降雨条件下顺层岩质边坡稳定性研究

涂圣武，魏文凯

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

1 概述

岩层走向和倾角与边坡走向和倾角一致的边坡称为顺层或顺倾边坡，其余的叫反倾或斜向边坡。工程中常将边坡走向倾角小于20°、倾向接近的边坡视为顺层边坡。

顺层岩质边坡稳定性是在铁路、公路和水利水电建设中经常遇到的工程问题。许多学者针对顺层岩质边坡变形特征、破坏机制进行了大量的研究。陈从新等［1］采用地质力学模型试验，研究了岩质边坡变形破坏机制以及岩层倾角对岩质边坡稳定性的影响；孙书伟等［2］进行了顺层高边坡有无支挡模型试验，得到了开挖、降雨以及支挡工况下顺层高边坡工程病害的发展形态以及抗滑支挡结构的受力特点；戚国庆、黄润秋［3］等对岩质边坡降雨入渗过程进行了数值模拟，得出结论为降雨对边坡稳定性影响最大的是非饱和区基质吸力的降低，其稳定性亦受影响。张卓［4］基于极限平衡理论和非饱和土抗剪强度理论,结合渗透力概念,利用编制的边坡稳定程序进行了降雨入渗作用下岩质边坡稳定性的分析,结果表明随着降雨时间的增长,雨水入渗岩土体,岩体边坡的稳定系数不断降低。C.W.W.Ng［5］采用数值分析软件模拟香港某斜坡在非饱和条件下不同降雨形式、降雨持时的地下水响应过程。研究结果显示,坡体附近孔隙水压力受降雨形式影响较大,而坡体深处受到的影响较小,在某一个特定深度,还与地下水条件有关。FeiCai［6］等采用有限元分析方法分析降雨条件下边坡稳定性,研究结果表明:水力特性、初始相对饱和度、边界条件的定义以及降雨强度和持时都对边坡稳定性有显著的影响,将数值模拟结果与统计资料进行对比,验证了数值模拟的效果。降雨是边坡滑坡的重要诱因，在当前顺层岩质边坡在降雨影响下稳定性研究较少的情况下，展开顺层岩质边坡降雨稳定性研究是十分必要的。

降雨是诱发边坡失稳的重要因素，归纳起来有以下几个方面的原因：（1）降雨使岩土体含水量增加，基质吸力降低，岩土体材料软化，其内摩擦角和黏聚力下降, 从而降低了岩土体的抗剪强度；（2）降雨顺着岩土体裂缝入渗，雨水作用潜在滑面上，使得滑面的抗滑能力降低；（3）雨水入渗增加了土体自重，采用支挡结构时，增加了作用在支挡结构上的土压力；（4）雨水入渗产生了渗流力，渗流力作用在边坡上，使得边坡的稳定系数降低。

软弱夹层的存在对顺层岩质边坡在降雨作用下的稳定性具有重大影响。为揭示含软弱夹层的顺层岩质边坡在雨水入渗作用下的稳定情况，本文采用数值模拟方法对顺层岩质边坡稳定性进行了研究，揭示边坡在不同降雨强度和降雨持时作用下孔隙水压力变化规律，以及降雨前后边坡稳定系数变化规律，并对不同支挡形式的边坡在降雨作用下的稳定性进行了模拟，以期为顺层岩质边坡的科研、设计和施工提供参考。

2 降雨入渗原理

雨水渗入边坡到达潜水面经历了一个饱和—非饱和的渗流过程。雨水入渗不同阶段表现出不同的特性，当降雨强度一定时，开始时岩土体的入渗能力大于降雨强度，此时雨水能够全部入渗，地表无径流，降雨一段时间后，岩土体的含水量达到饱和值，其渗透能力会减少，此时降雨强度大于岩土体的渗透系数，在地表产生径流或积水。降雨过程中，典型含水率分布剖面可分为4个区，即饱和区、过渡区、传导区和湿润区，如图1所示［7］。

一般认为，降雨初期,岩体含水率梯度较陡,岩土体含水率较低，基质吸力较大，雨水入渗较为容易，此时岩体的入渗能力较强；随着雨水入渗的进行，岩土体饱和度增大，湿润层向下移动使得基质吸力梯度减小，入渗速率逐渐减小，最后接近一个常量，雨水入渗处于稳定阶段；当降雨强度较大，超过岩土体渗透系数时，岩体达到饱和状态，此时入渗强度等于岩体饱和水力传导度，将进入稳定入渗阶段。

