蔡唐濤

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100022）

0 引 言

降雨是引起邊坡失穩(wěn)進(jìn)而發(fā)生滑坡的主要因素之一。降雨過大會導(dǎo)致邊坡坡腳及局部迅速形成暫態(tài)飽和區(qū)，而土體中滲入的雨水也會迅速到達(dá)地下水位，如果降雨持續(xù)時間較長，則邊坡可能被滿灌而失穩(wěn)［1－4］。降雨較小時，一方面降雨入滲使得土體含水量增加，增大了滑移面上土體的剪切力；另一方面，降雨將改變邊坡的力學(xué)性能，降低土體的抗剪強度。因此，研究不同程度的降雨情況對邊坡的穩(wěn)定性影響尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究，如林鴻州等［5］通過試驗揭示了降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的作用機(jī)制，提出降雨強度和累計降雨相結(jié)合的雨量預(yù)警參數(shù)；石誠鋆等［6］采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，選取降雨強度、坡比及巖體參數(shù)等對降雨影響的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，認(rèn)為降雨強度對穩(wěn)定性的影響最大；何忠明等［7］以長湘高速公路某路塹邊坡為依托，建立含軟弱夾層的土坡數(shù)值分析模型，分析了強降雨條件下夾層傾角、厚度、埋深以及層數(shù)等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；顏斌等［8］根據(jù)飽和－非飽和土滲流理論，以某高速公路的黃土邊坡為研究背景，分析了邊坡在強降水條件下的入滲規(guī)律和穩(wěn)定性變化規(guī)律；張少宏等［9］分析了黃土邊坡在降雨入滲條件下含水率與黃土抗剪強度的關(guān)系，并得出不同入滲深度對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響；黃蕾鳴等［10］采用邊坡現(xiàn)場監(jiān)測的手段，重點研究了強降雨對邊坡的影響規(guī)律，總結(jié)出邊坡加固的方法和經(jīng)驗；胡晉川等［11］通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，分析了階梯狀黃土高路塹邊坡在降雨條件下的變形發(fā)展過程、坡面降雨入滲規(guī)律、涵水與護(hù)坡作用以及穩(wěn)定性。本文以滬通鐵路路塹高邊坡工程為依托，選取最不利斷面研究分析不同降雨條件下邊坡的滲流應(yīng)力響應(yīng)，得出邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，可為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

上海至南通鐵路（滬通鐵路）為國鐵Ⅰ級客貨共線型快速鐵路，設(shè)計時速200km，鐵路在里程DK130＋916～DK130＋955段路基設(shè)計主要為路塹形式。本文選取最不利斷面為研究對象，該斷面路塹邊坡高約20m，坡度為1∶1。邊坡土體主要為第四系全新統(tǒng)松散堆積粉質(zhì)黏土。該地區(qū)年平均降水量為1 144．4mm，月最大降水量為180．0mm。夏季降水量占全年的40%左右，6月中旬至7月中旬為梅雨季節(jié)。

2 數(shù)值模型

2．1 基本假定

（1）邊坡土體性質(zhì)為均質(zhì)、同性。

（2）假定降雨全部滲入土體邊坡，降雨結(jié)束時，總降雨量小于邊坡允許的最大入滲量。

（3）邊坡的穩(wěn)定性基于有限元強度折減法分析［12］。

2．2 模型的建立

由于該段路塹邊坡縱向長約40m，遠(yuǎn)大于寬度，且本次研究的側(cè)重點為不同降雨條件對邊坡穩(wěn)定性的影響，因此選取邊坡最不利斷面，建立二維平面應(yīng)變模型。土體采用平面應(yīng)變單元模擬，且服從摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。滲流邊界設(shè)置為：地下水位以下左側(cè)邊界為隔水邊界，右側(cè)為排水邊界，邊坡坡頂、坡面及坡底設(shè)為降雨邊界。應(yīng)力分析時，模型兩側(cè)約束水平位移，底部約束水平位移和豎向位移，地表為自由面。同時，為分析邊坡在不同程度降雨下的應(yīng)力響應(yīng)，在邊坡坡腳和坡面中點設(shè)置計算監(jiān)測點A和B。建立的整體模型網(wǎng)格及測點布置如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格及測點布置

