摘要：為評判降雨入滲作用下非飽和土邊坡的運營安全，文章以云南某巖土邊坡為研究對象，采用GeoStudio有限元軟件構(gòu)建實例邊坡概化模型，從滲流場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和穩(wěn)定系數(shù)等角度研究了降雨過程中邊坡穩(wěn)定動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，得到如下結(jié)論：（1）降雨作用下，邊坡淺層土體各參數(shù)響應(yīng)顯著，深層土體因降雨作用削減，各參數(shù)無明顯變化；（2）降雨初期，邊坡參數(shù)變化較為顯著，隨后不斷減小，最后趨于穩(wěn)定；（3）隨著降雨進(jìn)行，淺層土體飽和度、孔隙水壓力逐漸增大，應(yīng)力、變形不斷提升，穩(wěn)定系數(shù)不斷降低；（3）降雨結(jié)束后邊坡仍處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，邊坡坡腳處存在應(yīng)力集中，在極端情況下邊坡可能從坡腳位置滑出破壞，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和防護(hù)。

關(guān)鍵詞：降雨入滲；非飽和土邊坡；邊坡穩(wěn)定；GeoStudio

中圖分類號：U416.1+4A100304

0 引言

非飽和土邊坡是工程中較為常見的邊坡形式，大量實踐表明，降雨是誘發(fā)非飽和土邊坡失穩(wěn)破壞的主導(dǎo)因素［1］。降雨入滲作用會改變坡體性質(zhì)，增大滑坡風(fēng)險，極大地威脅附近居民的生命財產(chǎn)安全。因此，開展降雨過程中的非飽和土邊坡滲流和穩(wěn)定性分析，進(jìn)行邊坡運營安全評判具有重大的工程意義。

姚志勇［2］通過理論分析和數(shù)值模擬手段，闡述了非飽和土邊坡的降雨入滲過程和機(jī)理，并研究了降雨作用下土質(zhì)邊坡滲流場、塑性區(qū)和穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。楊晨［3］以廣東某非飽和土路塹邊坡為研究對象，運用Midas Civil軟件構(gòu)建邊坡滲流穩(wěn)定分析模型，揭示不同降雨條件和降雨類型工況下邊坡滲流穩(wěn)定的動態(tài)變化規(guī)律。王江平等［4］基于非飽和土理論，選用GeoStudio軟件開展降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析，研究雨強(qiáng)、土體滲透特性等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。楊國強(qiáng)等［5］結(jié)合工程實際，采用GeoStudio軟件構(gòu)建非飽和土邊坡滲流穩(wěn)定分析模型，研究不同暴雨等級和降雨類型對邊坡滲流穩(wěn)定的影響。

對此，本文針對云南某巖土邊坡工程實例，基于非飽和土理論，確定邊坡滲流特性預(yù)測模型；采用GeoStudio軟件從滲流場、應(yīng)力場、位移場、穩(wěn)定系數(shù)等角度開展降雨作用下非飽和土邊坡滲流穩(wěn)定實例研究，為實例邊坡運營穩(wěn)定性評價和加固防護(hù)提供參考。

1 工程概況

依托工程為云南省蘭坪縣某巖土邊坡，位于公路旁的自然斜坡上，實例邊坡總體坡度約為18°～30°，相對高差為38 m。該邊坡具有滑坡歷史，滑坡前緣坡度較陡，坡度為18°～30°；坡肩和滑坡后緣地形相對較緩，坡度為8°～12°。實例區(qū)域地層巖性主要以人工填土、粉質(zhì)黏土和不同風(fēng)化程度的粉砂質(zhì)泥巖為主。研究區(qū)域為亞熱帶高原型山地季風(fēng)氣候，兩季分明，雨季（5～10月）雨水充沛，旱季（12月～次年5月）雨量較少，降雨主要集中在雨季，年最大降雨量為1 224 mm，最小降雨量為780.5 mm，平均降雨量為1 008 mm，年平均降雨天數(shù)為157 d，雨量充沛、降雨集中且持續(xù)時間較長，是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的重要因素。研究區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，基本烈度為7度，地震等級為3級，屬次穩(wěn)定區(qū)。

2 計算模型

2.1 模型的建立

結(jié)合工程實際，采用GeoStudio軟件建立實例邊坡概化模型如圖1所示，模型整體寬160 m，高63.5 mm；邊坡高38 m，坡度為18°～30°。根據(jù)地勘資料，將邊坡模型分為四層，從上到下依次為粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層和中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層。地層土體具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。為觀察邊坡淺層和深層土體參數(shù)在降雨過程中的變化情況，共布設(shè)7個監(jiān)測點如圖1所示，其中淺層關(guān)鍵位置布設(shè)A～D號監(jiān)測點，深層布設(shè)E～G號監(jiān)測點。

