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降雨渗流边坡稳定性分析方法研究

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工程科技　・２６１．　

降雨渗流边坡稳定性分析方法研究　

余志刚　

（重庆工程职业技术学院建筑工程学院，重庆４０００３７）　

摘要：降雨渗流对边坡稳定性影响和事故发生可能性的准确预报，是急需解决的一个复杂工程问题，在土木工程中，对边坡进行稳　

定性分析是设计的主要内容，它对工程修建的可行性起决定作用，影响工程建设投资和安全运行，其分析方法在工程实践中也得到了不　断发展，对边坡稳定性的简化方法与数值方法进行了分析，详细阐述了主要分析方法的原理，并对分析方法的单个应用和优缺点作了简　

要介绍，旨在帮助读者全面了解边坡稳定性分析方法，并在实际工作中灵活应用，并指出边坡稳定性分析的一个重要发展方向是将两种方　法相结合考察。　

关键词：边坡稳定分析；简化方法；数值方法；降雨入渗　

水作为一种敏感性因素对边坡不稳定作用的机理研究还处于　摸索阶段，由于边坡体内绝大多数地下水位随时问、空间有很大的　

变化，降雨条件情况下更是如此，经过近百年的努力，人们分别从力　

学角度、数学角度、人工智能、遗传学角度等进行单方法或组合方法　的形式进行边坡稳定性研究，到目前为止提出的边坡稳定性分析方　

法有几十种，概括起来大致可分为简化方法与数值方法。　１简化方法　传统的极限平衡分析方法是边坡稳定分析最常用的方法，极限　

平衡理论是将滑动土体进行条分，对土条受力分析有：竖向力和水　平方向的力，条间法向及切向力以及条块两侧孔隙压力及作用于土　

条底部的孔隙压力，底部法向反力和切向剪力，列力和力矩的平衡　方程来分析边坡的稳定性，根据滑面形状以及对条块受力与边界条　件的不同，有瑞典条分法、简化毕肖普法、简布普遍条分法等，这些　

