地震- 降雨作用下边坡防护数值分析

马磊

（中电建路桥集团有限公司，北京100048）

1 引言

近年来，由于山体失稳导致的自然灾害频繁发生，严重威胁该地区人们的生命财产安全[1，2]。边坡高度、坡角、边坡各个土层自身的物理性质、降雨、地震、工程爆破、车辆行驶产生的振动等因素均会构成对边坡的失稳因素[3~5]，降雨和地震等自然因素均是使边坡失稳的主要原因。降雨和地震的耦合作用下的边坡稳定性研究难度，比单独降雨或地震的研究影响大。蒋清明[6]的研究认为，先降雨后地震耦合作用比先地震后降雨耦合作用对边坡稳定性影响更大。卢玉林等[7]根据极限平衡理论和浸润线的位置，研究了渗流和地震双重工况下砂土边坡的稳定性，推导出了稳定性解析式，并验证了解析式的合理性。李晓莲[8]经过分析认为，降雨和地震共同作用下边坡稳定性更差。田松何[9]等认为对边坡稳定性起到决定性作用的是地震峰值加速度大小，在降雨和地震共同作用下，对边坡稳定性造成的损伤更大。赵志敏[10]研究了降雨入渗和地震综合作用下对边坡稳定性的影响，在地震强度相同的条件下，降雨强度的增大，会使边坡内部的位移和剪切应力也随之增大，同时边坡的稳定性系数降低，降雨强度相同的条件下，随着地震烈度的增加，边坡的位移与最大剪应力逐渐增大。陶连金[11]等对汶川-九寨沟段高速公路边坡进行了降雨和降雨-地震共同作用下边坡稳定性分析，并且给出了相应的支护方案。研究表明，强降雨作用下黏土与碎石土交界面处易发生滑动且滑动面为平面型，而降雨-地震共同作用下边坡破坏范围更大且滑动面也转变为圆弧型滑动面。栾树洋等[12]的研究认为，降雨作用下，边坡的内摩擦角和黏聚力减小，地震和降雨的耦合作用会使得边坡内更加易出现拉剪破坏。

综上所述，降雨和地震共同作用下边坡极易失稳，进而导致滑坡灾害。因此，对边坡提前进行加固，可以最大限度地降低因边坡失稳破坏给人民群众可能带来的生命财产损失，基于此，本文对降雨入渗及地震作用下的边坡进行稳定性研究，并根据分析结果提出可行的边坡设计方案。

2 工程概况

霍托村位于四川省阿坝藏族羌族自治州若尔盖县，居民居住在河流山区间，人口稠密。该地区经常会有暴雨或者是持续降雨，雨季为每年的5~7 月份，年降雨量656.8mm，年均相对湿度68.8%。2017 年8 月8 日，四川省北部阿坝州九寨沟县发生7.0 级地震，距若尔盖县90km，地震最大烈度9 度，受灾8 个县，若尔盖县是其中之一。地震的破坏和影响都非常巨大，如若雨季期发生地震，会成倍增加危害，研究地区防护的预判性和有效的加固措施，可降低灾害的影响。

若尔盖县境内主要大断层是东昆仑断裂带，曾多次发生自然灾害如滑坡、地震等，是地震频发区域，若尔盖霍托村附近一带有着很厚的松散的风化层，且断层较多，地层较为松散，滑坡发生概率较高。

本文是以在若尔盖县境区域内山体边坡受到降雨和地震共同作用下的失稳防护为研究对象，同时以黑河流经的霍托村为例，研究山体滑坡的形态以及发生这种自然灾害的机理。

3 霍托村边坡稳定性防护模型

3.1 模型建立

由于霍托村附近边坡构成主要是由砂岩夹板岩、碎石土、软塑性黏土和硬塑性黏土组成，边坡地质成分比较复杂。依据霍托村边坡的岩层特征、地形地貌，建立霍托村简化的边坡三维计算模型，如图1 所示，最大高度设置为220m，横截面长度设置为400m。加抗滑桩后模型如图2 所示。各岩层材料均采用Mohr-Coulomb 屈服准则。

3.2 参数设置

受降雨入渗影响，各岩土层的物理力学参数会发生变化。以现场钻孔勘探、地质调查、室内物理力学试验对砾石土边坡做的室内降雨模型的试验结果作为依据，当岩土层含水率较大（9.91%）时，各地层基本岩体物理力学参数，如表1 所示。