图1 降雨入渗时岩体含水率分布示意

3 工程实例

本次数值模拟原型选取西南山区某边坡工点。该段设计中心最大开挖深度21.5 m，左侧边坡最大开挖深度为43 m，换算后的倾角为37°。边坡岩层之间层面清晰，地表以下0~1.5 m为坡洪积层；1.5~10.1 m为强风化砂岩夹页岩；10.1~47.6 m为弱风化砂岩夹页岩，页岩薄层状，含少许粉砂质和炭质，水平微层理和斜层理发育，受附近构造影响，岩体较破碎，节理裂隙较发育。

本文采用强度折减有限元分析理论，利用大型工程计算软件MIDAS/GTS进行计算。边坡模型如图2所示。边坡岩土体参数取值如表1和表2所示。边坡高度为48 m，断面宽度为75 m。

图2 边坡模型

表1 边坡岩土体物理力学指标

表2 抗滑桩、锚杆物理力学参数

坡角25°时不同降雨强度下孔隙水压力分布如图3~图7所示。由初始孔压分布图可知，孔隙水压力呈线性分布。随着高度的增大，孔压逐渐变小，当超过地下水浸润线之后，孔压变为负值，即表现为吸力。从图4到图7可以看出，裂隙处雨水入渗较为容易，降雨开始一段时间后，裂隙周围岩土体孔隙水压力迅速由负孔隙水压增长到正孔隙水压，随着降雨强度由200 mm增长到400 mm，表现越明显，在进行边坡治理时，要特别注意裂隙处岩土体的治理。随着降雨的进行，坡面大部分区域孔压由负值变为正值，增长到一定大小后，孔压不再增加，此后孔压变化很小，这是因为坡面达到暂时饱和状态，此后再增加降雨强度，雨水由坡面排出，孔压不再增加。

图3 降雨前初始孔隙水压力分布

图4 降雨24 h孔压分布（200 mm）

图5 降雨48 h孔压分布（200 mm）

图6 降雨24 h孔压分布（400 mm）

图7 降雨48 h孔压分布（400 mm）

边坡稳定性系数如表3所示。

表3 边坡稳定性系数

由表3可知：自然边坡在降雨72 h后稳定性系数小于1，均出现失稳破坏。边坡采用锚杆或锚杆+抗滑桩支护后，稳定性系数大于1.3，可见支护取得较好的效果。支护形式越强，边坡越稳定。随着降雨时间的增长，孔隙水压力逐渐变大，边坡安全系数越小。在边坡设计实践中，要特别注意地区降雨强度，合理设计边坡支护形式。

锚杆支护边坡和锚杆+抗滑桩支护边坡设计如图8、图9所示。采用全长粘结型锚杆，直径为32 mm，图8中第1级边坡锚杆长度为9 m，第2级边坡锚杆长度为12 m，第3级边坡锚杆长度为15 m。图9中抗滑桩长度为9 m，锚固深度为4 m，尺寸为2 m×1.5 m，第1级边坡锚杆长度为12 m，第2级边坡锚杆长度为15 m。

图8 锚杆支护边坡设计图

图9 锚杆+抗滑桩支护边坡设计图

4 结论

本文通过降雨入渗和有限元强度折减法相结合的方法，对降雨入渗作用下含软弱 夹层的岩质边坡稳定性进行了研究，结论如下：降雨入渗会使岩体边坡的稳定安全系数明显下降，这一点也印证了雨季易发生滑坡；含软弱夹层的岩质边坡稳定性主要取决于软弱夹层的强度，在进行边坡治理时要注意软弱夹层的位置。因此，在实际工程中，为了边坡工程的安全，应重视雨水入渗的控制；合理选择支护形式，支护形式越强，边坡稳定性越好。

［1］陈从新，黄平路，卢增木，等.岩层倾角影响顺层岩石边坡稳定性的模型试验研究［J］.岩土力学，2007，3（28）：476-486.

［2］孙苏伟，朱本珍，马惠民，等.典型顺层高边坡工程病害的地质力学模型试验研究［J］.岩土工程学报，2008，9（30）：1349-1355.

［3］戚国庆，黄润秋，速宝玉，等.岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2003（22）：625-629.

［4］张卓，练继建，杨晓慧，等.岩质边坡在降雨条件下的稳定性分析［J］.哈尔滨工大学学报，2009（41）：202-205.

［5］C. W. Ng. Three-dimensional numerical investigations of groundwater responses in anunsaturated slope subjected to various rainfall patterns［J］. Can Geotech，2001（38）：1049-1062.

［6］Fei-Cai,Keizo Ugai.Numerical analysis of rainfall effects on slope stability ［J］.International Journal of Geomechanics，2004：69-78.

［7］张蔚榛.地下水与土壤水动力学［M］.北京：中国水利出版社，1996.