雨水渗透对土质边坡稳定性影响分析.docx

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雨水渗透对土质边坡稳定性的影响分析

摘要：

降雨后雨水通过多种形态渗入土质边坡，导致土体强度下降、容重增加等，对其稳定性产生重要影响。

本文以典型土质边坡为例，采用有限单元法分析了降雨对土质边坡稳定性的影响机理。

结果表明，随降雨时间的延长、强度的增大，土质边坡变形越大、内部应力越明显，导致边坡安全系数下降，尤其在边坡的上平面和侧面影响最为突出。

在边坡防护工作中，应对不同土质、不同降雨条件以及饱和度不同的边坡分别制定灵活适用的对策。

关键词：

雨水渗透土质边坡稳定性

中图分类号：

p426.62文献标识码：

a文章编号：

1前言

近年来，全球范围内洪涝、泥石流灾害频发，特别是河流塘坝、道路、山体土质边坡在降雨后雨水渗透条件下发生的滑坡、崩塌等现象，给人民生命财产安全造成了严重威胁。

边坡滑坡在雨季期间尤其常见，随着降雨的持续和雨水的入渗作用，表面看来十分牢固的土质边坡也可能在发生滑坡。

因此，土体边坡在雨水渗透条件下的稳定性影响分析[1]，具有很强的现实意义和指导意义。

降雨对土质边坡的影响[2]主要是雨水入渗土体后发生的复杂过程，包括坡顶入渗、坡面入渗、顺裂缝入渗、裂缝向土地渗流和重力条件下土地内渗流等多种形态，降雨入渗导致土坡土体强度下降、容重增加等都极易引起边坡失稳，同时，根据降雨量、降雨强度、持续时间的不同产生的影响效果也有较大差别。

本文以某一具体土质边坡为例，采用二维有限单元法[3]分析了在某一特定降雨条件下，降雨前后边坡体的形态、应力等情况变化，为土质边坡的实际防护工作提供了一定的参考。

2计算模拟

2.1计算模型

拟分析的边坡原型为一高20m，坡度45°的土质边坡，如图1所示。

土体的弹性模量为10mpa，泊松比为0.3，凝聚力为30kpa，内摩擦角为36.9°。

——————————

2.2计算条件

计算时，使用暂态分析方式进行降雨入渗数值计算，即设定边坡有一个固定地下水位面，且以长期未降雨状态下稳态分析所得计算结果，包括初始地应力、孔隙水压以及饱和度、孔隙比等分布情况作为边坡降雨入渗暂态分析的初始条件。

图1边坡计算模型图

计算时，初始孔隙比设为1.0，土体饱和渗透系数为5×10-6m/s；初始地应力采用自重作用下的应力场，侧压力系数采用经验公式k0=1-sinφ。

降雨边界函数以降雨强度，即单位流通量q（m/s）表示，并且排除降雨所造成的地表积水现象。

降雨的发生并不是局限某一部分，而是对整个边坡都有作用，所以降雨入渗分析是以整个边坡坡顶及坡面都受到降雨作用来进行的。

计算时考虑降雨强度为5.56×

10-6m/s（相当于20mm/h），历时72小时，随后停止降雨72小时，超孔隙水压力随之消散，整个过程共144小时。

另外，为了分析边坡关键位置的变形大小，在模型体内设置了4

个监控点a，b，c，d，具体位置如图1所示。

3计算结果及分析

3.1计算结果

通过计算，得到了降雨强度20mm/h，历时72h边坡的变形和应力情况，如图2～图9和表1所示。

图2竖直位移图（单位：

mm）图3水平位移图（单位：

mm）

图4总体位移变形图（单位：

m）

图5饱和状态不考虑基质吸力的变形图（单位：

mm）

图6最大主应力等值线（单位：

kpa）

图7最小主应力等值线（单位：

kpa）

图8初始孔隙水压力（单位：

kpa）

图9降雨后孔隙水压力（单位：

kpa）表1监控点的位移比较表

3.2结果分析

分析上述计算结果可知：

（1）从图2-图4边坡位移变化图可以看出，降雨入渗引起了边坡较大的垂直位移，水平位移较小。

降雨72小时后，4个监控点a，

b，c，d的垂直沉降量表明c>b>d>a，即边坡坡顶沉降最大，坡面次之，坡趾最小，特别是在同一高度处，坡面点b比边坡里面的点

d沉降量明显大；而水平位移呈现出与垂直位移分布相反的规律

（a>d>b>c），即中部最大，两边最小。

当降雨停止72小时后，随着含水量的降低、水压力的逐渐消散，边坡的水平位移和垂直位移均有所回弹，如表1所示。

（2）对比位移变形图图4与图5可以看出，边坡在非饱和渗流并考虑基质吸力情况下的位移相比饱和情况下没有基质吸力情况下的位移明显偏小，这是由于在非饱和情况下边坡内存在较大的基质吸力，这使得土体的抗剪强度得到提高，使变形大大减小，有利于边坡的稳定。

