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降雨条件下公路边坡稳定性分析何玉琼;李春明;杨兴华;黄犀【摘要】在人为扰动、地震、降雨等因素中,降雨是滑坡主要的诱发因素.以玉溪新平大戛高速公路边坡为研究工点,结合地质勘测、钻探、物探、现场调查、室内试验、资料收集等数据,采用无限斜坡模型、瑞典条分法及极限平衡法计算分析降雨条件下斜坡的流向流量及其稳定系数,研究斜坡开挖前后的稳定性及预测水流冲刷严重的区域.结果表明:开挖前在水位高度等于土层厚度的极限饱和工况下,斜坡处于稳定状态;开挖后按1:1.75的坡比,斜坡亦处于稳定状态.所以坡体开挖施工是安全的,但需做好坡面排水及防护工作.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)010【总页数】6页(P37-42)【关键词】道路工程;降雨;公路边坡;无限斜坡;极限饱和;GIS【作者】何玉琼;李春明;杨兴华;黄犀【作者单位】昆明理工大学,交通工程学院,云南昆明650500;昆明理工大学,交通工程学院,云南昆明650500;云南建设基础设施投资股份有限公司,云南昆明650501;昆明理工大学,交通工程学院,云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】U416.1+40 引言随着全球气候变暖，降雨耦合人为扰动、地震、改移河道、工程地质等因素，滑坡等自然灾害频发[1]。
如1991年9月，云南昭通市盘河乡头寨沟，因持续强降雨的影响，导致山体崩塌，死216人、伤7人、经济遗失近百万元。
2011年7月，受强降雨影响，陕西略阳县爆发山体滑坡，致使26 400人受灾，27 480亩农作物受损，18人死亡，2人失踪，5人受伤，多个乡镇受灾严重[2]。
2016年5月，福建三明市泰宁县开善乡，因暴雨诱发山体滑坡，致使35人遇难，1人失联。
2017年5月，暴雨影响，斯里兰卡爆发了大规模的泥石流、滑坡，死亡人数达91人，另有100人失踪，约52万人受灾。
2017年8月，受台风影响，暴雨频发，致使贵州省纳雍县张家湾镇发生山体滑坡，截止目前已有15人遇难，8人受伤。
降雨入渗条件下边坡的稳定性分析本文主要分析降雨入渗对土质边坡的渗流场和安全稳定性的影响。
使用Geostudio seep/w软件建立边坡模型模拟真实降雨。
分析不同降雨因素对边坡渗流场的影响，并将渗流场的变化情况导入slope/w软件分析降雨入渗对边坡的稳定性的影响。
标签：非饱和土降雨入渗边坡稳定性Geostudio0前言滑坡地质灾害的诱发因素有很多，而降雨入渗是其中的重要诱因之一。
国内外很多滑坡事故是由于降雨入渗特别是强度大、历时长的降雨造成的。
因此，研究降雨入渗条件下的边坡稳定性具有重要意义。
1降雨入渗边坡的特征边坡土体在自然条件下既存在饱和状态，也存在非饱和状态。
地下水位以下为饱和状态，地下水位以上为非饱和状态。
在非饱和土体部位，由于基质吸力的作用，提高了土体的有效应力，从而提高了土体强度。
降雨入渗过程中，雨水先到达边坡表层土体的非饱和部位，引起表层土体饱和度的增加，基质吸力减少，从而引起抗剪强度的降低而引发滑坡。
2模拟降雨入渗对边坡渗流场和稳定性的影响通过Geostudio seep/w模块建立一个土质边坡模型：边坡长度为40m，高度为21m，坡面坡率为1：1.2。
该边坡分为两层土，上层为粉土，下层为粘土。
地下水位埋深5-10m，其中坡顶处地下水位埋深10m，坡脚处埋深5m。
在seep/w中分析降雨入渗影响是通过对边坡施加流量边界的方式实现的，将降雨强度作为边坡表面的单位流量边界q，并设置程序自动判断降雨强度q与土体饱和渗透系数Ks的关系。
如果qKs，则作为定水头边界处理。
通过seep/w 模块分析降雨过程中边坡的渗流场变化情况，并将渗流场的分析结果导入slope/w计算边坡的安全系数Fs。
（1）降雨强度q的影响设计5种不同强度的雨型：中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨（降雨强度分别为24、48、96、240、288mm/d），降雨时间设置一定值。
