降雨作用下高填方边坡稳定性数值分析

摘要：以贵州某高填方边坡为例，采用有限元方法进行边坡的降雨入渗模拟和稳定性分析。研究结果表明：在少雨期Ⅰ阶段，边坡内孔隙水压力和含水率增加幅度较小，岩土交界面存在较大的孔隙水压力；在多雨期，边坡的孔隙水压力和含水率都大幅增加，孔隙水压力由负到正；在少雨期Ⅱ阶段，边坡的孔隙水压力和含水率开始降低，但坡脚变化较小；边坡失稳破坏始于坡脚，降雨导致的浅层滑动与坡脚应力集中，出现最大剪应变，同时带动坡脚隆起破坏；对高填方边坡而言，修建马道可降低坡比，提高边坡稳定性。

关键词：降雨高填方边坡稳定性数值分析

中图分类号：TU470

NumericalAnalysisofStabilityofHighFillSlopeUndertheActionofRainfall

MIAODinghua

WenzhouLuchengDistrictTrafficEngineeringQualityandSafetySupervisionStation，Wenzhou，ZhejiangProvince，325200China

Abstract：TakingahighfillslopeinGuizhouasanexample，therainfallinfiltrationsimulationandstabilityanalysisoftheslopearecarriedoutbyusingFiniteElementmethod.Theresearchresultsshow：InstageIofthelowrainfallperiod，theincreaseofporewaterpressureandmoisturecontentintheslopeissmall，andthereisalargeporewaterpressureattherock-soilinterface;Intherainyperiod，theporewaterpressureandmoisturecontentoftheslopeincreasesignificantly，andtheporewaterpressurechangesfromnegativetopositive;InstageⅡofthelowrainfallperiod，theporewaterpressureandmoisturecontentoftheslopebegintodecrease，butthechangesattheslopetoearesmall;Theslopeinstabilityfailurestartsatthetoeofslope，theshallowslidingcausedbyrainfallisduetothestressconcentrationatthetoeofslope，wherethemaximumshearstrainoccurs，andtheslidingalsodrivestheupliftandfailureofthetoeofslope;Forhighfillslopes，constructingahorseroadcanreducethedeformationoftheslopeandimproveitsstability.

KeyWords：Rainfall;Highfillslope;Stability;Numericalanalysis

高填方边坡由于其填方量大，开挖难度大、存在不良地质条件等特点，降雨条件下极易诱发边坡失稳，给人民的生命财产安全带来严重威胁[1-3]。

高填方边坡的填筑会改变原有地貌及工程地质性质，其高度大于等于20m，通常采用分层填筑[4-5]。降雨是诱发高填方边坡滑塌的主要因素。2011年6月，攀枝花机场12#滑坡正是由于强降雨导致土体抗剪强度减小，孔隙水压力增大，坡体下滑力增大，最终边坡发生较大变形，从而失稳破坏[6-7]。Geo-studio是分析降雨作用下边坡稳定性的常用有限元软件，它可以结合渗流场得到边坡的变形破坏规律。高填方边坡由于其工程性质特殊，其变形破坏与降雨、地下水密切相关，其沉降变形都受水分迁移的影响。

本文针对降雨作用下的西南地区某高填方边坡，采用有限元方法分析降雨作用下高填方边坡的变形破坏规律，从而为边坡地质灾害的监测预警和滑坡治理提供参考。

1工程概况

瓮安站位于贵州境内，地处云贵高原山，山势众多。地势起伏较大，地面高程1040～1300m，相对高差约260m；缓坡多被垦为耕地。瓮马线沿山脚缓坡地带，地形左右起伏较大，左侧山坡较陡多开挖高切坡，右侧为自然斜坡15°～40°多填筑边坡。瓮马铁路在建设过程中，沿线形成大量深挖高切坡和高填方边坡。路线范围表层为坡残积层红黏土。基岩为页岩、强风化泥岩、灰岩。各地层岩性如下。

（1）红黏土。棕黄色，棕红色，硬塑，含10%～15%白云岩质角砾，分布于斜坡地带，厚0～2m，多具弱膨胀性，不能直接做填料。

（2）强风化泥岩、灰岩。灰岩为灰白色，中厚层～厚层状构造，强风化泥岩为中厚层状。基岩自上而下分别为强风化泥岩和灰岩。根据高填方边坡地质条件，选择不利于填方边坡稳定的地段作为计算研究剖面。填方边坡每个断面由坡顶对齐高程、采用1∶2的坡度确定坡脚，每级坡高为10m，每10m高度设置一个马道，马道宽度为2.5m。将原地基坡面的软弱覆盖层予以清除或加固处理，并将坡面做成台阶状。

（3）岩土物理力学参数。饱和含水率40.3%，重度19.6kN·m-3，黏聚力24.3kPa，内摩擦角14.2°，泊松比0.25，弹性模量7.21MPa，渗透系数1.0×10-4cm·s-1。

2边坡稳定性数值分析

2.1模型建立

利用Geo-Studio中的SEEP/W、SIGMA/W和SLOPE/W进行分析。根据地形等高线、填方边坡设计资料建立了边坡地质模型如图1所示。数值模型长85m，高40m，地层自下而上依次是灰岩、强风化泥岩和人工填土。岩-土界面设有4处监测点（JC1、JC2、JC3、JC4），监测其孔隙水压力的变化。基于Geostudio中的土地气候相互作用边界，考虑贵州遵义2019年的降雨量、气温、相对湿度和风速，模型两侧为定水头边界，底部为不透水边界，坡面为大地气候相互作用边界，持续时间365d。

