劉麗琴

(赫章縣水務局，貴州 赫章 553200)

0 引 言

高邊坡的穩(wěn)定性研究一直都是巖土工程領域的熱門研究方向，影響邊坡穩(wěn)定性的因素有許多，其中降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響較大，已有學者對其做了大量研究。如張明[1]等通過統(tǒng)計學研究和機理研究，總結了降雨型滑坡的研究歷史和現(xiàn)狀；王述紅[2]等通過數值模擬軟件，利用強度折減法計算邊坡滲流場與應力場耦合下的安全系數，研究了降雨影響邊坡穩(wěn)定性的機理；汪華斌[3]等基于室內試驗與數值模擬分析結果進行對比分析，提出新的數值模擬邊界條件，改進了傳統(tǒng)方法；吳永[4]等從能量的角度研究入滲的裂縫水對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了邊坡裂縫、降水入滲以及滑動面的形成機制；李寧[5]等采用非飽和土模型和改進后的入滲模型對降雨入滲模型進行改進，并提出一個降雨作用下的邊坡失穩(wěn)的簡化模型；蔣中明[6]等通過編寫程序對非飽和滲流計算模型進行了完善，并與已有研究對比，驗證了該計算方法的準確性模型試驗；余培杰[7]通過采用數值模擬的方法，評估了降雨入滲對邊坡的影響程度，發(fā)現(xiàn)不同坡比的破壞模式也極為不同。

綜上研究可以發(fā)現(xiàn)，強降雨的入滲對邊坡內部的孔隙水壓力、應力場和穩(wěn)定性會產生影響。因此，本文將采用FLAC3D數值模擬軟件，對強降雨作用下的高邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律進行研究。

1 工程概況

本文基于某礦區(qū)邊坡工程，對強降雨下的邊坡失穩(wěn)進行研究。該工程邊坡高陡，邊坡臺階標高最高為555 m、最低為395 m，邊坡的最大高度可達255 m，邊坡角最小為36°、最大43°，臺階的坡面角最大65°、最小43°，臺階高度11.85 m。地質剖面圖見圖1。該區(qū)域年降雨量較大，平均年降雨量可達1 500 mm以上。

圖1 邊坡模型圖

2 礦區(qū)邊坡模型建立

FLAC3D軟件采用有限差分法對模型進行有限元分析，能夠模擬分析土體、巖石以及其他材料的受力特性，能夠對各種材料的塑性破壞進行模擬分析，且不需要計算剛度矩陣，對內存空間的要求較低，故本文利用FLAC3D軟件建立數值模型。為保證計算結果可靠，模型需符合工程實際，根據地質剖面圖采用摩爾-庫倫本構模型進行建模，并對該模型進行布點監(jiān)測，見圖1。本模型X軸與Y軸長度均為1 000 m，其中X軸垂直于礦體走向，Y軸平行于礦體走向，Z軸垂直于X-Y平面。為了研究強降雨下的坡體穩(wěn)定性，本文對模型進行強降雨模擬，降雨量參考該地區(qū)最大日降雨量75.8 mm/d，對模型在模擬強降雨6、12、18和24 h后的邊坡穩(wěn)定性進行研究分析。模型相關參數取值見表1。

表1 數值模擬參數

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 降雨入滲對孔隙水壓力的影響分析

為分析降雨入滲對空隙水壓的影響，本文根據監(jiān)測點的位置選取3個剖面進行監(jiān)測。不同降雨時間下現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡孔隙水壓力云圖見圖2，不同降雨時間下邊坡孔隙水壓力變化情況見圖3。