2.2 滲流參數(shù)的確定

為研究降雨作用下邊坡土體滲流特性的變化規(guī)律，基于非飽和土理論，通過模型比對，從常見模型［6］中選出Fredlund-Xing模型作為該實例邊坡土體的土-水特征曲線（SWCC）預(yù)測模型，計算結(jié)果如圖2所示。結(jié)合飽和滲透系數(shù)可計算土體不同飽和度下的基質(zhì)吸力和滲透系數(shù)，預(yù)測得到邊坡土體非飽和滲透系數(shù)曲線如圖3所示，帶入計算模型，以模擬研究降雨過程中非飽和邊坡滲流變化情況。

2.3 邊界條件和降雨工況設(shè)置

對模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，模型底部采用全約束，左右兩側(cè)采用法向約束。模型左右兩側(cè)總水頭分別為13 m和49 m，中間水位線沿強(qiáng)、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖兩巖層界線分布（圖1紅線）；設(shè)邊坡表面為入滲邊界，該處單位流量由當(dāng)?shù)赜昙居炅繘Q定，研究區(qū)極端情況下的最大降雨量為100 mm/d，將其作為本模擬方案的降雨強(qiáng)度，降雨類型設(shè)為穩(wěn)定型，降雨時長為8 d。

3 結(jié)果分析

3.1 滲流分析

如圖4、圖5所示分別為降雨作用下各監(jiān)測位置飽和度和孔隙水壓力隨時間變化曲線。由圖4、圖5可知，隨著降雨的進(jìn)行，邊坡淺層土體飽和度和孔隙水壓力響應(yīng)劇烈，表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。降雨前期（降雨1 h內(nèi)），淺層土體受降雨影響，飽和度快速提升，孔隙水壓力急劇增大，測點A孔隙水壓力由原來的-167.5 kPa提升至-31.1 kPa，測點B由原來的-178.2 kPa提升至-29.7 kPa，測點C由原來的-146.7 kPa提升至-27.5 kPa，測點D由原來的-111.6 kPa提升至-25.7 kPa。隨著降雨的繼續(xù)進(jìn)行，淺層土體基本達(dá)到飽和，降雨1 h內(nèi)，邊坡淺層土體飽和度達(dá)到80%；降雨2 h后，淺層土體飽和度已達(dá)到90%，此時土體滲透系數(shù)降低，雨水滲透速率減慢，降雨補(bǔ)給速率大于邊坡土體的滲透速率，雨水在坡表匯集形成坡面徑流，淺層土體吸水減慢，對應(yīng)飽和度和孔隙水壓力增大減緩，最后趨于穩(wěn)定。降雨結(jié)束后，淺層土體基本飽和，最終飽和度接近100%，孔隙水壓力接近于0。而深層測點E、F、G的飽和度和孔隙水壓力曲線在整個降雨過程中基本保持不變，其原因為深層土體距坡表較遠(yuǎn)，受土體滲透特性的影響，短期降雨無法作用到邊坡深層土體，故飽和度和孔隙水壓力在整個降雨入滲過程中基本保持原狀。

3.2 應(yīng)力分析

如下頁圖6、圖7所示分別為降雨作用下各監(jiān)測位置最大剪應(yīng)力和有效應(yīng)力隨時間變化曲線。由圖6～7可知，隨著降雨的不斷進(jìn)行，邊坡淺層土體最大剪應(yīng)力不斷增加，有效應(yīng)力不斷減小。分析原因為：邊坡在降雨入滲過程中，上部滑體不斷吸收水分，造成滑體重度和下滑力增大，導(dǎo)致剪應(yīng)力不斷增大；與此同時，邊坡土體在持續(xù)降雨作用下，滲流場發(fā)生改變，導(dǎo)致土顆粒間水分增加，土顆粒間的有效應(yīng)力隨之減小。降雨前2 d內(nèi)，淺層土體有效應(yīng)力減小顯著，減小幅度約占總減小量的70%，此時淺層土體逐漸達(dá)到飽和，土體飽和度隨著降雨的繼續(xù)進(jìn)行小幅減小，最后達(dá)到穩(wěn)定。另外，邊坡淺層測點D位置土體剪應(yīng)力最大，剪應(yīng)力曲線明顯位于其他位置之上，該位置處于坡腳位置，從剪應(yīng)力分布圖中可以看出，坡腳位置剪應(yīng)力等值線較為密集，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此可以推測，如若邊坡發(fā)生滑動破壞，極有可能從坡腳位置滑出，因此需要針對該位置進(jìn)行監(jiān)測，并采取一定的防護(hù)加固措施。

此外，邊坡深層E、F、G測點土體的最大剪應(yīng)力和有效應(yīng)力曲線與淺層A、B、C、D測點土體表現(xiàn)出明顯的差異，該位置曲線在整個降雨入滲過程中基本保持水平。說明短期降雨入滲作用依然無法影響深層土體的滲流場和應(yīng)力場變化，邊坡深層土體最大剪應(yīng)力和有效應(yīng)力在降雨作用下同樣保持基本不變。

