摘要：為研究降雨入滲作用下的邊坡穩(wěn)定性問題，文章以云南省昭通市某高速公路邊坡為例，基于Geo-studio有限元數(shù)值軟件，探究了不同雨強、不同雨型作用下的高邊坡穩(wěn)定性問題，通過邊坡安全系數(shù)、孔隙水壓力以及位移分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。得到以下結(jié)論：（1）隨著降雨強度的增大，邊坡的安全系數(shù)減小，孔隙水壓力增大，峰值位移出現(xiàn)在特大暴雨（150 mm/d）工況中；（2）當(dāng)降雨結(jié)束后，不同雨型作用下邊坡安全系數(shù)大小排序為均峰型＜前峰型＜中峰型＜后峰型，邊坡位移大小關(guān)系為后峰型＜中峰型＜前峰型＜均峰型；（3）隨著降雨時間的持續(xù)，孔隙水壓力大體上呈現(xiàn)增大的趨勢。該研究可為解決降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性提供參考。

關(guān)鍵詞：降雨入滲；邊坡穩(wěn)定性；Geo-studio有限元軟件；安全系數(shù)；孔隙水壓力

中圖分類號：U416.1+4A040124

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴大，高速公路、水利工程以及巖土工程的投入也不斷加大。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前，我國公路總里程數(shù)已達(dá)550萬km，公路建設(shè)逐步從平原地區(qū)轉(zhuǎn)向復(fù)雜山區(qū)。復(fù)雜山區(qū)工程地質(zhì)條件差，地形地貌復(fù)雜，在修建高速公路過程中必然會產(chǎn)生大量的人工路塹高邊坡。人工路塹高邊坡自穩(wěn)性差，在強降雨作用下，邊坡巖土體易軟化，形成地下水滲流，嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。因此，為保證山區(qū)高速公路工程的順利開展，研究降雨入滲作用下的邊坡穩(wěn)定性顯得尤為關(guān)鍵。

近些年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對降雨作用下的邊坡穩(wěn)定性開展了大量的研究。目前對降雨作用下邊坡穩(wěn)定性的研究多采用數(shù)值分析方法（Geo-studio、ABAQUS、FLAC 3D等）與極限平衡法。Fredlund等［1］通過設(shè)置不同參數(shù)對邊坡的滲流過程進(jìn)行模擬，分析雨強變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明雨水的入滲會降低邊坡安全系數(shù)，使基質(zhì)吸力下降。Aurelian等［2］將數(shù)值模擬與物理試驗相結(jié)合，分析不同雨強對殘積土邊坡內(nèi)部土體基質(zhì)吸力的影響，擬合得出降雨入滲深度與雨強的關(guān)系曲線。龍文華等［3］以惠州市天堂山滑坡為例，基于數(shù)值模擬軟件建立滑坡體地下水流模型，計算不同雨強下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果表明雨強強度的變化影響著滑坡穩(wěn)定，隨著雨強強度的增加，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小。譚銀龍等［4］以三峽庫區(qū)金雞嶺滑坡為例，采用Midas-GTS有限元軟件對不同工況下滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明在強降雨作用下，滑坡可能產(chǎn)生整體滑移，同時還可能產(chǎn)生土體次級滑移。劉坤等［5］利用Geo-Studio有限元軟件對邊坡初始滲流場和土體性質(zhì)進(jìn)行了研究，分析了降雨條件下邊坡滲流場和穩(wěn)定性的變化，結(jié)果表明吸力摩擦角對邊坡穩(wěn)定性影響最大。吳旭敏等［6］利用GeoStudio有限元軟件分析了不同降雨歷時、強度、主降雨類型對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明短期強降雨會造成邊坡穩(wěn)定性劇烈下降，降雨入滲作用對邊坡安全系數(shù)有滯后的影響。周磊等［7］利用ABAQUS有限元軟件模擬降雨對微生物改良紅黏土邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明在降雨作用下改良紅黏土邊坡位移得到較好的限制，邊坡安全系數(shù)大幅提高。

