降雨条件下考虑雨水渗流的边坡稳定性分析

降雨条件下考虑雨水渗流的边坡稳定性分析

张宁

四川省冶勘设计集团有限公司，四川省成都市

摘要：针对目前边坡渗透稳定性研究缺少定量化的敏感性分析这一问题，根据Fredlund&Xing非饱和计算原理，利用Geostudio软件对某边坡在不同非饱和参数下的渗透稳定性进行了数值模拟，同时基于灰色关联度理论进行了敏感性分析，结果表明：（1）降雨条件下上部监测点孔压随时间呈现在降雨时迅速增大，而在降雨结束时刻缓慢减小的趋势，而下部监测点孔压则呈现在降雨时刻迅速增大，而在降雨结束时刻缓慢增大的趋势，对于同一工况来说，下部监测点的孔压整体上要大于上部监测点的孔压；（2）边坡安全系数在降雨时迅速下降，而停雨后缓慢下降，参数a越大，整体安全系数越大，但是当a=40kPa时整体安全系数有一个突然的陡降；参数m，n，k越大，安全系数整体上也越大。

关键词：降雨 ；Frenlund&Xing ；非饱和 ；渗流 ；边坡稳定

0 引言

降雨是影响边坡稳定的重要因素^[1],降雨会使得边坡内部水位变化，土体强度参数降低^[2]以及渗流力指向坝坡外部^[3]，从而加剧下滑趋势，导致坝坡失稳。对于降雨导致边坡失稳的例子有很多，如1963年的意大利Vajoint水库^[4-5]，在降雨条件下发生了大规模的滑坡事件，再如我国的三峡，自建成以来在降雨条件下许多处边坡发生了滑坡危害，降雨导致的边坡失稳会导致边坡周围的居民生命财产造成威胁，以及周边的建筑物形成永久的损坏，因此，对降雨条件下的边坡渗透稳定性的研究意义重大。

本文以文献^[15]的算例为例，基于灰关联度理论对降雨条件下不同Fredlund&Xing参数对边坡渗透稳定性的影响进行了定量化敏感性分析，研究成果为正确认识非饱和参数对边坡的影响规律提供了一定的参考。

1 工程概况

拟建的四川广播电视台521发射传输台整体搬迁项目位于四川省内江市东兴区郭北镇郭家村，周边有无名市政道路通过。项目总用地面积75478.77m²,拟建项目平面布置上呈不规则多边形。

本次设计范围为项目红线范围内边坡防护，边坡安全等级为一级。据现场勘察及室内土工试验结果，场地内分岩石裸露，岩性主要为粉砂质泥岩(J2s)，红褐色～棕红色，主要矿物成分为粘土矿物，含钙质结核，局部变相为粉砂岩，构造裂隙较发育，泥质结构，厚层状构造，岩层产状150°∠6°，近水平状，基岩界面较为平缓。

2 计算模型

2.1 计算模型及边界

计算模型如图1所示，设置上部与下部监测点来实时监测边坡内部不同点的孔压变化。边坡高度hf=14m，坡脚高度ac=7m，坡比为1:2，初始条件为图1所示的初始水位线计算所得的初始渗流场作为整个计算模型的初始条件，边界条件设置如下：cdef为降雨入渗边界；cb，gf，ah为不透水边界，ab，gh为定水头边界，分别为3m与8m。模型网格图如图2所示，整个模型共划分为1847个节点，1752个单元。

图1 计算模型

2.2 计算参数及计算工况

计算时，岩体饱和体积含水量θ_s为0.1m³/m³，重度γ为18.6kN/m³，黏聚力c为22kPa，内摩擦角φ为16°，φ_b为20°。非饱和参数a，m，n，k基础参数取为a=10kPa，m=1，n=4，k=0.01m/d，相应的计算工况为改变土体非饱和参数k，a，m，n，计算边坡的渗透稳定性，降雨强度取为0.01m/d，降雨持续时间取为10d，考虑停雨10d的情况，相应工况如表1所示。

表1 计算工况

3 计算结果分析

3.1 渗流场分析

不同工况下不同监测点（上部监测点与下部监测点）的孔压变化规律如图2~图3所示。

（a）参数a变化 （b）参数m变化

（c）参数n变化 （d）参数k变化

图2 上部监测点孔压变化规律

（a）参数a变化 （b）参数m变化

（c）参数n变化 （d）参数k变化

图3 下部监测点孔压变化

由图2~图3可知，上部监测点，下部监测点以及不同工况下的孔压变化规律大不相同，总结可以发现以下规律；

1. 总体上而言，上部监测点孔压随时间呈现在降雨时迅速增大，而在降雨结束时刻缓慢减小的趋势，而下部监测点孔压则呈现在降雨时刻迅速增大，而在降雨结束时刻缓慢增大的趋势，造成下部监测点在降雨结束时刻不同的原因是下部监测点的孔压受到上部边坡的雨水排泄作用，使得下部监测点的孔压在降雨结束时刻难以下降。

2. 对于上部监测点，参数a与参数m和孔压上升的幅度呈正相关，而参数n与参数k越大，在降雨时上升越快，在降雨结束后下降也越快。

3. 对于下部监测点来说，参数m，n与孔压上升的幅度呈正相关，参数a越大，孔压增幅缺越小，但是在参数a=40kPa时却有一个突然的上升，参数k越大，前期孔压上升幅度也越大，而在降雨结束后孔压下降也越快。

4. 对于同一工况来说，下部监测点的孔压整体上要大于上部监测点的孔压。

3.2 边坡稳定性分析

不同工况下的边坡安全系数的变化规律如图4所示。

（a）参数a变化 （b）参数m变化

（c）参数n变化 （d）参数k变化

图4 安全系数变化规律

由图可见：

1. 不同工况下的安全系数呈现在降雨时迅速下降，而停雨后缓慢下降的趋势。

2. 参数a越大，整体安全系数越大，但是当a=40kPa时整体安全系数有一个突然的陡降；参数m，n，k越大，安全系数整体上也越大。

3. 参数k在降雨前期安全系数几乎一致，而在降雨后期安全系数则随着渗透系数k 的增大而减小。

4 结论

1. 降雨条件下上部监测点孔压随时间呈现在降雨时迅速增大，而在降雨结束时刻缓慢减小的趋势，而下部监测点孔压则呈现在降雨时刻迅速增大，而在降雨结束时刻缓慢增大的趋势，对于同一工况来说，下部监测点的孔压整体上要大于上部监测点的孔压。

2. 边坡安全系数在降雨时迅速下降，而停雨后缓慢下降，参数a越大，整体安全系数越大，但是当a=40kPa时整体安全系数有一个突然的陡降；参数m，n，k越大，安全系数整体上也越大。

参考文献：

1. Zhang L L, Zhang J, Zhang L M, et al. Stability analysis of rainfall-induced slope failure: a review[J]. Geotechnical Engineering, 2011, 164(164):299-316.

2. Crosta G, Prisco C D. On slope instability induced by seepage erosion[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1999, 36(6):1056-1073.

3. Chang K T, Chiang S H. An integrated model for predicting rainfall-induced landslides[J]. Geomorphology, 2009, 105(3–4):366-373.

4. 马世国,韩同春,徐日庆,邓祎文.强降雨条件下含倾斜基岩层的边坡稳定分析[J].中南大学学报(自然科学版),2015,46(07):2673-2678.

5. 徐永强, 祁小博, 张楠. 基于降雨与库水位联合的三舟溪滑坡渗流模拟及稳定性分析[J]. 水文地质工程地质, 2016, 43(5):111-118.