（3）从图6和图7最大和最小主应力等值线图可以看出，随着降雨的增加，最大主应力在坡体上部有所增大，而在坡体下部明显减小，最小主应力变化不大，这是因为坡体上部含水量增加，下部地下水位抬升，从而使得坡体上部因土体容重增大而应力有所增加，下部因出现浮容重应力明显较小。

而孔隙水压力随着含水量的增加不断增大，降雨停止后随着含水量的降低而减小。

（4）对比图8和图9降雨前后的空隙水压力可以看出，在降雨入渗时a点是应力集中点，其应力最大，很容易出现塑性应变且会随着降雨逐渐增大；b和d位于边坡坡面处应力相差不大；坡顶c在降雨过程中应力较小，受到的降雨影响也最小。

由此可以看出，当降雨入渗时，边坡浅层较容易发生塑性破坏，并且会由坡趾沿坡

面逐渐向坡顶延伸。

因此，对于凝聚性非饱和土坡的边坡保护，坡面防水措施可能比排水更重要。

4结论

上述典型土质边坡在雨水渗透作用下的二维有限元的计算分析结果表明：

（1）降雨后边坡坡顶沉降最大，坡面次之，坡趾最小,在同一高

度处，坡面比边坡内部沉降量大的多；而水平位移则在边坡中部最大，两边最小。

当降雨停止72小时后，随着含水量的降低、水压力的逐渐消散，边坡的水平位移和垂直位移均有所回弹。

（2）在非饱和情况下边坡内存在较大的基质吸力使得土体的抗剪强度得到提高，变形大大减小，有利于边坡的稳定。

（3）坡体上部含水量的增加和下部地下水位的抬升使得坡体上部因土体容重增大而应力有所增加，下部因出现浮容重应力明显较小。

而孔隙水压力随着含水量的增加不断增大，降雨停止后随着含水量的降低而减小。

（4）当降雨入渗时，边坡浅层较容易发生塑性破坏，并且会由坡

趾沿坡面逐渐向坡顶延伸。

因此，对于凝聚性非饱和土坡的边坡保护，坡面防水措施可能比排水更重要。

总之,随降雨时间的延长、强度的增大，土质边坡变形越大、内部应力越明显，导致边坡安全系数下降，尤其在边坡的上平面和侧面影响最为突出。

在边坡防护工作中，要加强对重点地段土质边坡渗透性和降雨入渗研究，并对不同土质、不同降雨条件以及饱和度

不同的边坡分别制定灵活适用的对策，为实际的边坡防护工作提供有力支撑。

参考文献

[1]陈祖煜.土质边坡稳定分析——原理方法程序[m].北京：

中国水利水电出版社，2003：

15-20。

[2]王晓峰.降雨入渗对非饱和土边坡稳定性影响的研究[d].陕

西：

西安建筑科技大学岩土工程，2003。

[3]朱文彬.刘宝深.降雨条件下土体滑坡的有限元数值分析[j].

岩石力学与工程学报，2002，21（4）。

analysisaboutinfluenceofrainfallinfiltrationonsoilslopestability

mengpanpan1，xiejing2，lvbaoping3，wangjing31.geologicalenvironmentmonitoringstationofyantai

city，shandongyantai264000，china；

2.environmentalprotectionmonitoringstationofbinzhoucity，shandongbinzhou256600，china；

3.shandonggeologicalenvironmentmonitoringcenter，shandongjinan250014；

abstract：

afterrainfall,rainwaterpenetratesthesoilslopethroughavarietyofforms,resultinginthedecline

inthestrengthofthesoilandincreaseofsoildensity,whichhavegreatimpactonitsstability.thistexttakestypicalsoilslopeasexampleandusesthefiniteelementmethodtoanalyzetheimpactofrainfallonsoilslopestabilitymechanism.theresultsshowthatastheincreaseofrainfalltimeandintensity,itwillhavegreaterimpactonthedeformationofsoilslopeandthesoil’sinternalstress,leadingtodeclineinslopesafetyfactor,whichismostprominentfortheplaneandthesideoftheslope.slopeprotectionworkshouldbeflexibleandapplicableindealingwithdifferentsoil,differentrainfallconditionsandsaturation.

keywords：

rainfallinfiltration；soilslope；stability