上述學(xué)者的研究主要集中于采用數(shù)值模擬軟件分析雨強對邊坡穩(wěn)定性的影響，對雨型的研究不夠充分，因此本文在前人對邊坡穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合云南省昭通市某高速公路邊坡工程，分析不同雨強以及不同雨型對邊坡安全系數(shù)、邊坡土體孔隙水壓力以及位移的影響，該研究為解決降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

1.1.1 地形地貌

本項目位于云南省昭通市，工程區(qū)地勢險峻，地形起伏大。全線呈東西走向，全線地勢差異較大，主要地貌為低-中山地貌、盆地地貌以及壟崗谷地地貌。

1.1.2 地層巖性

邊坡表層分布黏土，以褐黃色為主，硬塑，稍濕，厚度約為1～2 m，韌性以及干強度中等，局部夾強風(fēng)化泥頁巖風(fēng)化碎塊。

下覆基巖上部為少量強風(fēng)化泥巖，黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎石狀；下覆基巖下部為中風(fēng)化泥巖，黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖芯呈短柱狀。

1.1.3 構(gòu)造及地震

工程區(qū)斷裂帶走向北東，邊坡所處位置位于向斜南東翼，工程區(qū)內(nèi)次級褶曲不發(fā)育，區(qū)內(nèi)無斷層。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）附錄E，工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度值為0.10 g，設(shè)計特征周期為0.45 s，設(shè)計地震分組為第三組。設(shè)計應(yīng)按相關(guān)規(guī)范做好抗震設(shè)防。

1.1.4 水文地質(zhì)

工程區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地表水體存在，地下水主要以第四系孔隙水、巖溶水以及裂隙水為主，裂隙水水量較小，以大氣補給為主。

1.2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

邊坡穩(wěn)定性影響因素主要分為內(nèi)部因素與外部因素兩方面。內(nèi)部因素主要為地形地貌、土體性質(zhì)以及巖體結(jié)構(gòu)；外部因素主要為降雨、地震、風(fēng)化作用以及人類活動。其中，由于降雨因素誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的案例約占滑坡總數(shù)的90%。

1.3 邊坡失穩(wěn)機制

降雨入滲誘發(fā)滑坡的現(xiàn)象十分常見，如圖1所示為降雨作用下邊坡失穩(wěn)的機制。

2 有限元模型的建立

降雨是造成滑坡的關(guān)鍵外界因素之一。降雨入滲會影響邊坡內(nèi)部巖土體含水量以及孔隙水壓力，從而影響邊坡應(yīng)力分布以及穩(wěn)定性。因此，本文根據(jù)勘察資料以及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，采用Geostudio軟件，分析了不同雨強和雨型作用下的邊坡穩(wěn)定性。

2.1 Geostudio軟件介紹

Geostudio軟件是一款便捷、高效的數(shù)值模擬軟件，被廣泛運用于土木工程的仿真模擬計算中。Geostudio軟件共有7個不同的計算模塊，包括動力響應(yīng)計算模塊、應(yīng)力應(yīng)變計算模塊、穩(wěn)定性計算模塊、滲流計算模塊等，通過Geostudio中的不同計算模塊可以解決降雨作用下巖土體滲流問題，如圖2所示為Geostudio有限元建模過程。

2.2 邊界條件

建立降雨入滲下邊坡模型主要涉及應(yīng)力計算模塊（SIGMA/W）以及滲流計算模塊（SEEP/W）。

本節(jié)根據(jù)工程區(qū)工程地質(zhì)條件，在滲流計算模塊（SEEP/W）中將模型下邊界設(shè)置為不透水邊界，將模型兩側(cè)設(shè)置為零流量邊界，將邊坡表面設(shè)置為降雨作用邊界。降雨作用邊界應(yīng)根據(jù)雨強與滲透系數(shù)定義，當(dāng)巖土體的滲透系數(shù)＞降雨強度時，將降雨邊界定義為定水頭邊界；當(dāng)降雨強度＞巖土體的滲透系數(shù)時，將降雨邊界定義為單位流量邊界。

