海南台风强降雨对边坡稳定性的影响及防治★

蒋必凤，凌 毅，开潘栋

(1.三亚学院，海南 三亚 572022；2.海南阳光鑫海发展有限公司，海南 三亚 572000)

0 引言

我国多数地区会受到台风不同程度的影响，且在夏秋季最为显著。台风发生往往伴随着强风、暴雨和风暴潮，是造成边坡失稳和破坏的最主要、最常见的环境因素。台风引起的滑坡往往是毫无前兆的、突发的，对于人民人身安全和经济发展有着严重的威胁。海南台风暴雨雨量约占台风降水的90%以上,因此对台风暴雨的研究显得更为重要[1]。台风强降雨造成边坡土体含水率短期内迅速提高、内部孔隙水压力骤增、基质吸力降低；同时地下水位受降雨影响升高，顺着边坡方向，土体的渗透压力增加，形成高强度的地表径流；并且持续性降雨使得表层土体泥化、软化、抗剪强度大幅度降低，进而边坡发生失稳破坏。

熊茂东等[2]认为短时间的超强度降雨仅使边坡表面发生冲刷，而长时间的中等强度降雨可导致边坡发生大范围滑坡。张石等[3]认为雨强峰值出现越早或次数越少，湿润锋入渗深度越深；雨强峰值出现越早或次数越多，边坡稳定性越差；前峰雨是所有雨型中最危险的雨型。郁舒阳等[4]认为,降雨期间边坡表面体积含水率增大至饱和,孔压趋向于0,停雨后边坡上部体积含水率及孔压逐渐减小。任佳等[5]认为降雨模式对土质边坡降雨入渗规律和稳定性有显著的影响,其中减弱型降雨模式对土质边坡内孔隙水压力的变化影响最大。沈佳等[6]认为台风暴雨型滑坡位移演化过程分为压缩沉降微变形阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段,加速变形直至失稳阶段,破坏迅速,具有突发性,曲线呈非线性。徐雷[7]针对台风降雨对边坡稳定性的破坏，提出了削坡卸载、锚索固脚、框格锚杆等具体措施。李世贵等[8]提出了减重压脚法不仅可以节约造价、缩短工期，还可以达到永久治理的效果。台风强降雨会造成不同程度的边坡失稳，因此对边坡稳定性预测及有效地提前预防治理非常重要。

1 海南地区台风强降雨引起的边坡地质灾害分析

海南属热带季风海洋性气候，夏秋两季，热带气旋发生频次高，根据1949年—2020年海南省热带气旋登录频次统计，热带气旋共登录海南岛173次，年平均登录频数约为2次～3次。海南年平均雨量超过1 600 mm，东部多雨区甚至达到2 200 mm以上，其中也包括受热带气旋影响带来的持续性降雨。2021年10月，在热带气旋“狮子山”“圆规”的侵袭下，海南经历了长达半个多月的持续性降雨，降雨量达到300 mm以上，部分地区甚至达到了500 mm以上。

边坡突发地质灾害主要集中于夏秋季节热带气旋、强对流极端天气等带来的强降雨期中后期，具有集中群发性、累积性及相对滞后性等特点。如2014年，海南省昌江县霸王岭林区受强热带气旋“威马逊”和“海鸥”的影响和期间持续性强降雨的影响，在林区内共发生大小滑坡约75处，主要集中于盘山公路两侧，对上山通道造成了严重堵塞并对救援造成了阻碍。截至2022年3月，经专家认定、按程序纳入省级地质灾害隐患数据库的隐患点共有172处，共威胁人口3 364人，威胁资产24 455万元。其中，崩塌137处，滑坡24处，泥石流10处，地面塌陷1处。地质灾害隐患点主要分布在海南中部、南部、东南部山地丘陵地区，主要集中在琼中、五指山、保亭、昌江、白沙、三亚、琼海、万宁、陵水等9个市县[9]。

2 基于Geo-Studio的台风强降雨对边坡稳定性模拟及治理分析

2.1 模型的建立和参数设定

本计算模型以海南地区自然地理状况和地形地貌为背景，结合海南地区台风强降雨诱发边坡失稳的特征，选取合适的数值，利用Geo-Studio构建计算模型。

1)计算模型。

计算模型为二元结构，分为上下两层，上层为砖红壤，下层为强风化花岗岩。为分析植被对边坡的影响，设置对比实验，一种为无植被边坡，一种为植被边坡。计算模型如图1,图2所示。

2)模型参数与材料参数。

根据相关地质资料和文献[10-11]进行材料和模型参数的选择，选取的材料模型为Mohr-Coulomb模型。模型参数与材料参数如表1,表2所示。

表1 模型参数

表2 材料参数

2.2 初始条件

1)海南地区台风暴雨历时一般为3 d～15 d，降雨量一般大于300 mm，并且受到地形地貌、气候环境、人为因素等的影响，具有历时长、范围广、雨量大、突发性强等特点。根据以往几次台风期间降雨情况，设计总降雨量为300 mm，降雨历时为2 d。

2)模型左侧边界为3 m，右侧边界为1 m。

3)滑移面设为从左到右。

4)模型底面设为不透水边界。

2.3 工况选取

为研究台风强降雨过程对自然边坡稳定性的影响，设置降雨前、中、后三种工况，通过定义初始水位和边界条件模拟降雨，分植被边坡和无植被边坡进行讨论降雨、植物根系对边坡的作用。为了增强边坡的稳定性，设置抗滑桩、压脚、消方减载工况，模拟相关工程措施，求解计算模型的边坡稳定性安全系数。