通过seep/w分析不同降雨强度后边坡内部的压力水头分布图可以看出，负孔隙水压力都有不同程度的减小。
图3模型尺寸图3039°30850引言降雨渗流是影响边坡稳定性的主要诱因之一[1]。
我国由于降雨引发的滑坡事故较高，占总滑坡数量的90%[2]。
边坡在雨季容易产生滑坡这是一个普遍现象，正常情况下这些边坡是稳定的，但随着降雨时间的推移和雨水的入渗作用，一些看来十分可靠的边坡也可能在雨季发生滑坡。
调查研究表明，绝大多数边坡失稳出现在降雨期间或降雨之后，可见降雨入渗对土质边坡稳定性影响具有重要意义。
本文根据某边坡治理方案，研究持续降雨条件下对于边坡稳定性的影响，探究在不同降雨强度、不同降雨历时情况下边坡稳定性的变化情况，以求为今后考虑降雨条件的边坡治理提供参考和依据。
1工程概况1.1工程简介某边坡长约85m 、高约26m ，2016年4月边坡左侧及坡脚开挖铺设了供热管道，导致边坡局部地段发生变形迹象，坡顶出现平行边坡走向的裂缝，威胁到供热管道的安全运营，拟对该段边坡进行治理。
该地区原地貌属于构造剥蚀低山丘陵区，后经过人工回填形成现状地形地貌，地表植被不发育，以杂草、灌木为主。
该段边坡地貌形态呈陡坡状，坡面为陡坡，坡面坡度为23°~40°；坡顶地形基本平坦，局部受到铺设供热管道人工开挖形成凹坑。
边坡整体地形、地貌特点如图1。
且受管道施工开挖坡脚影响，地表发育有几条平行边坡走向的裂缝，边坡两侧及前缘未发现滑动痕迹，说明该边坡处于蠕变变形阶段，滑面尚未贯通，边坡稳定性较差。
裂缝如图2所示。
1.2工程地质条件该边坡位于暖温带大陆性季风气候区，四季较为分明，春季干旱多风，夏季受东南亚季风气候影响炎热多雨，秋季温和凉爽，冬季受西伯利亚高压气流控制，雨雪稀少寒冷。
整个边坡地区的主要土层自上而下分别为素填土、杂填土、泥岩。
该地区地质构造简单，地层基本呈一单斜构造，岩层倾向与坡向相同。
边坡区及其附近未发现断层、强烈褶曲及岩浆活动。
裂隙构造在滑坡区较发育，是区内主要结构面之一。
2Geo-Studio 软件建模本次有限元模拟使用Geo-Studio [3，4，5]软件进行，整个边坡模型尺寸为长85m 、高26m ，边坡坡度设置为39°。
降雨条件下边坡渗流及稳定性数值模拟分析苏恒宇【摘要】为了研究苏北某高速公路旁边坡在降雨条件下的渗流和稳定性,通过Geo-studio软件的seep/w和slope模块,对边坡进行了不同工况(特大暴雨、暴雨、大雨、小雨)条件下的数值模拟,研究不同降雨强度、不同时间下孔隙水压力及安全系数的变化规律.结果表明:孔隙水压力随着降雨时间的增长呈上升趋势,安全系数呈下降趋势;降雨强度越大,孔隙水压力增大的越快,较易饱和形成表面径流;安全系数在降雨前中期降低较快,后期趋于平缓.【期刊名称】《江苏建筑职业技术学院学报》【年(卷),期】2019(019)001【总页数】4页(P28-31)【关键词】Geo-studio;降雨类型;边坡稳定;数值模拟;孔隙水压力;安全系数【作者】苏恒宇【作者单位】江苏建筑职业技术学院建筑管理学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TV223.6降雨使得边坡土体强度锐减,下滑力加剧,大量的边坡失稳事故都发生在降雨的天气条件下.因此,国内外学者在对降雨条件下边坡稳定进行了分析,做了很多研究工作[1].本文针对这个问题,利用Geostudio边坡渗流及稳定计算软件,以苏北某高速公路边坡为例,研究降雨条件变化对边坡渗流和稳定性的影响.1 计算原理1.1 非饱和渗流理论非饱和土体渗流分析,一般采用Richards来描述,方程如下：其中：式中,u w为孔隙水压力,k Pa;θ为表征土体的体积含水率,%;γw为水重度,kg/m2;t 为时间,h;T x、T y 分别代表为x 和y 方向的渗透系数,m/h;H 是基质吸力的函数. 土体体积含水量可由水土特征曲线获得[2],方程如下：其中：式中：θw 为土体的体积含水量,%;Cφ为修正值;θs 为土体饱和体积含水量,%;λ为土体体积含水量的拐点,%;m 为残余含水量,%;n 为土水特征曲线的斜率;φ为基质吸力,kPa;e为自然对数的底;s为拐点处斜率.