在應(yīng)力計算模塊（SIGMA/W）中將模型下邊界進(jìn)行固定，將模型兩側(cè)設(shè)置為x=0邊界。

如圖3所示為模型計算流程。

2.3 細(xì)觀參數(shù)的確定

細(xì)觀參數(shù)對有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，而Geostudio軟件并未給出細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的定量關(guān)系，因此本次模擬土體材料屬性依據(jù)地質(zhì)勘測報告并結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果。如下頁表1所示為相關(guān)巖土體力學(xué)參數(shù)。

2.4 降雨工況

如下頁圖4所示為2021年工程區(qū)月均降雨情況。由圖4可知，雨季主要集中于6～9月。為研究不同雨強條件下的邊坡穩(wěn)定性，根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行雨強劃分如下頁表2所示。根據(jù)勘察資料以及表2將降雨入滲邊界中的降雨強度定為中雨（20 mm/d）、大雨（30 mm/d）、暴雨（80 mm/d）、大暴雨（100 mm/d）以及特大暴雨（150 mm/d）。

據(jù)前人研究降雨雨型并非恒定不變，因此本文考慮設(shè)置雨型為均峰型、前峰型、后峰型以及中峰型四種（降雨時長與降雨量120 mm均相同）［8-9］。具體降雨工況與降雨時間如表3所示。

2.5 模型的構(gòu)建

本次高邊坡數(shù)值模型高度為30.5 m，采取4級放坡，每級邊坡平臺寬2.0 m，1～3級邊坡高為8.0 m，第4級邊坡高為5.9 m。模型共有1 897個網(wǎng)格節(jié)點以及1 787個網(wǎng)格單位，模型上布設(shè)有監(jiān)測點。模型如圖5所示。

3 不同雨強下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡安全系數(shù)

圖6為不同雨強下邊坡安全系數(shù)變化曲線。

由圖6可知，在同一時刻時，隨著降雨強度的增大，邊坡的安全系數(shù)不斷減小。當(dāng)降雨等級為中雨（20 mm/d）和大雨（30 mm/d）時，邊坡安全系數(shù)隨時間變化較小，其中中雨、大雨工況下安全系數(shù)分別下降了0.23%、0.32%，出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于雨水較少滲入巖土體，巖土體中的孔隙水壓力以及基質(zhì)吸力幾乎不變，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡巖土體的抗剪強度并未降低，因此邊坡安全系數(shù)隨時間變化較小。當(dāng)降雨等級為大暴雨（150 mm/d）時，邊坡安全系數(shù)從1.421下降至1.386，下降幅度為2.46%，說明大暴雨工況下，大量雨水滲入坡體，導(dǎo)致坡體抗剪強度降低。每種降雨強度下坡體的安全系數(shù)均＞1.385，因此說明坡體在此類降雨下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 孔隙水壓力

如圖7所示為不同雨強條件下孔隙水壓力隨時間的變化曲線。

由圖7可知，隨著時間的推進(jìn)，監(jiān)測點處孔隙水壓力不斷增大，當(dāng)降雨歷時相同時，隨著雨強的增大，孔隙水壓力也不斷增大。當(dāng)降雨強度為中雨（20 mm/d）時邊坡的監(jiān)測點處孔隙水壓力為-20 kPa，當(dāng)降雨強度為大暴雨（100 mm/d）時邊坡監(jiān)測點處的孔隙水壓力為-5 kPa，在降雨強度為暴雨（80 mm/d）時邊坡部分區(qū)域的孔隙水壓力為0 kPa，即出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)域，隨著降雨強度以及降雨量的增大，暫態(tài)飽和區(qū)域不斷向四周擴散。

