displacement and Safety Factor of Point B′ at Deformation Abrupt Changes of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

位移突变对应的边坡安全系数如表5 所示，可以发现断面监测变形突变的安全系数非常接近1.05，这与文献［8］和文献［9］里给出的边坡稳定性评价标准中给出的基本稳定和欠稳定状态界限安全系数基本吻合，因此可以统一采用安全系数为1.05 时变形值作为不同状态的界限值，即图6 中的点B，相应的不同等级预警指标如表6所示。

表6 降雨工况下高边坡各监测点变形预警值Tab.6 Deformation Warning Values of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions

2.4 边坡变形破坏预警等级及指标

由表4 确定正常工况下边坡安全系数1.20～1.30为黄色预警阶段、确定正常工况下边坡安全系数1.05～1.20为橙色预警阶段、确定正常工况下边坡安全系数1.00～1.05 为红色预警阶段。监测点位移阈值如表7所示。

表7 高边坡各监测点长期变形预警的位移阈值Tab.7 Displacement Threshold for Long-term Deformation Warning at Various Monitoring Points on High Slopes（mm/d）

由表6 确定降雨工况下边坡安全系数，1.10～1.15为黄色预警阶段、边坡安全系数1.05～1.15 为橙色预警阶段、边坡安全系数1.00～1.05 为红色预警阶段，监测点位移阈值如表8所示。由于降雨作用下边坡破坏主要是上部局部破坏，断面边坡顶部1 号监测点产生位移较大，边坡下部2 号监测点不在局部破坏范围以内，产生位移较小。因此降雨条件下边坡短期预警主要针对易发生局部破坏的坡顶部进行及时预警。

表8 降雨工况下高边坡各监测点短期变形预警的位移阈值Tab.8 Displacement Threshold for Short-term Deformation Warning of Monitoring Points on High Slopes under Rainfall Conditions （mm/h）

3 结论

⑴边坡稳定性随着降雨重现期（即降雨强度）的增加而显著降低，同时随着降雨持续时间逐渐降低。当降雨持续时间较长（如24 h）时，所选坡在降雨初期中前6 h 安全系数变化较小，随后显著降低。建议在边坡安全监测和预警时，有必要重视6 h 以上的长时间降雨情况；

⑵采用边坡变形数值分析建立强度折减系数与各监测点发生位移的关系，依据现有规范的边坡稳定状态划分方法可以确定各监测点在不同安全等级下的长期变形预警指标，结合依托工程边坡分析结果建议取值为：黄色预警位移阈值1 mm/d、橙色预警位移阈值2～3 mm/d、红色预警位移阈值4～5 mm/d；

⑶针对降雨工况，采用降雨作用下边坡变形稳定性数值分析方法可以建立强度折减系数与各监测点发生位移的关系，由于降雨作用极易引起局部破坏变形，需要及时重视局部位置的变形发生，可只对发生局部变形破坏的坡顶处进行预警。考虑降雨滑坡短时发生特点，提出了降雨边坡短期变形预警指标，建议取值为：黄色预警位移阈值1～2 mm/h、橙色预警位移阈值3～4 mm/h、红色预警位移阈值5～10 mm/h。