极端降雨下返岭前边坡稳定性数值模拟研究和评价

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1、极端降雨下返岭前边坡稳定性数值模拟研究和评价　　摘要：随着全球极端天气不断频繁，极端降雨对边坡稳定性影响的研究也越来越受到重视，为了更好探索极端降雨条件下堆积层边坡稳定性的变化规律，选取青岛市崂山区返岭前堆积层边坡作为模拟研究对象，并基于青岛现有降雨资料和两个极端降雨工况进行稳定性分析与评价。最后，利用有限元软件Geo-studio耦合分析降雨对坡体孔隙水压力及位移场的影响规律，确定该边坡所处的稳定性状态、剪出口位置及失稳类型。关键词：极端降雨；返岭前边坡；Geo-studio；耦合分析国家自然科学基金资助项目（项目编号：41372297）；高等学校博士学科点专项科研

2、基金（项目编号：20113721110002）资助；山东省自然科学基金项目（项目编号：ZR2011DL002）1引言极端降雨天气的出现对全球范围内的滑坡灾害造成不可避免的影响，LIU10Yuewu（2005）认为影响降雨型边坡稳定性的主要来源于降雨和地下水，认为降雨是一种无法控制的外部因素[1]。降雨前边坡已存在明显的开裂变形，处于较为脆弱的平衡状态，一旦大雨、暴雨降临，滑坡发生可能性增大，且低渗透能力边坡趋于浅层边坡失稳，高渗透性边坡倾向深层失稳[2]。目前在降雨外在动力条件影响边坡稳定性研究中，贺可强等（2004）建立了滑坡的加卸载响应比物理动力学预测模型，选用降

3、雨及孔隙水压力变化作为加卸载参数，对新滩滑坡进行加卸载响应后验分析与计算[3][4][5]。按照降雨作为外在动力思想，则极端降雨动力条件不同于通常降雨的反复加载卸载，而是边坡坡体本身一直处于不断降雨动力加载过程，没有足够的时间去卸载，使得边坡本身处于严重的不平衡加载状态，这种极端降雨条件下的坡体内在稳定性变化规律值得深入的探索与分析，因此，笔者选择典型极端降雨型滑坡-返岭前堆积层边坡作为模拟研究对象，建立数值模型进行了相关方面的探索与研究。2返岭前边坡概况2.1边坡基本地理特征返岭前边坡地理坐标：东经120°40′54.6″，北纬36°11′54.6″，其位置在离海岸

4、线大约几到十几公里的特大暴雨范围之内[6]，返岭前边坡属于堆积层边坡，由已滑滑坡、边坡一、二、三共同组成，其中已滑滑坡于2007年8月11日晚因极端降雨发生滑动。其位置见图1。图1返岭前边坡工程地质平面图102.2边坡构造特征从地表测绘、钻孔、浅井揭示情况分析，覆盖层物质主要分布在中部及前缘，平均厚度2.5m，前缘覆盖层最厚达5.8m；全风化层厚度一般2-30m。具体见地质剖面图2。3边坡数值模型的建立按照图2建立模型，X代表水平方向距离，Y代表竖直方向黄海高程，上层为浅层的残积物，中层为全风化花岗岩（砂粉状），下层为弱透水的基岩层，其参数选取如下表1。边坡的海水位以

5、下及部分海滩位置为自由水头边界（PressHead），其整个边坡为极端降雨作用区。采用有限元软件Geo-studio中SEEP/W渗流软件包建立数值模型，模型最上两层非规则结构采用2m边长三角形网格与四边形网格形式将边坡划割成1117个Elements，1238个Nodes，并设A、B两个监测点，如图3。图2返岭前边坡1-1’地质剖面图图3基于SEEP/W的数值模型示意图表1材料参数建议取值表[7]参数土层ρwKN/m3ρ0KN/m3CKpa残积物19.320.821.118.1°全风化19.721.026.619.5°10下层基岩25.026.04040°参数土层E

6、Mpa渗透系数m/s残积物13°150.335.0e-5全风化15°200.301.0e-5下层基岩30°5×1030.22不透水4极端降雨工况设置及渗流模型结果分析4.1极端降雨工况设置根据WMO对于极端降雨事件的划分定义，认为满足任意两个条件中的一个降雨事件便定义为极端降雨事件[8]。基于上述极端降雨定义域条件，对青岛多年降雨资料整理分析，定义日最大降雨量大于100mm，持续超过8天且日降雨量大于30mm/24h；或者连续3天降雨量超过550mm为青岛极端降雨定义域，则边坡模型极端降雨工况一采用8个降雨周期，一天作为一个降雨周期，初始极端降雨量选用30mm/24h

7、，增量为30mm/24h，到达特大暴雨结束。边坡模型极端降雨工况二采用5个降雨周期，一天作为一个降雨周期，初始极端降雨量选用30mm/24h，增量为30mm/24h，增增量为10mm，每个周期分为2个时步。考虑期间降雨量很大，导致空气湿度越大，所蒸发的降雨也越小，因此不考虑蒸发作用。同时降雨期间海平面升降对边坡稳定影响小，不予考虑。104.2渗流模型计算与结果分析运用Geo-studio软件SEEP/W分析得到初始条件和各时步孔隙水压力变化图4。图4工况一、二A、B监测点孔隙水压力变化图由图4比较可以看出，孔隙水压力工况二比工况一要更早达到同一数值，