渗透系数函数采用Geo-studio自带函数[3].1.2 稳定性分析边坡稳定性分析一般采用极限平衡法,常用的极限平法计算方法有很多,本文采用的是Morgenstern-Price法,并引入Fredlund的土体非饱和双应力变量强度理论：式中：σn 为土体破坏时其破坏面上的净法向应力,N/m2;s a-s w 为土体破坏时的基质吸力,k Pa;c′为有效内聚力,k Pa;φ′为有效内摩擦角,rad;φb为基质吸力的内摩擦角,rad.2 降雨模拟计算2.1 分析模型建立边坡模型如图1所示,山坡高为50 m,长为95 m,边坡前后缘高差为40 m,ab为初始地下水位线,边坡倾斜角为14°,节点14为本研究分析节点,各层的土体物理力学计算参数见表1.土体水工特征曲线,如图2所示.图1 初始边坡模型Fig.1 Initial slope model表1 土体物理力学计算参数Tab.1 Calculation parameters of soil physical mechanics层号土质 (k N重·度m/-3)______粘_k聚Pa力/_________内___摩(°擦)角_/_________饱_和(m渗·透h-系1)数/___________饱__和__含%水__率__/_____________残__余_含%水__率__/______L1 粉质黏土18.8 20 12 0.012 0.3 0.03 L2 黏土 19.1 26 30 0.011 0.22 0.011__L3 黏土19.8____________________29_________________2_9_________________0_._0_0_7__2__ _________________0__.1____________________0__.0_1_______2.2 边界条件建立边坡下边界为竖直约束边界,左右为水平设置边界.其中,左右水头高度分别为28 m 和5 m,表面为降雨边界,降雨共4种工况,见表2.模型网格如图3所示.共剖分为1 006节点,944单元.图2 土体水土特征曲线Fig.2 Curve of soil and water characteristics图3 边界条件模型Fig.3 Boundary condition model表2 工况参数Tab.2 Duty parameter____工况___________降雨类型___降雨强度/__(_m_·__h__-_1_)____降__雨__时__间__/_h_工况1 特大暴雨0.008 3工况2 暴雨0.005 4工况3 大雨 0.003 24____工况4__________小__雨___________0.0004____________________4_8______3 计算结果分析3.1 渗流结果分析本分析采用Geo-studio种的seep/w 模块对模型进行渗流分析,不同工况的渗流分析即孔隙水压力随时间的变化规律,如图4所示.由图可知,孔隙水压力在不同降雨条件下的值,会随降雨时间的增加而不断升高,负孔隙水压力会减小,基质吸力减小[4].且高强度的孔隙水压力值较低强度的孔隙水压力值增长的更快.以2 d末的数值为例,孔隙水压力的数值由大到小的工况依次是特大暴雨、暴雨、大雨、小雨.因为,在同一时间段下,高强度的工况降雨量更大,孔隙水压力增长更快.此时,土体更快且更易达到饱和.但是,图4中未见负隙水压力值增至0 kPa,证明这几种常见的工况均未能使土体达到饱和状态,边坡暂时不会出现表面渗流现象.以工况1 为例,增加降雨时间,可得出降雨时间对孔隙水压力的影响,如图5所示.前期孔隙水压力增长较快,在0.5 d时,孔隙水压力为0,当时间到达1 d时,土体近似达到饱和状态,后期速率降低且趋于平缓,这与现场观测的结果相吻合.说明降雨入渗随着时间的增长,入渗能力减弱,孔隙水压力增长变缓慢.当土体被水充满达到饱和状态时,雨水不能继续入渗,孔隙水压力基本不变,土体会产生坡面径流.雨水入渗会削弱土体的抗剪强度,改变土体天然重度,对土体稳定性产生影响[5].此外,由于高强度降雨持续时间短,土体蒸发与入渗时间有限,极易在表面形成径流,需采取相应改善措施.