降雨及水位变化条件下路基边坡稳定性数值模拟研究

摘要：为研究降雨及水位变化条件下路基边坡的稳定性，文章以云南省腾冲市某沿河路基土质边坡工程为例，基于有限元数值模拟软件分析了边坡在不同工况下的安全系数变化规律和降雨-水位变化组合模式下边坡稳定性的变化规律，得到以下主要结论：不同降雨强度下边坡的安全系数变化速率不同；坡体内部初始水位越高，边坡在降雨条件下越容易失稳破坏；路基土质边坡经过降雨-水位升降后，边坡的稳定性会大幅度下降。

关键词：边坡稳定性；有限元分析；降雨作用；水位变化

中图分类号：U416.1+4" " "文献标识码：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.008

文章编号：1673-4874（2024）11-0025-03

引言

随着我国交通运输的快速发展，公路工程建设的环境也日益复杂。我国西南山区乡镇的许多公路沿河修建，由于山区多变的气候，路基边坡多受到降雨及河流水位变化的影响，往往会发生失稳现象，对公路工程的建设产生严重影响。因此，研究降雨及水位变化对公路边坡稳定性的影响十分重要。

近些年来，国内外学者针对降雨及水位变化对边坡稳定性的影响开展了大量的研究。Pearce等［1］针对滑坡的渗流情况，首次提出了“浴缸模型”，该模型可根据孔压及边坡形态的变化来分析不同降雨条件下的滑坡演化过程，该模型为后续学者研究降雨条件下的滑坡变形机理及演化过程提供了新方法。靳红华等［2］通过Midas GTS软件分析了高陡边坡在不同降雨情况下的渗流场变化规律，并结合室内试验提出了预测该类高陡边坡的稳定性系数方法，该方法综合考虑了土体的物理特性及循环降雨对土体强度的影响，使预测值更加可靠。刘泽［3］通过数值模拟分析了岩质边坡在降雨条件下的稳定性，通过分析孔隙水压力、位移及稳定性系数的变化规律，估算了该岩质边坡在30年内的水土流失情况，以此表示降雨对岩质边坡稳定性的影响。Thi等［4］对水位变化条件下沿河路段路堤边坡的稳定性进行了模拟，分析了安全系数及应力分布的变化规律，结果表明，水位上升时，沿河路堤的稳定性下降；水位下降时，路堤的稳定性有所回升，安全系数增加。

上述学者的研究主要集中于降雨或水位变化单一条件下的边坡稳定性研究，较少考虑降雨及水位变化综合条件对边坡稳定性的影响。因此，本文在前人的研究基础上，基于云南省某沿河公路工程，通过有限元软件分析不同降雨及水位变化条件下土质路基边坡的稳定性，并基于此分析降雨及水位变化组合作用下的边坡稳定性。该研究可为沿河路基边坡工程提供相应参考。

1工程概况

依托项目位于云南省腾冲市某路段，路线全长约60 km。本文所研究的路基边坡位于该路段中部，临近龙川江支流南通河，易受到河流的影响，河流全年最高水位约为11.8 m，最低水位约为9.8 m，流量受季节影响，为40～85 m3/s。研究区雨季为4～10月，年平均总降水量约为1 500 mm。地貌以中山地貌、侵蚀地貌、河谷堆积地貌为主。根据勘察报告，上覆层为以粉质黏土为主的残坡积土，粉质黏土结构较松散，稳定性差，通常为可硬塑状，部分遇水会发生明显的劣化。下伏基岩为强风化灰岩，岩石节理裂隙较发育，部分区域岩溶发育，且发育不均匀。

研究区路段受暴雨及河流的影响，部分路基发生沉陷，路面由于水的侵泡，加之路基发生变形，产生了不均匀压实及沉降现象，车辙的碾压将进一步对路面产生破坏，严重影响了车辆通行。

2数值模拟分析

本章通过有限元软件分析不同降雨及水位变化条件下土质路基边坡的稳定性，并进一步分析降雨及水位变化组合作用对边坡稳定性的影响［5］。

2.1模型构建

细观参数对有限元软件模拟结果的准确性影响较大，而软件未给出细观参数与宏观参数的定量关系，因此土体力学参数根据野外调查报告以及室内试验进行确定。如下页表1所示为岩土体力学参数。

通过实际简化边坡的几何剖面图，将模型X方向的值设置为50 m，在Y方向的值设置为30 m。网格尺寸根据不同位置设置不同大小，模型顶部及底部的单元尺寸为0.6 m，坡面尺寸加密处理，设为0.4 m。模型网格共包括58 482个节点以及44 235个单元。模型如下页图1所示。

2.2不同降雨强度下边坡稳定性变化规律

根据研究区降雨年平均值，将降雨强度分别设置为50 mm/d、95 mm/d、200 mm/d，降雨时间设置为3 d，边坡在0～4 d的安全系数变化曲线如图2所示。

由图2可知，各个降雨强度下的边坡安全系数均随着持续降雨而下降，但不同降雨强度的安全系数变化速率不同，降雨强度越大，安全系数下降速度越快。这是由于降雨强度越大，边坡在同一时间内其土体所渗入的水越多，此时含水率增长速率也越快，含水率的升高会使土体的基质吸力减小，进而减小了土体的抗剪强度，因此降雨强度越大安全系数下降越快［6-7］。

当降雨结束后的1 d内，各个降雨强度的安全系数均有回升趋势，但回升速率亦有不同。降雨强度为50 mm/d、95 mm/d、200 mm/d的边坡其安全系数的回升值分别为0.031、0.018、0.009，表明降雨强度越大，降雨结束后其安全系数回升速度越慢。分析其原因为，坡体内部的入渗量越大，其已饱和的土体体积也越大，当降雨结束后，降雨强度越大的坡内土体饱和度下降速度也就越小，土体的饱和度决定了其抗剪强度及抗滑力，因此安全系数的回升速率减小。