本文设置六种工况进行稳定性分析，如表3所示。

表3 工况选择表

2.4 软件的选择

本文选用连续分析法软件Geo-Studio，通过SLOPE/W,SEEP/W两个模块进行分析。SEEP/W模块主要通过渗流有限元计算来分析边坡渗流场的浸润线位置及地下水位的边坡。SLOPE/W模块可以调用SEEP/W模块的渗流分析结果通过多种极限平衡法求解边坡稳定性安全系数。

2.5 计算结果分析

1)降雨过程对边坡稳定性的影响分析。

通过数值模拟软件Geo-Studio模拟降雨前、降雨中、降雨后的无植被边坡和植被边坡的稳定性，临界滑移面和安全系数如图3～图8所示。

降雨前、降雨中、降雨后工况的边坡稳定性系数如表4所示。

表4 降雨前、中、后工况边坡稳定系数表

从图3，图4并结合表4可以看出，在只考虑自然状况地下水稳态渗流的条件下，植被边坡的稳定性系数为1.604，明显高于无植被边坡的稳定性系数1.376。由此可见，植物根系对边坡的稳定性起着较为明显的作用。

从图5，图6并结合表4可以看出，在考虑地下水稳态渗流并考虑降雨持续一段时间的条件下，植被边坡的稳定性系数为1.509，同样明显高于无植被边坡的稳定性系数1.334，并且降雨过程中植被边坡稳定性系数仍然高于降雨前的无植被边坡。但是，相比于降雨前，降雨过程中植被边坡的稳定性系数降低了0.095，无植被边坡的稳定性系数下降了0.042，随着降雨的持续，植被边坡稳定性系数降低较多，表明降雨过程中根系对边坡的稳定性有一定的负作用。

从图7，图8并结合表4可以看出，降雨停止后，植被边坡的稳定性系数为1.552，同样明显高于无植被边坡的稳定性系数1.348。相对于降雨过程中边坡的稳定性系数，降雨后的植被边坡和无植被边坡的稳定性系数都有所提高，但低于降雨前的稳定性系数。降雨停止后，植被边坡的稳定性系数比降雨前降低了0.052，无植被边坡的稳定性系数降低了0.028。同样表明，降雨中植物根系对边坡的稳定性有一定的负作用。

2)不同治理措施对边坡稳定性的影响。

通过数值模拟软件Geo-studio模拟设置抗滑桩、压脚、削方减载治理方式下无植被边坡和植被边坡的稳定性，并计算其安全系数，如图9～图14所示。

不同边坡治理方式下，边坡的稳定性系数如表5所示。

表5 不同治理方式下边坡稳定系数表

从图9，图10并结合表5可以看出，只考虑自然状况地下水稳态渗流、不考虑降雨的条件下，采取模拟工程措施打入抗滑桩，设置点荷载，植被边坡稳定性高于无植被边坡。相对于没有采取治理措施的降雨前的自然状态边坡，无植被边坡和植被边坡的稳定性系数均有所上升，植被边坡提升了0.006，无植被边坡提升了0.005，提升较小，效果不强，可以进一步研究抗滑桩性能和埋入深度的影响从而提高安全系数提升空间。

从图11，图12并结合表5可以看出，在只考虑自然状况地下水稳态渗流、不考虑降雨的条件下，采取模拟工程措施压脚工程，设置点荷载，植被边坡稳定性高于无植被边坡。相对于没有采取治理措施的降雨前的自然状态边坡，无植被边坡和植被边坡的稳定性系数均有所上升，植被边坡提升了0.216，无植被边坡提升了0.069，比抗滑桩治理方式提升较多，并且压脚工程施工方便，操作简单，可以适用于大多数隐患点。

从图13，图14并结合表5可以看出，在只考虑自然状况地下水稳态渗流、不考虑降雨的条件下，采取模拟工程措施削方减载，能够降低滑动力，减缓滑坡移动。植被边坡稳定性高于无植被边坡。相对于没有采取治理措施的降雨前的自然状态边坡，无植被边坡和植被边坡的稳定性系数均有所上升，植被边坡提升了0.424，无植被边坡提升了0.397。相对于其他两种工程治理措施而言，提升效果最明显，对于重大隐患点并且坡度较陡时，可以采用该种方法来有效提升边坡的安全系数。

3 结论

从时间上来看，台风期间的边坡安全系数排序为：雨前>雨后>雨中，在持续性降雨过程中，随着时间的推移，降雨雨水会逐渐渗入边坡，边坡的安全系数会随之逐渐下降，降雨结束后，一部分入渗的水和径流的水会随着时间的推移逐渐散失，边坡的抗滑力也得以恢复，最终趋于稳定。这也是为什么台风强降雨过程中往往会发生滑坡等各种地质灾害的原因。

从边坡类型上来看，在仅考虑根-土复合体材料相关参数的情况下，对比两组数值模拟数据，分析其边坡渗流和稳定性安全系数，可以得知植被边坡较天然状态下边坡来说护坡效果更好、更加稳定。

从边坡防治措施上来看，压脚工程，加固荷载(抗滑桩)，削方减载工程等都会在不同程度上提高边坡的稳定性，其中削方减载对边坡稳定性的提升最明显，但工程实施难度也较大，可以进行更深一步的研究，将理论和实际工程应用相结合，探索治理边坡失稳的最佳处理方式。