图4 不同工况下孔隙水压力与降雨时间关系Fig.4 Relationship between pore water pressure and rainfall time under different working conditions图5 特大暴雨条件下孔隙水压力与时间关系Fig.5 Relationship between pore water pressure and time under rainstorm图6 安全系数与时间关系Fig.6 Relationship between safety factor and time 3.2 稳定性分析根据地质灾害防治规范规定,由表3中的稳定系数可知,边坡在自然工况下最稳定,安全系数可达到1.161,其余各种工况下,工况1、2安全系数较低,但都能保持稳定.总体来说,高强度降雨工况稳定系数略低于低强度的稳定系数.以3 h末时间为例,从工况1至工况4,安全系数分别为工况1＞工况2＞工况3＞工况4.说明降雨强度对边坡的稳定性具有一定影响,降雨强度越大,安全系数降低的时间越短.分析其原因,在降雨强度大的情况下,同一时间内总降雨量大,在降雨本身冲击力下迅速入渗,土体易形成饱和土质,基质吸力减小,入渗能力减弱,土体抗剪强度和重度降低,从而削弱边坡的稳定性,与上面所讨论的孔隙水压力的变化相对应.表3 降雨类型对安全系数的削弱程度Tab.3 The degree to which the type of rainfall weakens the safety factor工况降雨强度/(mm·d-1) 安全系数削弱程度/%1 190 1.062 8.5 2 120 1.069 7.9 3 80 1.092 5.9 4 10 1.157 3.4 5 0 1.161—降雨时间对安全系数的影响.以特大暴雨为例,模拟暴雨75 h 降雨条件,如图6 所示.由图可知,安全系数的变化可分为3段,即降雨前期(0～50 h)、降雨中期(50～62 h)和降雨后期(62～75 h).总体来说,安全系数随着降雨时间的增加而降低,即边坡越不安全.且在降雨前期,虽然土体的基质吸力较大,但是此时降雨量小,土体渗透系数大于雨水渗透速度,雨水可以迅速向下渗流.所以,对土体的稳定影响不大,安全系数下降较缓慢.降雨中期,安全系数近似趋于直线下降.是因为较高的基质吸力及土体高渗透性,使得雨水迅速入渗.此时降雨量增加,土体空隙被越来越多的雨水所填满,基质吸力减弱,土体抗剪强度迅速下降,加大边坡的下滑力,影响边坡的稳定性.到降雨后期会发现,中期时土体空隙迅速增长的雨水使得土体趋于饱和,土体渗透能力降低,雨水入渗困难,土体变化情况趋于稳定.所以,安全系数变化微小.综上所述,降雨强度及降雨时间对边坡稳定性的影响有着共同的机理,两者会影响边坡的稳定性,研究时需要全面看待各种影响因素.4 结论1)随着降雨时间的增加,孔隙水压力不断上升.降雨初期孔隙水压力增长速率快,降雨时间越长,后期增长速率越慢,总体呈正比关系.2)相同时间不同工况下,高强度的孔隙水压力较低强度的孔隙水压力增长的更快,安全系数降低时间短.3)苏北某高速公路边坡根据江苏气象资料,在几种常见的工况条件下整体呈稳定状态,且土体暂未达到饱和状态,不会出现土体表面径流现象.4)随着降雨时间的增加,安全系数整体呈下降趋势,即反比关系.在特大暴雨情况下降雨初期安全系数降低缓慢,中期降低速率增大,后期雨水入渗困难,安全系数又趋于稳定.【相关文献】[1] 俞新,李红英.降雨条件下边坡稳定性研究[J].山西建筑,2017,43(33)：61-63.[2] 刘淑燕.降雨强度对不同渗透性土质高边坡稳定性数值分析[J].湖南交通科技,2017,43(4)：15-19.[3] 吴宏伟,陈守义,庞宇威.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J].岩土力学,1999,20(1)：1-14.[4] 罗林,徐颖,左昌群,等.降雨对类土质滑坡微观结构及稳定性的影响分析[J].水电能源科学,2015,33(1)：119-123.[5] 石振明,沈丹祎,彭铭,等.考虑多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性分析[J].水利学报,2016,47(8)：977-985.。
