降雨類型對邊坡穩定性的影響分析

縱崗，王耀

（鹽城工業職業技術學院建筑工程學院，江蘇 鹽城 224000）

降雨類型對邊坡穩定性的影響分析

縱崗，王耀

（鹽城工業職業技術學院建筑工程學院，江蘇 鹽城 224000）

文章基于飽和-非飽和滲流理論和降雨入滲原理，利用有限元軟件ABAQUS模擬分析了不同降雨類型下的邊坡穩定性。短時強降雨導致邊坡上部土體發生短暫的飽和，形成暫態飽和區甚至導致地表徑流。長時弱降雨情況下雨水能夠滲入到土體深部位置，補給地下水。短時強降雨情況下邊坡安全系數降低的程度更大，但是長時弱降雨情況下的滑坡危害程度更大。

短時強降雨；長時弱降雨；穩定性；ABAQUS

0 引言

降雨作為常見的自然現象，是山體滑坡的主要誘因。每年發生的山體滑坡事故都會給人們的生產生活帶來巨大損失，因此研究降雨條件下的邊坡穩定性十分重要。同時不同的降雨類型對邊坡的穩定性也會產生不同的影響，例如我國的西南地區作為滑坡事故的常發地帶，針對該地區的降雨特點，對短時強降雨和長時弱降雨兩種降雨類型下的邊坡穩定性進行對比分析就很有必要，能夠為滑坡的預防和治理提供理論參考。

1 飽和-非飽和滲流理論

在降雨條件下的邊坡滲流場的分析中，雨水的流動是典型的二維飽和-非飽和問題，達西定律仍然適用其滲流規律的描述。土體內非飽和-飽和滲流的控制方程[1-4]形式為：

式中：h為總水頭；kx和ky為x和y方向的滲透系數；w為匯源項；mw為比水容量；ρw為水的密度；g為重力加速度；t為時間。

邊界條件為：

所使用的土-水特征曲線模型為V-G[5]數學模型：

式中：a、b、n為擬合參數；ψ為基質吸力；θ為體積含水量；θs為飽和體積含水量；θr為殘余體積含水量；Se為飽和度。

降雨過程的土-水特征曲線為吸濕過程值，本模型中的土-水特征曲線如圖1所示。

圖1 吸濕過程的土—水特征曲線

2 降雨入滲影響邊坡穩定性原理

降雨入滲是一個復雜的過程，包括坡頂入滲、坡面入滲、順裂隙入滲、裂隙向土體滲流和重力條件下土體內滲流等多種形態。當降雨強度小于邊坡土體滲透系數時，降雨很容易滲流到土體深部飽和區，直接補給地下水，而淺部土體難以達到較高的飽和度，邊坡處于穩定狀態。

當降雨強度大于邊坡土體的入滲率時，雨水滲入邊坡表層土體，使得邊坡非飽和區上部土體的含水率逐漸增大，基質吸力逐漸降低，邊坡內出現暫態飽和區，暫態飽和區逐漸向內部發展，邊坡坡面上出現正的水壓力（暫態水壓力），影響邊坡穩定。此外，坡面形成地表徑流，對坡面造成沖刷，進一步降低了土體的穩定性。

與此同時，雨水滲透到土體表層中，使得土坡非飽和帶土體的基質吸力不斷的降低，隨著基質吸力的降低，使得土坡非飽和帶土體的抗剪強度下降，進而導致土坡穩定性顯著降低。因此當降雨歷時和降雨強度超過一定的極限限度時，也就是說存在一個臨界降雨量值，當降雨量超過該值時，土坡則會失穩，產生滑坡。

因此，降雨破壞邊坡時，要經歷降雨→雨水邊坡滲透（包括裂隙滲透和地表徑流）→邊坡土體重力增大、強度降低→穩定系數減小→局部失穩滑動→滑動破壞的過程。

3 建立模型和計算方案

為了分析不同降雨類型條件下的邊坡穩定性問題，擬選用某一土質邊坡，按照二維模型進行數值模擬分析。該邊坡的幾何尺寸及地下水位如下圖所示。

圖2 邊坡尺寸（單位：m）

數值模擬計算所用的均值土坡的各項物理參數如表1所示。

土體各項物理參數 表1

該模型的邊界條件設置如下。

①位移邊界條件。約束模型兩側AF、DE的水平位移，約束模型底部FE的水平位移和豎直位移，坡面BC、AB、CD均為自由邊界。

②孔壓邊界條件。邊坡模型AB邊所處位置為地下水位線，在AF、DE兩側水位線以下設置隨深度線性增加的靜水孔壓邊界，水位線以下邊坡土體飽和度為1.0。

③降雨邊界條件。把BC、CD邊設置為降雨流量邊界來模擬降雨，由于AB面為飽和面，AB邊設置為降雨對其不產生影響的邊界。

④滲透邊界條件。本算例考慮雨水沿坡面BC、CD邊進行入滲，AB邊為飽和邊界降雨不引起雨水的入滲，模型底面EF設置為不透水邊界。

圖3 模型邊界條件

圖4 計算網格模型

不同的降雨類型對邊坡的穩定性會產生不同的影響，本文主要研究短時強降雨和長時弱降雨兩種降雨類型下的邊坡穩定性，針對研究所做的對比方案如表2。

短時強降雨、長時弱降雨的對比方案 表2

4 結果分析

4.1 初始狀態分析

在降雨入滲分析前，需要知道邊坡初始孔隙水壓力、初始飽和度、初始應力分布等一系列初始條件。本文首先進行一個靜水位作用的分析，以建立后續分析需要的初始狀態。

圖5所示為初始孔隙水壓力等值線圖，由圖可見水壓力的分布呈線性變化，底部水壓力為100kPa，頂部水壓力為-200kPa（吸力），這和我們所給出的條件是符合的。圖5孔隙水壓力為零的地下水浸潤線成為正負孔隙水壓力的分界線。