方法没有考虑材料应力一应变关系，均以极限平衡理论为基础，通　

过力的平衡条件来分析边坡稳定性，所得安全系数只是假定滑裂面　上的平均安全度，求出的底部反力和条间力也不是产生滑动变形时　

真实存在的力，所以它们均有待改进。　到目前为止，工程中常用忽略或粗略地考虑渗流作用的简化方　

法主要有三种【ｌ】：“全浮容重”法、“静水压力”法、“代替容重”法。确定　

土体本身的应力一应变关系本就比较复杂，在渗流作用下的土体，　土体作为一种复杂的各向异性非线性弹塑性材料，土体强度参数与　

其内部的渗流场基本参数具有突变性，因此当存在渗流作用时，都　是将渗流场分析所得孔隙水压力直接应用到土坡稳定分析计算中，　

而且是在假定孔隙水压力沿深度呈线性分布基础上推导，或在特定　条件下进一步简化得到安全系数表达式，因此，条分法虽然经许多　

学者不断改进，解的决了许多工程问题，但是在结合渗流场计算方　面却有其难以克服的困难，以致必须作有损计算精度的一些假定，　

例如：孔隙水压力是否呈线性分布也就成为各条分法合理与否的关　键，通过许多的实际工程分析可知，实际作用于土体单元周边的孔　

隙水压力并不符合静水压力分布规律，其沿深度方向是呈非线性分　

布，只有以实际分布形态来计算渗流作用对土坡稳定性的影响才是　合理的，可实际土体单元周边的孔隙水压力分布形态相当复杂，特　

别是对于坡体内水位下降或上升情况下的非稳定渗流场的土体单　元周边的孔隙水压力分布尤其复杂，水压力实际分部形态与静水压　

力相差甚远，远非线性分布所能描述，此时计算结果会产生很大的　误差　。　

陈祖煜阱认为在坡外有水、坡内有渗流情况下，坡外水位以下的　土体采用浮容重，不计坡外的静水压力，滑裂面上的孔隙水压力采　

用超静孔压的等效置换方法，而考虑渗透压力会把问题复杂化；毛　昶熙等　提出引入渗透力进行有渗流作用下的边坡稳定分析计算，　

这一理念的主要目的是为了更好结合有限元法，以便能连续计算求　

解，一次完成在渗流与地震等各种外力下的稳定分析计算，根据渗　透力的概念，将把节点的水头值换算成各单元渗透压力，即水压力　

转化为等价的体积力；Ｔａｙｌｏｒ指出这两种方法本质上是完全一致的，　只是研究对象的选择不同而已，毛昶熙等人选择土骨架为研究对　

象，采用土的有效容重和渗透力的组合来考虑渗流对边坡稳定的影　响，陈祖煜等选取土体作为研究对象，考虑滑裂面上的孔压和坡面　上的水压力。　

２数值方法　在工程计算中，数值分析方法有：有限元、有限差分法、边界元　

法、块体单元法、离散元法、刚体有限元法、数值流形方法、ＤＤＡ法、　

耦合方法、无单元法。２０世纪７０年代以来，随着数学、力学理论以　及计算机技术的发展，数值分析方法在工程地质和岩石工程领域得　

到应用，数值模拟是通过对地质原型的抽象并借助数值分析方法来　

分析计算不同工况下岩体中应力状态以及边坡的稳定性等课题，并　作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的主要工具而逐　

渐得以推广，用数值方法分析边坡的稳定性，不仅能求出可能的滑　动面和安全系数，而且还能较方便地考察构造应力场的影响以及模　拟各种开挖高度的影响而获得坡体内的应力场、位移和塑性区的分　

布状态，以有限元法为代表的数值方法，可以对不同的单元根据具　

体情况指定不同的力学性质，可以方便地处理各种不规则的几何边　界以及各种复杂的边界条件，可以对节理裂隙等软弱层设置适当的　

软弱面单元，可以方便地处理层状岩土体和有规则的节理岩体所表　

现出的正交各向异性，还可以精确地估算地下渗流或爆破震动等对　岩土体应力场、位移场以及稳定性的影响。但由于目前岩土体试验　

技术还落后于客观需要，不能为数值方法提供准确的数据，而且部　分力学模型尚存在一些缺陷，使计算数据和计算模式还不能完全满　

足设计要求。　目前国内外考虑雨水入渗影响的非饱和土坡分析方法有如下　

几种：（１）Ｎ用水分运移理论，先在实验室测定非饱和土的土一水特　征曲线，再确定现场土坡不同部位的含水量，于是得出相对应的基　

质吸力，根据Ｆｒｅｄｌｕｎｄ提出的抗剪强度公式计算抗剪强度，再用极　限平衡方法算出土坡的安全系数；（２）在极限平衡条分法提出之初，　

主要在分析中用孔隙水压力系数加以反映；（３）考虑残余强度的方　法；（４）考虑渗透力作用的计算方法；（５）运用渗流有限元方法，得到降　

雨开始后不同时刻的孔隙水压力，再计算出对应的基质吸力，然后　

再按极限平衡方法计算安全系数。　结束语　

可采用两种或两种以上方法对于同一边坡进行分析研究，尽管　

增加了工作量，但能相互验证，相互对照，结合不同方法的优点，达　到工作要求的效果，此外，边坡变形破坏的复杂性使得已有的多种　

模型尚不成熟，许多模型是在数据已经采集、事件已经发生才建立　的，没有真正经受工程实践的考验，建立的模型通常对该事件精度　

较高，可实际应用能力值得探讨。　参考文献　【ｌ】黄春娥，龚晓南．条分法与有限元法相结合分析渗流作用下的基坑　边坡稳定性『Ｊ１．水利学报，２００１，（３）：６—１０．　

［２】黄春娥．考虑渗流作用的基坑稳定分析【Ｄ］．杭州：浙江大学，２００１．　［３］周桂云．水库边坡稳定分析方法及滑坡涌浪数值模拟研究【Ｄ】．南　

京：河海大学，２００７．　

【４］陈祖煜．关于“渗流作用下土坡圆弧滑动有限元计算”的讨论之一　『Ｊ］．岩土工程学报，２００２，（３）：３９４—３９６．　

作者简介：余志刚（１９８０一），男，安徽人，讲师，硕士，主要从事岩土工程和工程力学的研究。

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降雨对边坡稳定性的影响分析

降雨对边坡稳定性的影响分析

降雨对边坡稳定性的影响分析

摘要：降雨是地质灾害的主要诱发因素之一，也是工程基坑边坡事故的主要诱发因素。边坡出现险情甚至直接导致了基坑的崩塌，也带来很严重的经济损失和人员伤害。因此，考虑降雨影响的土坡稳定分析已成为一个急需解决的复杂工程问题。