圖2 不同降雨時間下現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡孔隙水壓力云圖

圖3 不同降雨時間與邊坡孔隙水壓力關系圖

通過計算發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡的孔隙水壓力隨降雨時間的變化趨勢有些差異。降雨初期，現(xiàn)狀邊坡的土體和巖體尚未飽和，強降雨引起的入滲導致該坡體的淺層水位有所上升，部分監(jiān)測區(qū)域可以觀測到較大面積的負孔隙水壓力區(qū)域，分布位置較廣；小部分監(jiān)測區(qū)域觀測到少數負孔隙水壓力區(qū)域，但隨著持續(xù)強降雨，土體和巖體趨近于飽和狀態(tài)會形成徑流，而在坡底處的負孔隙水壓力會逐漸上升，并比坡頂處先出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，即孔隙水壓力為零的區(qū)域，而且不斷向坡頂發(fā)展，暫態(tài)飽和區(qū)面積在持續(xù)模擬強降雨12h后達到最大。而最終邊坡則略有不同，在模擬強降雨初期，在所有監(jiān)測區(qū)域觀測到負孔隙水壓力區(qū)域，且均為大面積，伴隨模擬強降雨的進行，在邊坡內部也觀測到負孔隙水壓力區(qū)域，模擬強降雨12h后暫態(tài)飽和區(qū)在南部坡底率先出現(xiàn)；而北部坡底直到模擬強降雨18 h后才觀測到暫態(tài)飽和區(qū)，并隨時間逐步向坡頂發(fā)展，且在坡底達到最大。

3.2 邊坡應力場分析

不同降雨時間下現(xiàn)狀邊坡與最終邊坡最大剪切應力云圖見圖4。不同降雨時間下邊坡最大剪應力變化情況見圖5。通過計算發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀和最終邊坡的剪切應力變化較大的位置均出現(xiàn)在坡角處，且相同降雨時間下，現(xiàn)狀邊坡的應力比最終邊坡小。剪切應力變化最大的時間段出現(xiàn)在模擬強降雨6 h后，6 h后剪切應力依舊隨時間增大，但變化趨勢減緩。究其原因，是由于入滲的水分增大了邊坡巖石土體的自重，當達到飽和時形成徑流，并流向坡底處，使剪切應力變化最大的位置出現(xiàn)在坡底，所以在坡腳處出現(xiàn)滑動面，從而由坡腳剪出并發(fā)生剪切破壞的可能性最大。

圖5 不同降雨時長與最大剪應力關系圖

3.3 邊坡安全系數分析

邊坡穩(wěn)定系數與模擬降雨時長的關系見圖6；現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡的安全系數統(tǒng)計見表2。由上述結果可以發(fā)現(xiàn)，在未降雨時，現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著降雨時間的持續(xù)，邊坡的穩(wěn)定性不斷下降。而模擬降雨6 h后，最終邊坡的安全系數比現(xiàn)狀邊坡的安全系數大。原因是開挖后的最終邊坡出露的灰?guī)r抗水性以及抗風化性質比現(xiàn)狀邊坡出露的石英巖要好，不易被水軟化。

圖6 不同降雨時長與邊坡安全系數關系圖

表2 不同降雨條件下邊坡安全系數表

4 結論與建議

本文通過FLAC3D軟件對強降雨作用下礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性進行了研究，主要結論如下：

1) 降雨初期，巖土體尚未飽和，降雨入滲會導致淺層水位上升，引起較大面積的負孔隙水壓力區(qū)域；長時間降雨后，巖土體趨于飽和并在坡體表面形成徑流，引起暫態(tài)飽和區(qū)，并不斷向坡頂發(fā)展。

2) 通過對邊坡應力場的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀和最終邊坡的剪切應力變化較大的位置均出現(xiàn)在坡角處，且相同降雨時間下，現(xiàn)狀邊坡的應力比最終邊坡小。剪切應力變化最大的時間段出現(xiàn)在模擬強降雨6 h后，6 h后剪切應力依舊隨時間增大，但變化趨勢減緩。

3) 由上述結果可以發(fā)現(xiàn)，在未降雨時，現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著降雨時間的持續(xù)，邊坡的穩(wěn)定性不斷下降。