圖5 降雨之前的孔壓分布圖

邊坡初始狀態穩定性分析為：圖6和圖7表示的是降雨之前土坡穩定性分析中位移等值線云圖和用增量位移判斷的滑動面圖。邊坡失穩數值計算的整個過程歷時0.6569s，從位移云圖上可以看出最大的位移出現在坡腳的位置，從而可以判定首先邊坡的坡腳出現屈服，然后向上延伸，當時間等于0.6569s時出現塑性區的貫通，邊坡破壞。圖8表示的是邊坡左上角的頂點的場變量FV1隨X方向位移的變化曲線圖，如果以數值的計算不收斂作為土坡失穩的評價標準，那么相對應的場變量FV1為1.50532，即邊坡的安全系數Fs為1.50532。

圖6 位移等值線

圖7 增量位移判斷的滑動面

圖8 FV1隨U1的變化關系

4.2 計算結果分析

圖9為上述邊坡在經歷短時強降雨、長時弱降雨兩種不同雨況下，邊坡坡肩孔隙水壓力隨高程變化的對比圖。在I、J短時強降雨方案下，表層的土體（5m以內）孔隙水壓力幾乎增到0kPa,接近飽和狀態。主要原因是此時的降雨強度大于土體的飽和滲透系數，水分在邊坡內部的運移很慢，在邊坡的上部形成暫態飽和區。K、L長時弱降雨方案下，上部土體遠遠沒有達到飽和，只是影響深度加大。也就是說如果一旦發生土體滑坡，長時弱降雨下的滑坡危害性會更大。因為短時強降雨下的滑坡多會發生在邊坡的上部，滑坡土體的體積相對較小。而長時弱降雨下的滑坡影響范圍大，滑坡土體的體積較大。

圖9 短時強雨、長時弱雨，孔隙水壓力隨高程變化對比圖

圖10 短時強降雨下，安全系數隨時間的變化

圖11 長時弱降雨下，安全系數隨時間的變化

由圖10、11分析后可知，在飽和滲透系數一定時，無論短時強降雨還是長時弱降雨，在降雨結束時，邊坡安全系數都大幅的降低。在降雨停止后隨著時間的推移，入滲到土體內的雨水開始蒸發或由坡面向外滲出，邊坡內的孔隙水壓力開始減小，基質吸力增大，導致邊坡安全系數又逐漸的升高。由于水分消散的速度由快到慢，安全系數上升的幅度也由大到小，最后基本維持在一個定值，在一定的時間之內不能恢復到雨前初始狀態的安全系數大小。說明了降雨時間間隔的長短對于安全系數的恢復程度有直接的影響，可見降雨時間間隔對邊坡的穩定性十分重要。

同時，對比短時強降雨與長時弱降雨方案下土體邊坡安全系數大小可知，短時強降雨停止時安全系數較長時弱降雨停止時的安全系數更小。其原因是短時強降雨方案下，降雨強度大于土體的飽和滲透系數而產生地表徑流，雖然有一部分雨水并沒有滲入到邊坡內，但是該部分雨水將隨著邊坡坡面產生順坡流動，順坡流動會對邊坡上部土體產生較大的沖刷作用，進一步對邊坡的穩定產生不利的影響，邊坡的穩定安全系數又會再次降低。

5 結論

通過以上算例分析可知，不同降雨類型對邊坡穩定性會產生不同的影響。

①短時強降雨情況下雨水入滲較淺，孔隙水壓力變化較大，特別是邊坡上部土體甚至出現暫態飽和區；而長時弱降雨情況下孔隙水壓力變化較小但是雨水入滲較深。

②無論短時強降雨還是長時弱降雨都會導致邊坡的安全系數大大降低，但是短時強降雨導致的安全系數降低程度更大。

③土體滲透系數與降雨強度的比例關系大小對邊坡安全性能同樣會產生很大的影響，這可以作為以后的一個研究方向。

[1]吳夢喜，高蓮士.飽和-非飽和土體非穩定滲流數值分析[J].水力學報，1999(12)：38-42.

[2]毛昶熙，段祥寶，李祖貽.滲流數值計算與程序應用[M].南京：河海大學出版社，1999.

[3]顧慰慈.滲流計算原理及應用[M].北京：中國建材工業出版社，2000.

[4]吳林高，繆俊發，張瑞，等.滲流力學[M].上海：上?？茖W技術文獻出版社，1996.

[5]朱軍.飽和非飽和三維多孔介質非穩定流分析[J].武漢大學學報（工學版），2001,34(3)：5-8.

TU46

A

1007-7359（2016）06-0091-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.035

縱崗（1985-），男，安徽宿州人，畢業于江蘇科技大學，碩士；助教，主要從事建筑工程施工方面的教學工作。