2．3 參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場勘察設(shè)計報告及室內(nèi)土工試驗，模型土體的彈性模量為10MPa，黏聚力為15kPa，摩擦角為20°，重度為17．7kN·m－3，泊松比為0．3。

現(xiàn)場邊坡為非飽和土，其滲透系數(shù)為基質(zhì)力的函數(shù)，而非常數(shù)，即基質(zhì)力隨含水量的變化而變化。土體非飽和特性參數(shù)如表1所示，函數(shù)模型采用Van Genuchten函數(shù)。

表1 土體非飽和特性參數(shù)

2．4 降雨工況

根據(jù)中國氣象部門規(guī)定的降雨強度標(biāo)準(zhǔn)（表2），選取50、100、200、300、360mm·d－1等降雨強度以及48h的降雨量進(jìn)行邊坡的滲流應(yīng)力響應(yīng)研究。

表2 降雨量等級

3 計算結(jié)果分析

3．1 邊坡土體滲流特征分析

圖2 土體孔隙水壓力分布云圖

在大暴雨條件下，邊坡土體孔隙水的壓力分布如圖2所示。由圖2可知，降雨的入滲使得邊坡的表層土體孔隙水壓力首先發(fā)生變化。降雨10h后，邊坡土體外側(cè)開始浸潤，而土體內(nèi)部則變化不大，但坡腳孔隙水壓力變化較大。這是由于，降雨初期土體仍為非飽和狀態(tài)，滲透系數(shù)較低，滲入坡面和坡頂?shù)挠晁仄旅媪飨蚱履_，使得該處的孔隙水壓力增長。隨著降雨時間的增加，整個邊坡表層土體的負(fù)孔隙水壓力不斷減少，雨水在重力和水力梯度作用下向邊坡下方和前方移動。0～24h內(nèi)，土體的負(fù)孔隙水壓力減少幅度較小，在入滲24h后壓力為92．2 kPa。當(dāng)降雨超過48h后，土體的滲透系數(shù)逐漸增加，負(fù)孔隙水壓力減少幅度增大。在降雨72h后，土體的負(fù)孔隙水壓力為24．5kPa。

3．2 邊坡位移分析

圖3為不同降雨量下測點A、B的水平位移變化。由圖3可以看出，隨著降雨量的不斷增加，在雨量為400mm時，坡腳測點A的水平位移加速變化，這是由于坡腳的負(fù)孔隙水壓力隨著降雨量的增加逐漸降低，土體的抗剪強度降低，水平位移隨之增加。邊坡的坡面中點B的水平位移整體變化規(guī)律與測點A相似但位移值較小，且變化相對滯后。這主要是由于隨著降雨量的增加，土體力學(xué)性質(zhì)改變，加之邊坡的自重增加，在坡腳發(fā)生相對移動后，邊坡中點位移隨之增加。

圖3 不同降雨量下測點的水平位移

圖4為不同降雨量下測點的豎向位移變化，可以看出在坡腳測點A處，隨著降雨量的增加其豎向位移逐漸增加，當(dāng)降雨量超過200mm時，位移增長速度減緩。這主要是因為，降雨初期土體仍為非飽和狀態(tài)，隨著雨水的滲入，土體軟化變形相對明顯；而降雨量逐漸增大之后，土體由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，降雨量對坡腳的豎向位移影響減弱。邊坡中點測點B的豎向位移變化趨勢與測點A大致相同，但在降雨量超過400mm后，豎向位移顯著增加。這主要是由于，降雨量增大后邊坡整體發(fā)生水平向滑動，豎向位移增大。

圖4 不同降雨量下測點的豎向位移

3．3 邊坡最大剪應(yīng)變分析

不同降雨強度下邊坡的最大剪應(yīng)變變化如圖5所示?？梢钥闯?，隨著降雨強度的增加，邊坡的最大剪應(yīng)變逐漸增加，當(dāng)降雨強度超過200mm·d－1時，邊坡淺層滑動面范圍逐漸擴(kuò)大，且變化幅度增大，滑動面逐漸向土體下方和右前方移動。由此可見，不同程度的降雨強度對邊坡的穩(wěn)定性影響不同，過大的降雨強度將導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)甚至發(fā)生滑坡，實際工程中需格外重視。