2.2变形-渗流分析

图（2）给出了高填方边坡在不同降雨期的孔隙水压力分布情况。由图2（a）可知，1月份降雨较少，加之冬季天气干燥，土体水分含量也较少，表层土体基本全部吸收雨水，在岩土交界面出现最大负孔隙水压力。由图2（b）可知，4月份雨水逐渐增多，表层土体孔隙水压力增大，呈现正向增长，但还未达到饱和，边坡整体的孔隙水压力增大。对比坡顶、坡中、坡底可以发现，由于雨水可聚集，坡顶和坡底表层土较快达到饱和，而坡中由于雨水不能汇集产生坡面流动，未能入渗的雨水汇集到坡底，这也加快了坡底土体饱和。由图2（c）可知，7、8月份属于多雨期，此阶段不仅降雨强度大，而且历时长，孔隙水压为0的界面趋近于岩土交界面，边坡内部孔隙水压力也出现了较大增长，仅有小部分岩土交界面还存在较大负孔隙水压力，这也表明，高强度的降雨会使孔隙水压力出现较快增长。由于地下水位抬升，正向孔隙水压力高程逐渐增加。由图2（d）可知，在经历多雨期后，降雨量减少，但前期降雨已致边坡大部分土体饱和，随着气温降低，蒸发减弱，加之短历时的弱降雨继续补充，边坡整体出现了大面积的正孔隙水压力，随着降雨持续，土体完全饱和后，其孔隙水压力将不再变化。

图（3）、图（4）给出了高填方边坡在不同降雨期的各监测点的孔隙水压力及体积含水率分布情况。由图可知，降雨存在明显的3个时期，分别为少雨期Ⅰ、多雨期、少雨期Ⅱ，这也导致了边坡内部孔隙水压力和体积含水量出现明显变化波动。在少雨期Ⅰ，边坡整体体积含水率和孔隙水压力相差不大，但随着雨量增多，坡底首先出现较大含水率，降雨入渗和坡面汇集导致坡底的增长速率明显快于其他部位。在多雨期，边坡体积含水率和孔隙水压力都迅速增加，此时边坡稳定状态最差，需要加大对该时段的监测。在少雨期Ⅱ，随着降雨减少，孔隙水压力和体积含水率都减少，地下水位下降。在蒸发作用下坡顶孔隙水压力降低速率最快，其次是坡中心。JC1（坡底）点的体积含水率基本处于不变的状态，说明该处降雨入渗和排泄达到动态平衡。

图（5）至图（7）给出了高填方边坡在年度降雨内马道和坡脚处稳定状态的变化规律。由图可知，高填方边坡整体处于稳定状态，马道处的稳定系数大于坡脚，这说明马道的修建有助于提高边坡的稳定性。随着降雨持续，边坡中后部浅表层向下滑移，滑坡推移使得边坡坡脚出现最大位移。入渗水分沿填土体内孔隙排出时产生的推力，导致滑体表层变形较大，坡脚易隆起破坏，坡脚处出现最大剪应变。这表明边坡破坏一般从坡脚开始，由前文分析也可知，坡脚容易形成积水，这也加剧了其破坏。在多雨期，无论是马道还是坡脚，其稳定系数都会降低，但若没有持续的强降雨，边坡仍处于稳定状态，因此，要做好多雨期边坡的排水工作。在少雨期Ⅱ阶段，受一年降雨的影响，与前两阶段相比，其稳定状态相对降低。在高速公路运营期，可以选择在少雨期对边坡进行加固处理。

3结论

本文以高填方边坡为研究对象，对降雨作用下的边坡稳定性及破坏机制进行分析，得到以下结论。

（1）强降雨初期，边坡仍处于稳定状态，高填方边坡填筑过程中压实较好，雨水入渗速率较小，边坡具有较好的稳定性。

（2）少雨期Ⅰ阶段，边坡内孔隙水压力和含水率增加幅度较小。多雨期，随着降雨强度增大，孔隙水压力和含水率都大幅增加。表层填土体积含水率和孔隙水压力在雨季达到最大值，坡脚变形破坏程度最为明显，降雨渗流导致的浅层变形滑动于坡脚处形成应力集中，出现最大剪应变，同时带动坡脚隆起破坏。

（3）马道位置的稳定性高于坡脚，这表明马道在一定程度上可以提高边坡的稳定性。高速公路在运营期要做好丰雨季节的排水措施，密切监控边坡表面位移，防止滑塌破坏。

参考文献。

[1]贺林林，钱进，赵陈雨，等.巫山神女峰机场高填方边坡稳定性分析方法研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2023，46（5）：646-651，703.

[2]JIEYX，WEIYJ，WANGDL，etal.Numericalstudyonsettlementofhigh-fillairportsincollapsibleloessgeomaterials：AcasestudyofLüliangAirportinShanxiProvince，China[J].JournalofCentralSouthUniversity，2021，28（3）：939-953.

[3]冯兴，姚仰平，李汝宁，等.山区机场高填方地基变形分析[J].北京航空航天大学学报，2021，47（10）：2013-2023

[4]刘川，冯杰，张强，等.黄土高填方边坡渗透变形机理的物理模拟[J].科学技术与工程，2022，22（19）：8218-8224.

[5]安鹏，张杰，倪万魁，等.安康机场罗家河膨胀土高填方沉降变形特征研究[J].岩土工程学报，2023，45（4）：833-839.

[6]廖鸿，徐超，杨阳.某机场飞行区土工格栅加筋高边坡优化设计[J].水文地质工程地质，2021，48（6）：113-121.

[7]李金鸾.高速公路高填方路堤边坡稳定及动力响应分析[D].大连：大连交通大学，2023.