图1 边坡模型及网格划分

图2 抗滑桩- 坡体模型

表1 含水率为9.91%时各地层的基本岩体物理力学参数

3.3 地震波

根据JTG B02—2013《公路工程抗震设计规范》中要求，在进行模拟中，边坡的边界条件设置分别是：边坡模型与X轴垂直的面仅约束X方向，其他方向设置为自由，边坡模型的底部为自由面，并且在该面上加载竖向的地震波，在进行地震波加载时采取加速度加载，加载的竖向地震波加速度如图3 所示，可知该段地震波加速度的峰值为0.2g，动载模拟时长为23s，在进行动载模拟时在软件中设置了四周为自由区域。

图3 地震波加速度

3.4 抗滑桩支护方案

根据边坡工程地质情况，桩的位置在坡中处在模型中为X=210m 处。依据抗滑桩设计规范，桩截面最小边宽度为b，不宜小于1.25m，另一边h为b的1.5~2 倍，桩间距设置为6~10m。根据规范设计了4 种不同的支护方案，如表2 所示。

表2 抗滑桩设计方案

4 数值计算与分析

在降雨和地质作用下，通过动荷载模拟得到的边坡模型（未加抗滑桩），边坡的X方向最大位移为0.325×10-1m，Y方向最大位移为0.0519×10-2m，边坡模型塑性区如图4 所示。在降雨-地震作用下，边坡水平位移较大，大面积的塑性区出现在坡脚处，边坡已产生破坏，即失稳，极易导致滑坡。

图4 边坡塑性区

在地震-降雨作用下，对比4 种抗滑桩设计方案对边坡的防护效果。分析4 种方案抗滑桩的模拟结果，边坡X方向位移和桩X方向位移对比如表3 所示。从表3 可以看出，与未采用抗滑桩时边坡位移相比，4 种抗滑桩设计方案对边坡的支护效果均是十分明显的，但是在这4 种方案之间它们存在很大的区别，根据边坡中间截面X处的位移可以看出，在加载的加速度为0.2g（相当于8 级烈度设防）方案3 的支护效果最好（边坡和桩水平位移最小，桩所受的剪应力最小）。

表3 不同抗滑桩设计方案结果对比

采用方案3 的抗滑桩设计，加大地震波加速度为0.3g（相当于9 级烈度设防），计算分析抗滑桩对边坡的防护效果，模拟结果如图5 所示。与地震加速度0.2g时的坡体相比（见表4），边坡的位移，桩的位移及剪力都均增大，但是增加量极小，即在0.3g的加速度作用下，边坡的防护效果仍然很好。

图5 坡体及桩位移和应力

表4 地震加速度0.2g 与0.3g 时方案3 防护效果对比

5 结论

本文基于霍托村附近边坡防护工程项目，通过对霍托村的地理位置、区域流域、气候和地质的调查，采用Flac 3D 5.0 建造了霍托村附近边坡简化三维模型，数值计算分析了降雨与地震波作用下边坡的稳定性，同时，根据工程设计方案，对不同设计方案的抗滑桩作用下边坡稳定性数值计算，对比分析了不同设计方案对边坡的防护效果。得到如下主要结论：

1）当含水率为9.91%时，边坡位移增大较为明显，X方向的最大位移为32.5cm，同时，在边坡的坡底处出现了大面积的塑性区，此时边坡已经失稳。

2）降雨+地震+抗滑桩的边坡防护，设计的4 种抗滑桩边坡防护时，边坡中间面X方向最大位移分别为4.98cm、2.19cm、0.38cm、0.122cm；而对用的桩身在X方向的最大位移分别为3.8mm、2.0mm、0.684mm 和3.13mm。4 种不同的抗滑桩的支护效果均是十分明显的，但是根据边坡中间截面X处的位移和桩身位移可以看出，方案3 的支护效果最好。

3）与0.2g（8 级烈度）时的加速度地震波时抗滑桩边坡防护相比，方案3 在0.3g（9 级烈度）的加速度动载模拟X方向位移略有增加，仅增加约为5mm，方案3 在0.3g的加速度作用下对边坡的加固效果仍然很好。因此，霍托村附近边坡防护工程设计建议采用方案3。