2.3不同初始坡内水位下边坡稳定性变化规律

根据研究区的实测水位值，将初始坡内水位分别设置为1.0 m、2.0 m、3.0 m，降雨强度为95 mm/d，降雨时间设置为3 d，边坡在0～4 d的安全系数变化曲线如图3所示。

由图3可知，初始坡内水位为1.0 m、2.0 m、3.0 m的边坡在相同降雨强度及降雨时间下，其安全系数分别降低了1.12、0.131、0.136，其变化规律基本一致，表明在降雨作用下，土质边坡的坡内初始水位越高，其安全系数下降越大，边坡稳定性更容易受到破坏。这是由于边坡的初始地下水位线越高，雨水更容易从坡体到达地下水位处，二者的连通速率越快，土体的孔隙水压力的增大速度也越快，降低了土体的抗剪强度及抗滑力，使安全系数的下降幅度增大［8］。

2.4不同水位升降速率下的边坡稳定性分析

根据河流年平均水位值，将最低水位设置为9 m，最高水位设置为12 m，水位的升降速率分别设置为0.25 m/d、0.5 m/d、1 m/d、2 m/d。各个工况如表2所示。

如图4所示为不同水位升降速率下边坡的安全系数变化曲线图。由图4（a）可知，边坡的稳定性随着河流水位的提升而增强，而不同上升速率其安全系数的变化速率不同，上升速率越快，安全系数的变化速率越快。分析其原因为，河流的水位上升速率与坡内水体渗流速率相比较快，经过一定时间后，坡体的内外由于速率不同会产生一定的动水压力，动水压力可增强土体的抗滑力，从而使边坡的安全系数增大。而水位的上升速率越快，坡体内外的水位的高差越大，动水压力也越大，因此安全系数上升速率有所不同。

由图4（b）可知，边坡的稳定性随着水位的下降而降低，不同下降速率其安全系数的变化速率不同，下降速率越快，安全系数的变化速率越快。该现象同样因河流的水位下降速率与坡内水体渗流速率不同，二者由于速度差而产生方向向坡表外部的渗水压力，向外的渗水压力会增大坡体的下滑力，从而使安全系数下降。而水位的下降速率越快，坡体内外水位的高差越大，渗水压力也越大，因此安全系数下降速率有所不同。

2.5降雨与水位变化组合条件下边坡稳定性分析

基于上述分析，进一步探究降雨与水位变化耦合作用下边坡稳定性的变化规律，组合模式如图5所示［9］。

如图6所示为组合模式下边坡的安全系数变化曲线。由图6可知，组合模式下的安全系数变化综合了各个单因素影响下的变化趋势：在路基边坡受到3 h的强降雨影响下，边坡稳定性急剧下降；在河流水位上升阶段，由于动水压力的作用，边坡的稳定性有一定的回升现象；而在水位下降阶段，渗水压力作用使稳定性转而下降，且下降幅度大于水位上升阶段。表明在经历降雨-水位上升-水位下降至起点后，边坡的稳定性会大幅度下降，容易产生失稳破坏现象。根据组合模式下稳定性的变化规律可知，坡面的渗流作用在很大程度上影响了边坡的稳定性。因此，该类土质路基边坡在坡面布设防水层能较好地减少渗流作用的影响，进而提高边坡的稳定性。

3结语

为研究降雨及水位变化条件对路基边坡稳定性的影响，本文基于云南省某沿河路段的路基边坡工程，通过有限元软件分析了不同降雨及水位变化条件下边坡稳定性的变化规律。基于此，进一步分析降雨-水位升降组合模式下边坡稳定性的变化规律。

本文得到如下主要结论：

（1）降雨强度越大，路基边坡的稳定性下降速率越大。

（2）土质边坡的坡内初始水位越高，边坡稳定性更容易受到破坏。

（3）河流水位上升，动水压力增加，边坡的稳定性随之增大；河流水位下降，渗水压力增大，边坡的稳定性会随之减小。

参考文献：

［1］Pearce，Andrew J.Streamflow Generation Processes：An Austral View［J］.Water Resources Research，1990，26（12）：3 037-3 047.

［2］靳红华，王林峰，任青阳，等.降雨循环条件下高切坡稳定性演化过程及预测方法［J］.土木与环境工程学报（中英文），2021，43（4）：12-23.

［3］刘泽.强降雨作用下全风化花岗岩边坡冲刷模拟与长期稳定性分析［D］.长沙：长沙理工大学，2017.

［4］Thi Toan Duong，Hideo Komine，Minh Duc Do，et al.Riverbank stability assessment under flooding conditions in the Red River of Hanoi，Vietnam［J］.Computers and Geotechnics，2014（61）：178-189.

［5］江强强，焦玉勇，宋亮，等.降雨和库水位联合作用下库岸滑坡模型试验研究［J］.岩土力学，2019，40（11）：4 361-4 370.

［6］贾官伟，詹良通，陈云敏.水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（9）：1 798-1 803.

［7］黄润秋，戚国庆.非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响［J］.工程地质学报，2002（4）：343-348.

［8］何忠明，史振宁，付宏渊，等.水位下降对沿湖路堤边坡渗流特征及稳定性的影响［J］.中南大学学报（自然科学版），2014，45（9）：3 227-3 233.

［9］时卫民，付玉辉.条分法中土条周边水压力与渗透力之间的关系［J］.岩土工程技术，2007（3）：123-125，152.

作者简介：陈振山（1978—），高级工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-16