吴兵权 赵 鸣

(同济大学建筑工程系，上海 200092）

降雨历时对边坡稳定性的影响

吴兵权 赵 鸣

(同济大学建筑工程系，上海 200092）

本文以非饱和土力学理论为基础，考虑了降雨入渗过程中的渗流-应力耦合过程，采用Geo-studio软件对非饱和土边坡进行数值模拟分析，得出不同降雨历时对边坡孔隙水压力和位移的影响规律，以及边坡稳定性系数的变化。该研究成果为正确认识降雨条件下滑坡发生的机理提供了科学依据，为降雨型滑坡的监测预警分析提供了基础。

降雨历时；有限元数值模拟；边坡稳定性

1 引言

随着国家经济的快速发展，人类工程活动日益频繁、规模日益增大，遇到的边坡稳定问题也越来越突出，边坡失稳形成滑坡、崩塌等地质灾害，轻则增加投资、延长工期，重则摧毁建筑物、造成人员伤亡，目前，滑坡仍然是危害人们生命财产安全的主要灾害之一[1]。大量事实表明，降雨是影响边坡稳定性，导致滑坡发生的最主要的因素，因此，深入研究降雨条件下边坡的变形和失稳规律对滑坡的防治具有重要意义。本文通过降雨条件下非饱和土边坡的数值模拟分析，对不同降雨历时影响下的边坡基质吸力的变化、位移的变化、稳定性系数的变化进行综合分析，得出降雨历时对边坡孔隙水压力、位移以及边坡稳定性系数的影响规律，为正确认识降雨条件下滑坡发生的机理提供了科学依据，对降雨型滑坡的监测预警分析提供了基础。

2 数值模型

2.1 模型建立

考虑一均质粘性土边坡，数值分析模型如图1所示，建模时采用如下简化和假设：

图1 边坡数值计算模型示意图

（1）模型几何尺寸：坡脚到左端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶到右端边界的距离为坡高的2.5倍，上下边界总高为2倍坡高，各工况采用的具体坡度和坡高数据见表2；

（2）初始地下水位线如图所示；

（3）位移边界条件为：边坡两侧约束水平方向的位移，底部约束水平和竖直两个方向的位移；

（4）降雨边界条件为：当雨强小于土体渗透系数时，按流量边界处理，大小等于降雨强度；当雨强大于土体渗透系数时，按水头边界处理，大小等于该节点的高程；

（5）模型底部为基岩，设为不透水边界；

（6）边坡两侧取为透水边界，其流入和流出的总流量为零；

（7）为了对孔隙水压力和位移变化进行研究分析，数值分析模型中设置了孔隙水压力监测剖面和位移监测点，如图1所示，孔隙水压力监测剖面沿竖向设置，沿斜坡面设置水平位移监测点。

2.2 土体参数

在非饱和—饱和渗流分析中所采用的土水特征曲线及渗透系数曲线参考了前人的试验数据[2-4]以及工程地质手册[5]，绘制的曲线如图2、3所示。土体重度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角等参数如表1所示。

图2 土水特征曲线

图3 渗透系数曲线

表1 土体基本参数

2.3 计算分析方案

为了研究降雨历时对边坡变形和稳定的影响规律，本文进行了3种工况分析，具体见表2。

表2 计算分析方案及参数取值

1-2 45 15 14 20 5×10-68 60 45 15 14 20 5×10-68 80 1-3

3 分析结果及讨论

3.1 监测剖面孔隙水压力分析

在降雨过程中，随着雨水从坡面逐步往里入渗，边坡浅层土体基质吸力（负孔隙水压力）逐渐减小，随着时间的推延，影响范围也逐步扩大，坡体表层土体形成了暂态饱和区，地下水位线上升，从图4可以看出，降雨历时越长，雨水入渗的深度越深，基质吸力受到影响的范围逐步扩大。

图4 监测剖面孔隙水压力随降雨历时的变化

图5 监测点水平位移随降雨历时的变化

图6 峰值点水平位移随降雨历时的变化

图7 稳定性系数随降雨历时的变化

3.2 监测点水平位移分析

在降雨过程中，边坡的位移是逐步增长的，从图5和图6可以看出，位移的变化过程大体分为三个阶段：第一阶段为初始变形阶段，降雨入渗时，边坡土体受到降雨的影响，重度增加，基质吸力降低，抗剪强度降低，因此土体有一个启动变形的趋势；第二阶段为稳定变形阶段，土体变形趋于平稳，变形速率较低；第三阶段为加速变形阶段，随着降雨时间的增长，土体抗剪强度继续下降，开始出现塑性变形，变形速率急剧增长，甚至有可能发生破坏。随着降雨时间的增长，边坡土体变形从第一阶段演变到第三阶段，降雨40h时，边坡的最大水平位移为10mm左右，此时边坡处于稳定变形阶段；降雨60h时，边坡的最大水平位移为80mm左右，此时边坡处于急剧变形阶段，但相对而言，处于急剧变形阶段的初期；降雨72h时，边坡最大水平位移达220mm左右，处于急剧变形阶段的后期，已濒临滑坡边缘，降雨74h时，坡体发生滑坡。

3.3 边坡稳定性系数分析

随着降雨的进行，边坡稳定性系数逐渐降低，边坡稳定性系数的变化与位移的变化具有一致性。从图7可以看出，降雨40h时，边坡稳定性系数由初始的1.434降到1.368，降雨48h时，边坡稳定性系数降到1.154，降雨72h时，稳定性系数降到1.034，降雨74h时，稳定性系数小于1，发生滑坡。

4 结论

本文在降雨入渗非饱和土边坡的数值模拟分析中，对不同降雨历时影响下的边坡基质吸力的变化、位移的变化、稳定性系数的变化进行综合分析，得出如下结论：

（1）随着降雨历时的增长，土体的基质吸力逐渐减小，边坡位移增大，稳定性系数降低，降雨对边坡的稳定性不利；

（2）边坡土体水平位移与边坡稳定性系数有很大的相关性，位移变化速率与稳定性系数的变化具有很好的一致性，当边坡位移变化缓慢时，稳定性系数降低较小，边坡处于稳定阶段；当边坡位移急剧增长时，稳定性系数急剧降低，发展下去则有可能达到临界值，发生滑坡。在边坡监测中可以有效利用边坡土体的水平位移变化来进行滑坡预警。

[1]罗丽娟,赵法锁.滑坡防治工程措施研究现状与应用综述[J]. 自然灾害学报, 2009, 18(4):158-164.

[2]邱爱华.上海软土弹塑性本构模型试验研究[D]. 同济大学, 2004.

[3]叶为民,白云,金麒,等.上海软土土水特征的室内试验研究[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(2):260-263.

[4]叶为民,钱丽鑫,白云,等.由土-水特征曲线预测上海非饱和软土渗透系数[J].岩土工程学报, 2005, 27(11)

[5]常士骠,张苏民,等.工程地质手册（第四版）[M] .中国建筑工业出版社,2007.

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1007-6344（2016）02-0242-01