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。

1．降雨对边坡稳定性影响的理论分析

1.1降雨入渗概念和理论

降雨入渗是指水分进入土壤的过程，是自然界水循环的重要环节。入渗实质上是水分在土壤包气带中的运动，是一个涉及两对流的过程，即水在下渗过程中驱替空气的过程。大气降水至地面即开始出现入渗现象，若地表上层土层湿度不大，在分子引力作用下降水被土粒介质吸收成为薄膜水。当薄膜水量达到最大值，入渗水则填充介质中的毛细裂缝形成毛细水，产生毛细下渗现象。若裂缝的开度很不均匀时，毛细水只能填充裂隙开度较小的那部分体积，开度较大的那部缝仍为空气所占据，介质处于非饱和状态，形成非饱和渗流。

降雨入渗是一个复杂的过程，包括坡顶入渗、坡面入渗、顺裂隙入渗、裂隙向土体渗流和重力条件下土体内渗流等多种形态。当降雨强度小于边坡土体渗透系数时，降雨很容易渗流到土体深部饱和区，直接补给地下水，而浅部土体难以达到较高的饱和度，边坡处于稳定状态。

当降雨强度大于边坡土体的入渗率时，一方面雨水使土体边坡浅层迅速达到饱和，坡面形成地表径流，对坡面造成冲刷;另一方面雨水渗透到坡体内部，引起渗流场的变化，从而使作用在土体上的动水荷载和静水荷载增大，土体抗剪强度降低。边坡土体的含水量增大，同时产生一定的渗流力，使边坡的稳定性降低，导致边坡产生滑动破坏。因此，降雨破坏边坡时，可能要经历“降雨—雨水边坡渗透(包括裂隙渗透和地表径流)—边坡土体重力增大、强度降低—稳定系数减小—局部失稳滑动—滑动破坏”这样的过程。

1.2 降雨入渗对边坡稳定影响的作用分析

1.2.1降雨导致边坡土体的吸力降低

工程中，多数时候遇到的边坡均为非饱和土体边坡。降雨入渗使得边坡非饱和带非膨胀土体的基质吸力降低，产生暂态饱和，使边坡土体达到塑性状态。基质吸力的降低，则会导致边坡非饱和带土体的抗剪强度下降，这是造成突发性滑坡的作用机理，降雨入渗引起非饱和土的基质吸力减小，土粒间胶结软化，吸附凝聚力减小。降雨强度愈均匀，持续时间愈长，边坡稳定性安全系数愈低。

近年来，非饱和土力学的发展，从理论上为定量计算水分入渗而引起的土体软化的强度变化提供了一种计算方法。

非饱和土土力学理论认为，吸力是研究处于非饱和状态土体的抗剪强度、应力—应变关系、固结等各种问题的核心。土中吸力反映土中水的自由能状态，包括基质吸力和渗透吸力两部分，即：

式中，——土的吸力；

——土的基质吸力，为孔隙气压力，为孔隙水压力；

 ——土的渗透力。

非饱和土的基质吸力随着土体含水量的增加而逐渐减小。此外渗透力随土体含水量的变化亦逐步减小，因此，降雨入渗使边坡非饱和带土体的吸力降低，产生暂态饱和，使土体达到塑性状态，土体的有效凝聚力、有效内摩擦力大幅下降。降雨入渗引起非饱和土的吸力减小，土粒间胶结软化，吸附凝聚力减小。降雨强度越均匀，持续时间越长，边坡稳定性安全系数降低，这是造成突发性滑坡的根本原因。

1.2.2降雨导致土体地下水发生变化

降雨会导致地下水的改变，可引起地下水位上升或在相对隔水层以上出现暂时性地下水，特别是在细沙和粉沙中，孔隙水压力的突然增大可能导致土体的突然液化。地下水渗流过程对土颗粒施加压力，同时可使粒间易溶的胶结物流失，使颗粒间的黏结强度和内摩阻系数降低。

当地下水发生迅速变化时，一方面，导致坡体的动水压力和静水压力的增加，当降雨入渗至基岩风化面或在隔水的各种粘土层处停滞下来，浸泡软化而形成软弱滑动面，促使和加速滑坡体的滑动。另一方面，降雨渗入地下形成向上的浮力，减弱了潜滑体自重作用在滑动面上的正压力。此外，当边坡岩体裂隙发育时，雨水从裂隙补给地下水极为有利，且地下水会以裂隙水存在于岩体缝隙中，增加了滑坡体的侧向水压力和加速了岩体的风化，诱发边坡失稳。因此，常常出现连续降雨超过某种程度时，边坡坡体便产生滑坡的现象。