关键词：降雨对边坡影响；边坡稳定性；影响分析

Abstract: the rainfall is one of the main geological hazard factors, mainly

induced by engineering excavation slope is accident factors. Slope danger even led

directly to the foundation pit collapse, has also brought serious economic loss and

personnel injury. Therefore, considering the effect of rainfall on slope stability

analysis of complex engineering problems has become an urgent.Keywords: influence

of rainfall on the slope; slope stability; impact analysis

引言：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，绝大多数土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。而且滑坡作为一种地质灾害，由于其作用因素及运动机理的多变性和复杂性，一直是世界各国研究的重要地质和工程问题之一，而降雨又是诱发边坡滑坡的主要原因之一。所以考虑降雨影响的土坡稳定分析已成为一个急需解决的复杂工程问题。

降雨入渗条件下的土体边坡稳定性分析

降雨入渗条件下的土体边坡稳定性分析

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- 1 - 降雨入渗条件下的土体边坡稳定性分析

王俊光，宋桂军

辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 （123000）

E-mail：shenliu_303@

摘 要：滑坡，作为一种主要地质灾害，由于其作用因素及运动机理的多变性和复杂性，预

测比较困难，一直是世界各国研究的重要地质和工程问题之一。边坡中降雨是诱发滑坡的主

要原因之一。本文运用GEO-SLOPE计算软件模拟了不同的降雨强度和降雨持时对边坡稳定

性的影响，并探讨各参数变化对边坡稳定性安全系数的影响。对边坡的稳定性进行了评价，

为边坡稳定性的研究提供了可靠的理论依据。

关键词：降雨入渗；边坡稳定性；安全系数

1. 前言

考虑降雨影响的土坡稳定分析已成为一个急需解决的复杂工程问题。在降雨条件下，雨

水入渗使土体饱和度增加，孔隙水压力上升，基质吸力锐减并引起抗剪强度大幅度下降，当

降雨强度和持时达到一定程度时，便导致边坡失稳[1]

。尽管人们在进行边坡稳定分析时对孔

隙水压力作用的处理及其结果有所差别，但对于孔隙水压力的分布对边坡稳定性有重大影响

的结论却是一致的。对于降雨入渗下的边坡稳定分析，尤其是残积土、膨胀土等受雨水作用

明显的非饱和土坡，所涉及的渗流场是暂态的，其孔隙水压力的影响更不容忽视，由传统的

饱和渗流模型改用饱和—非饱和渗流模型才符合工程实际。本文以考虑降雨入渗的饱和—非

饱和渗流数学模型为基础，在非饱和土强度特性的基础之上对某土坝模型的边坡进行了稳定

分析计算，较为合理的阐述了因降雨引起的边坡失稳问题。

2. 模型的建立

2.1基本微分方程

一般认为，饱和—非饱和状态水分运动的基本方程仍满足即Darcy定律和连续性条件，

但由此得到的微分方程是高度非线性的，必须借助数值方法。假定在某一时刻，流进和流出

某一单元体的渗流量之差等于土体体积含水量的变化量，或者沿两坐标方向的渗流变化率与

降雨作用下的工程边坡稳定性的影响分析

降雨作用下的工程边坡稳定性的影响分析

降雨作用下的工程边坡稳定性的影响分析

摘 要：利用Geostudio模拟软件降雨对边坡稳定性的影响，主要分析降雨类型、降雨强度以及持续性降雨的影响，并简要探讨响应的加固措施。主要结论如下：（1）不同类型降雨类型对边坡安全系数影响较大，边坡的安全系数的降低随着降雨强度呈正相关，中心型降雨作用下边坡安全系数最小。（2）边坡在100mm/d和150mm/d的大暴雨情况下在48小时候边坡安全系数降为最低0.99和0.94，安全系数都小于1.3，依据前面边坡稳定性评价标准规定，需对坡体进行加固处理。（3）考虑降雨强度30mm/d，持时12天后，边坡的稳定系数小于1.0，此时边坡失稳。（4）降雨作用对边坡的稳定性影响较大，宜注意排水措施，根据实际情况采取相应的坡面防护。