3.3 邊坡位移

降雨入滲會導(dǎo)致邊坡巖土體出現(xiàn)軟化，進(jìn)而使邊坡出現(xiàn)一定程度的變形。不同降雨條件下邊坡的峰值位移情況如圖8所示。

由圖8可知，隨著降雨強度的不斷增大，邊坡巖土體的峰值位移也在不斷增加。當(dāng)降雨強度為中雨（20 mm/d）時邊坡的峰值位移為3.2 mm，當(dāng)降雨強度為暴雨（150 mm/d）時邊坡的峰值位移為13.1 mm，增加了9.9 mm位移，說明隨著降雨強度的增大，雨水大量滲入邊坡內(nèi)部，使邊坡巖土體飽和度增加，致使邊坡抗剪強度降低，總位移增大，最終可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

4 不同雨型下邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡安全系數(shù)

如圖9所示為不同雨型下邊坡安全系數(shù)隨時間變化曲線。

由圖9可知，隨著降雨時長的增加，邊坡安全系數(shù)不斷降低。在前峰型降雨工況下，降雨前期邊坡安全系數(shù)大幅下降，在降雨后期邊坡安全系數(shù)下降趨勢較為平緩，而后峰型工況下邊坡的安全系數(shù)隨時間變化曲線與前峰型工況相反；中峰型降雨中邊坡的安全系數(shù)在降雨中期大幅下降；均峰型降雨中，邊坡的安全系數(shù)隨時間均勻下降。當(dāng)降雨結(jié)束后，四種雨型作用下邊坡安全系數(shù)大小為：均峰型＜前峰型＜中峰型＜后峰型。

4.2 孔隙水壓力

如圖10所示為不同雨型條件下孔隙水壓力隨時間的變化曲線。

由圖10可知，隨著降雨時間的持續(xù)，監(jiān)測點處孔隙水壓力大體上呈現(xiàn)增大的趨勢。前峰型降雨中，前期孔隙水壓力增長速率大于其余雨型，而后峰型降雨與其相反，后期孔隙水壓力增長速率較快。前峰型降雨在中后期孔隙水壓力又出現(xiàn)減小，主要考慮為前期降雨量較大，而后期雨水減小，前期雨水不斷下滲入土體，降雨速率小于下滲速率，最終導(dǎo)致孔隙水壓力減小。中峰型降雨孔隙水壓力后期與前峰型降雨相似，主要考慮為雨水在坡面形成穩(wěn)定徑流。

4.3 邊坡位移

不同雨型條件下邊坡的峰值位移如圖11所示。

由圖11可知，在四種雨型中，均峰型工況下邊坡峰值位移最大，其值為9 mm，而后峰型工況下邊坡峰值位移最小，其值為5 mm。出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于均峰型工況下，降雨強度恒定，導(dǎo)致雨水均勻滲入邊坡中，持續(xù)性的滲入會導(dǎo)致邊坡抗剪強度不斷降低，最終導(dǎo)致邊坡位移最大。當(dāng)降雨結(jié)束后，四種雨型作用下邊坡位移大小為：后峰型＜中峰型＜前峰型＜均峰型。

5 結(jié)語

本文通過對降雨入滲作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以山區(qū)實際高速公路工程為例，分析了影響邊坡穩(wěn)定性因素以及邊坡失穩(wěn)機制，并基于Geo-studio軟件分析了不同雨強以及不同雨型作用下邊坡安全系數(shù)、孔隙水壓力以及峰值位移變化趨勢。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）邊坡穩(wěn)定性影響因素為：地形地貌、土體性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、降雨、地震、風(fēng)化作用以及人類活動。

（2）降雨結(jié)束后不同雨型的邊坡安全系數(shù)大小為：均峰型＜前峰型＜中峰型＜后峰型。

（3）雨強與雨型影響邊坡巖土體孔隙水壓力，隨著雨強的增大，監(jiān)測點孔隙水壓力也不斷增大。

（4）隨著降雨強度的不斷增大，邊坡巖土體的峰值位移也在不斷增加，當(dāng)降雨強度為暴雨（150 mm/d）時，邊坡的峰值位移最大；均峰型工況下邊坡峰值位移最大，而后峰型工況下邊坡峰值位移最小。

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收稿日期：2023-10-18

作者簡介：馮威雄（1992—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。