3.3 應(yīng)變和位移分析

如圖8、圖9所示分別為降雨作用下各監(jiān)測位置最大剪應(yīng)變和位移隨時間變化曲線。由圖8～9可知，邊坡淺層土體最大剪應(yīng)變和位移變化規(guī)律一致，均隨降雨的進(jìn)行而不斷增大，且剪應(yīng)變和位移均是測點D最大，其次是測點C和測點B，測點A最小，此規(guī)律與剪應(yīng)變相符，驗證了邊坡可能從坡腳位置滑出的推論。二者區(qū)別在于，剪應(yīng)變和剪應(yīng)力曲線變化趨勢基本一致，降雨前期增長速率較快，隨著時間推進(jìn)，增長速率逐漸減緩，最后保持平穩(wěn)；而邊坡總位移則更接近線性增長，平穩(wěn)趨勢不夠明顯。

邊坡深部測點的剪應(yīng)變和位移在整個降雨過程中無明顯變化，與上述各參量變化趨勢一致，同樣也是因為深部土體擾動較小，短期降雨作用無法影響深部土體的緣故。

3.4 穩(wěn)定性分析

如圖10所示為降雨作用下監(jiān)測位置穩(wěn)定系數(shù)隨時間變化曲線。由圖10可知，降雨作用下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)不斷減小，穩(wěn)定系數(shù)曲線隨時間推進(jìn)逐漸減緩。天然狀態(tài)下，邊坡初始穩(wěn)定系數(shù)為1.176，持續(xù)降雨8 d后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小至1.086，穩(wěn)定系數(shù)減小0.09，減小幅度約7.7%。降雨前4 d，邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.176減小至1.116，減小幅度約5.1%；降雨后4 d，邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.116減小至1.086，減小幅度約2.7%。降雨8 d內(nèi)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)雖有一定程度的減小，但均在安全要求限制范圍內(nèi)。

分析整個降雨過程中的邊坡滲流穩(wěn)定變化規(guī)律，降雨初期，邊坡土體飽和度較低，滲透率較高，前期雨水逐漸從坡表向坡內(nèi)入滲，淺層土體飽和度和體積含水量不斷提高，土顆粒間氣體空間逐步被雨水取代，土體重度增大，基質(zhì)吸力降低，在坡體自身下滑力增大和抗剪強(qiáng)度等抗滑因素的雙重作用下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)急劇降低。持續(xù)降雨后，邊坡土體體積含水量和飽和度不斷提升，基本達(dá)到飽和狀態(tài)，土體滲透系數(shù)減小，雨水入滲速率大大降低，降雨作用對邊坡穩(wěn)定的影響受限，因此，降雨后期邊坡穩(wěn)定系數(shù)只發(fā)生小幅降低。

4 結(jié)語

本文依托云南某巖土邊坡實例，采用GeoStudio軟件研究持續(xù)降雨作用下邊坡滲流場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和穩(wěn)定系數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1）降雨入滲作用下，邊坡不同位置土體表現(xiàn)出明顯的差異：淺層土體響應(yīng)顯著，土體參數(shù)在降雨初期發(fā)生較為明顯的變化；深層土體距坡表較遠(yuǎn)，受土體滲透特性的影響，上部降雨無法直接作用，導(dǎo)致土體參數(shù)在整個降雨過程中基本保持不變。

（2）降雨前期，邊坡淺層土體響應(yīng)顯著，隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，邊坡土體基本達(dá)到飽和，滲透系數(shù)降低，降雨補(bǔ)給速率大于土體的滲透速率，繼續(xù)降雨對邊坡土體的影響減弱，各參數(shù)變化速率大大減緩，最終趨于穩(wěn)定。

（3）降雨前期，淺層土體不斷吸水，飽和度和孔隙水壓力逐漸提高；土體自重增大導(dǎo)致剪應(yīng)力增大，土顆粒間含水量增加導(dǎo)致有效應(yīng)力增大；剪應(yīng)力增大引起剪應(yīng)變和總位移增大；在下滑力增大和抗滑力減小的雙重作用下，邊坡安全系數(shù)不斷降低。

（4）邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著降雨的進(jìn)行不斷降低，整個降雨過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。但在其他復(fù)雜或極端情況作用下，邊坡存在失穩(wěn)破壞的風(fēng)險，由剪應(yīng)力和剪應(yīng)變計算結(jié)果可知，邊坡坡腳位置土體剪應(yīng)力和剪應(yīng)變最大，該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，推測邊坡可能從坡腳處發(fā)生滑動破壞，應(yīng)針對坡腳位置加強(qiáng)監(jiān)測和防護(hù)。

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收稿日期：2023-10-16

作者簡介：王小新（1988—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。