3．4 邊坡安全系數(shù)分析

基于有限元強度折減法得出不同降雨強度下邊坡的安全系數(shù)變化，如圖6所示?？梢钥闯?，邊坡的安全系數(shù)隨著降雨強度的增加而降低，當(dāng)降雨強度超過100mm·d－1時，邊坡的安全系數(shù)下降幅度增大；當(dāng)降雨強度超過300mm·d－1時，安全系數(shù)下降幅度更加明顯；當(dāng)降雨強度為360mm·d－1時，邊坡安全系數(shù)為1．106，相比無降雨時，安全系數(shù)降低36．3%。因此降雨強度對邊坡的安全性影響顯著，工程中應(yīng)重視降雨時邊坡的實時監(jiān)測，確保邊坡的安全穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

（1）在大暴雨條件下，降雨持續(xù)時間小于10h時，由于土體仍處于非飽和狀態(tài)，土體的滲透系數(shù)較小，負(fù)孔隙水壓力變化緩慢。隨著降雨時間的延長，土體的負(fù)孔隙水壓力不斷減小，當(dāng)超過48h后，土體的滲透系數(shù)逐漸增大，負(fù)孔隙水壓力降低幅度增大。在降雨72h后，土體的負(fù)孔隙水壓力減小為24．5kPa，土體趨于飽和狀態(tài)。

圖5 不同降雨強度邊坡的最大剪應(yīng)變云圖

圖6 不同降雨強度邊坡安全系數(shù)的變化

（2）邊坡監(jiān)測點的豎向和水平位移隨降雨量的增加變化規(guī)律相似。邊坡的水平位移先緩慢增長后急速增長，最大水平位移發(fā)生在坡腳處；豎向位移受降雨影響相對較小，坡面位移的發(fā)生相對于坡腳較為滯后。

（3）隨著降雨強度的增加，邊坡的最大剪應(yīng)變逐漸增大，安全系數(shù)逐漸減小。當(dāng)降雨強度為360 mm·d－1時，邊坡安全系數(shù)為1．106，相比無降雨時，安全系數(shù)降低36．3%。因此類似工程中需對邊坡采取必要的加固措施，并保持實時監(jiān)測，確保降雨時邊坡的穩(wěn)定和安全。

［1］ 王瑞鋼，閆澍旺，鄧衛(wèi)東．降雨作用下高填土質(zhì)路堤邊坡的滲流穩(wěn)定分析［J］．中國公路學(xué)報，2004，17（4）：25－30．

［2］ 蔣中明，熊小虎，曾 鈴．基于FLAC3D平臺的邊坡非飽和降雨入滲分析［J］．巖土力學(xué)，2014，35（3）：855－861．

［3］ 周創(chuàng)兵，李典慶．暴雨誘發(fā)滑坡致災(zāi)機(jī)理與減災(zāi)方法研究進(jìn)展［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2009，24（5）：477－487．

［4］ 錢紀(jì)蕓，張 嘎，張建民．降雨條件下土坡變形機(jī)制的離心模型試驗研究［J］．巖土力學(xué)，2011，32（2）：398－402．

［5］ 林鴻州，于玉貞，李廣信，等．降雨特性對土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（1）：198－204．

［6］ 石誠鋆，阮永芬，施炳軍，等．降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的敏感性分析［J］．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2016，36（6）：1002－1007．

［7］ 何忠明，王保林，胡慶國，等．強降雨條件下含軟弱夾層土坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析［J］．長沙理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2017，14（3）：21－28．

［8］ 顏 斌，倪萬魁，劉海松．黃土邊坡降水入滲規(guī)律及其穩(wěn)定性研究［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36（3）：77－81．

［9］ 張少宏，康順祥，李永紅．降雨對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響［J］．水土保持通報，2005，25（5）：42－44．

［10］ 黃蕾鳴，高和斌．強降雨對粵贛高速公路邊坡穩(wěn)定性影響及邊坡響應(yīng)特征的簡要分析［J］．公路交通科技，2006（9）：56－57，66．

［11］ 胡晉川，謝永利，王文生．黃土公路階梯狀高路塹邊坡穩(wěn)定性研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（1）：3093－3100．

［12］ 尹紫紅，楊建中，呂曉楠，等．降雨條件下非飽和土路塹邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析［J］．路基工程，2017（2）：4－8．