1.2.3降雨导致土体边坡软化

降雨后，地下水位升高，水力坡度增大，造成渗透压力的改变，同时土体浸湿软化，导致边坡稳定性降低。土体吸水软化主要包括土体的强度软化和应变软化两个方面。

(1)强度软化 

FredLund提出的抗剪强度公式为：

式中 ，——饱和土的强度参数有效凝聚力和有效内摩擦角；

——破坏时在破坏面上的净法向应力；

——破坏时在破坏面上的基质吸力；

——随基质吸力变化的内摩擦角。

由上式可以看出，非饱和土的抗剪强度除了与、及破坏面上的净法向应力有关外，还与破坏面上的基质吸力有关。

含水量变化对非饱和土体强度的影响主要体现在黏聚力的变化，而对摩擦角影响不大。由上述公式可知，非饱和土体随降雨入渗水量的增加，土体中饱和度的增加，、大幅度降低，导致边坡非饱和带土体的抗剪强度软化。

(2)应变软化

对于具有渐进性破坏特征的边坡，边坡土体随着变形的发展，具有应变软化特性。表现为应变在增长但强度降低。在滑坡发生之前，随体积含水量增加和变形增长，土体的结构性强度(颗粒间的凝聚力)逐渐丧失，滑坡面局部抗剪强度可能已得到完全的发挥，从而导致滑动面上局部土体抗剪强度由峰值强度逐渐趋于残余强度。其稳定性还与其变形及由变形引起的土体抗剪强度降低有关。

1.2.4降雨对边坡坡面冲蚀

当降雨强度大于入渗强度时，坡面会产生下流水力冲刷。冲蚀类型有雨滴溅蚀、面蚀、细沟冲蚀、浅沟冲蚀、坍塌、推移运动、潜蚀等。其导致边坡失稳的机理为:溅蚀—面蚀—细沟冲蚀—浅沟冲蚀—崩塌—滑坡。降雨及其形成的坡面流是冲蚀的动力来源。从固液两相流和固体物运移水动力学角度对坡面冲刷进行了系统研究，得出坡面冲刷临界坡度为35°～ 45°。

2、边坡设计施工注意事项

为了避免强降水对施工带来的不利影响，可事先做好预防工作。如对场地主要干道、宿舍门前的道路进行硬化处理，施工场地和基坑上四周设置截洪沟，基坑内要设有排水明沟，工程外围应做好排水沟，好将排水沟中的水引入附近的市政雨水井内。在一个实际工程则具体可这样实施：提前在现场基坑上部四周设置好截洪沟。基坑内后浇带位置也务必设置互相连通的明排水沟，利用排污水泵，将水从承台、集水井内抽至明排水沟内。明排水沟连通至设置好的集水坑，再用排污水泵，将污水抽至基坑上部的截洪沟内。截洪沟的四个出水口位置均设置沉淀池，污水经沉淀后流入市政排水管道。

而当发生强降雨时，雨水对开挖边坡、围堰、料场边坡的冲刷，易发生高边坡、高排架垮塌事故；施工人员易发生物体打击及高处坠落事故；围堰易发生边坡滑塌事故；料场边坡易发生边坡滑塌事故等。为确保当发生强降雨时，上述部位的施工安全，以及如何进行应急抢险，可依据以下应急措施进行应急施救：

（1）当围堰边坡及料场边坡发生塌方、滑塌事故前，立即撤离基坑施工机械及人员，并对垮塌部位及时处理。 

（2）当发生强降雨时，立即停止边坡开挖施工，并将平台面上的物件清理干净，以避免物体坠落造成物体打击事故。

（3）汛前对所有施工工作面内侧边坡进行检查，及时清除边坡面上的松散体、浮渣等，以避免强降雨时雨水将松散体冲落造成物体打击事故。

（4）边坡每梯段开挖完成后，立即进行边坡危石安全处理和随机支护，对边坡渗水较大的区域进行边坡排水孔的施工，并对上梯段的边坡及时进行支护处理，边坡系统支护滞后边坡一级马道。

（5）当强降雨时发生开挖边坡垮塌现象，在监理工程师的指示下，迅速组织施工人员对垮塌部位进行及时喷护处理，并根据实际情况对垮塌边坡进行加强锚杆支护，支护参数及范围由监理工程师现场指定。

（6）当发生强降雨时，对有可能发生或已经发生塌方的边坡，尽快安排人员、设备等撤离危险区域，并圈定安全警戒范围，设置警示标志。待塌方部位处理完毕后，经监理工程师同意，方可进入该区域继续作业。

3、结语

降雨作为诱发边坡失稳的关键因素之一，对边坡稳定性的影响是多种多样的，主要表现为边坡非饱和土体随降雨入渗量的增加，吸力降低，土体强度、应变软化加剧等。因此，要根据具体的工程地质条件、环境条件及作用机理等进行稳定性预测。降雨导致边坡失稳的问题较复杂，对研究条件的要求较高，研究的难度大，有许多问题需要进一步深化和细化。

参考文献：

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