关键词：边坡；降雨；防护措施；数值模拟

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1 引言

针对降雨对边坡稳定性影响方面的研究，国内外相关的学者进行了大量的研究工作。广泛研究已表明滑坡灾害的发生与降雨天气具有紧密相联，降雨是引起滑坡破坏主要因素之一。目前，有限元数值分析是一种较为常见的分析降雨作用下边坡稳定性的方法。

周家文等[1]研究降雨作用下非饱和边坡有限元渗流，发现降雨过程中，前表层土体出现瞬态饱和，边坡稳定性系数逐渐降低。降雨结束后，边坡的稳定性继续降低，随排水增加而逐渐恢复。蒋中明等[2]结合GeoStudio模拟软体分析某高速公路软岩边坡长期降雨条件下的渗流情况，将边坡的到渗流场导入有限差分软件FLAC3D分析其稳定性。降雨结束后一天时间内，边坡稳定性系数仍持续降低，由于雨水逐渐排除，边坡稳定性逐渐上升，随着降雨结束后时间延长，岩土体由于软化特性导致边坡稳定性又会逐渐下降。Adarsh S. Chatra等[3]结合FLAC3D软件分析降雨条件下的边坡的稳定性分析，研究降雨强度及持时对边坡的孔隙水压力，土体位移等指标的变化。

鉴于前人已有的研究成果，本文利用Geostudio软件模拟降雨对土质边坡稳定性影响，分析降雨类型、降雨强度以及持续性降雨的敏感因素，在此基础上简要探讨响应加固措施。

高速公路边坡稳定性分析及防护措施研究

高速公路边坡稳定性分析及防护措施研究

高速公路边坡稳定性分析及防护措施研究

高速公路作为现代交通运输的重要组成部分，其建设和运营对于地区经济发展和人民生活有着至关重要的影响。然而，在高速公路的建设和运营过程中，边坡稳定性问题一直是一个不容忽视的挑战。边坡失稳不仅会影响公路的正常通行，还可能造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，对高速公路边坡稳定性进行准确分析，并采取有效的防护措施，具有重要的现实意义。

一、高速公路边坡稳定性的影响因素

（一）地质条件

地质条件是影响高速公路边坡稳定性的根本因素。不同的地层岩性、地质构造和岩土体结构，其力学性质和稳定性存在显著差异。例如，软弱岩层、断层破碎带、岩溶发育区等地质条件较差的区域，边坡容易发生失稳。

（二）地形地貌

边坡的高度、坡度、坡形等地形地貌特征对其稳定性有着直接影响。一般来说，高陡边坡、陡坡比缓坡更容易发生失稳，直线坡比折线坡和台阶坡稳定性差。

（三）水文条件 地下水和地表水的作用是导致边坡失稳的重要因素。地下水的渗流会降低岩土体的强度，增加孔隙水压力，从而削弱边坡的稳定性。地表水的冲刷和侵蚀作用也会破坏边坡的表面结构，加速边坡的变形和破坏。

（四）气候条件

气候条件如降雨、降雪、风化等会对边坡稳定性产生影响。大量的降雨会使岩土体饱和，增加自重，降低强度；降雪的冻融作用会导致岩土体结构疏松；风化作用则会使岩土体逐渐破碎，降低其稳定性。

（五）人类活动

高速公路的建设和运营过程中的开挖、填方、爆破等人类活动，会改变边坡原有的平衡状态，增加边坡失稳的风险。例如，不合理的开挖方式会导致边坡过陡，填方不密实会引起不均匀沉降。

二、高速公路边坡稳定性分析方法

（一）定性分析方法

定性分析方法主要包括工程地质类比法和图解法。工程地质类比法是通过对已有的类似边坡工程的稳定性状况进行分析，来推断当前边坡的稳定性。图解法如赤平极射投影法，通过对边坡结构面和坡面的几何关系进行分析，判断边坡的稳定性。

（二）定量分析方法 定量分析方法包括极限平衡法和数值分析法。极限平衡法是通过假设边坡沿着某一潜在滑动面发生滑动，计算滑动面上的抗滑力和下滑力，从而判断边坡的稳定性。数值分析法如有限元法、有限差分法等，通过建立边坡的数值模型，模拟边坡在各种荷载作用下的应力、应变和位移情况，从而对边坡的稳定性进行分析。