降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

趙晉乾

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

降雨(特別是暴雨或長時間的降雨)是影響邊坡的穩(wěn)定性、導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要因素,降雨入滲使得邊坡體非飽和區(qū)的含水量增大,內(nèi)聚力降低,孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力降低,出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)及暫態(tài)水壓力,基質(zhì)吸力的下降使得邊坡土體非飽和區(qū)抗剪強度降低[1],從而導(dǎo)致邊坡體強度降低,水壓力升高,最終降低邊坡的穩(wěn)定性,嚴(yán)重威脅著邊坡附近的人民的生命與財產(chǎn)安全。因此,定量分析不同降雨強度下邊坡滲流場,對客觀評價各類工程邊坡在降雨條件的穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 降雨入滲過程

降雨入滲過程是地下水隨時間與空間變化的飽和至非飽和運動過程,是水在下滲過程中不斷驅(qū)替空氣而飽和孔隙的過程[2]。雨水滲入邊坡到達(dá)潛水面經(jīng)歷了一個飽和～非飽和的滲流過程[3]，以浸潤線為界,水分的增加主要發(fā)生在界線以內(nèi),表現(xiàn)為土體由非飽和變?yōu)轱柡?。雨水入滲過程中,典型含水率分布剖面可以分為4個區(qū),即表層有一薄層為飽和帶,以下是含水率變化較大的過渡帶,其下是含水率分布較均勻的傳導(dǎo)層,以下是濕潤程度隨深度不斷增加而減小的濕潤層,該層濕度梯度越向下越陡,直到濕潤峰,詳見圖1。

圖1 降雨入滲過程中含水量剖面

雨水滲入邊坡體的強度主要取決于降雨的方式、降雨強度、降雨的持續(xù)時間、邊坡的坡度及滑體的滲水性能[4]等。

(1)如果邊坡表層土體滲透系數(shù)較大,大于外界的降雨強度,則入滲強度主要決定于外界的降雨強度,在入滲過程中邊坡表面含水率隨雨水的入滲而逐漸提高,直至達(dá)到一個穩(wěn)定值；

(2)如果邊坡表層土體的滲透系數(shù)小于外界的降雨強度,邊坡體的入滲能力就取決于邊坡巖土體的滲透系數(shù),隨著降雨時間的持續(xù),形成地表徑流。

這2種情況可能存在于降雨入滲過程的不同階段,如果在穩(wěn)定的降雨強度下,開始時降雨強度小于邊坡體的入滲能力,入滲率等于降雨強度；但經(jīng)過一定時間后,邊坡體入滲能力下降,降雨強度大于邊坡體入滲能力,此時產(chǎn)生地表徑流。

2 邊坡降雨入滲的滲流場模擬

2.1 模型概況

選取一鐵路邊坡為例,邊坡坡體形態(tài)為凹形,北東向展布,坡角約15°～45°,為一順傾向斜坡(圖2)。邊坡坡區(qū)屬低山丘陵剝蝕地貌,地表覆蓋層主要由第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Q4dl+el)黏性土夾碎石土組成,下伏三迭系中統(tǒng)(T2b)巴東組淺灰色灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r層；構(gòu)造上處于楊柳青向斜與硐村背斜之間,巖層呈單斜構(gòu)造；斜坡體上沖溝較發(fā)育。

圖2 邊坡剖面示意

2.2 模型的建立

選取該邊坡其中平行于變形方向的一個剖面來建立模型,按有限單元法計算要求,依據(jù)該邊坡具體邊界條件及精度要求來考慮網(wǎng)格的疏密程度,具體有限元網(wǎng)格剖分如圖3所示,總共有750個節(jié)點和1 450個單元。

圖3 邊坡的離散化模型

2.3 邊界條件

降雨入滲引起邊坡滲流場的變化,邊界條件如下。

(1)模型兩側(cè)：地下水位以上邊界按零流量邊界處理,地下水位以下為第一類邊界條件(Dirichlet條件)[5]即給定水頭邊界。

(2)入滲邊界：邊坡表面即入滲邊界,取為第二類邊界(Neumann邊界)即流量邊界。當(dāng)孔隙水壓力小于零時為流量邊界,反之則變?yōu)樗^邊界。如果降雨強度小于表層土體滲透性,按流量邊界處理,其數(shù)值等于降雨強度,如果降雨強度大于表層土體滲透性,一部分雨水沿坡面流失,會在坡面形成一薄層水膜,此時可按給定水頭邊界處理。由于水膜很薄,計算中取水頭值等于地表高程。

(3)模型底面：假設(shè)為不透水邊界。

2.4 參數(shù)的選取

滲流場的有限元模擬用到的參數(shù)主要是滲透系數(shù)函數(shù)和土水特征曲線[6],土水特征曲線表明有多少水由于基質(zhì)吸力克服重力而被保持在土壤中,反映了土體的持水能力,而非飽和滲透系數(shù)函數(shù)則反映土體在非飽和區(qū)導(dǎo)水的快慢[5]。這兩個參數(shù)是表述土體非飽和滲流特性的重要參數(shù)。邊坡的非飽和滲透系數(shù)通過現(xiàn)場坑測得到,粉質(zhì)黏土夾碎石的滲透系數(shù)Ksat=2.4×10-4m/s,通過室內(nèi)試驗得到粉質(zhì)黏土夾碎石的含水量為20%。模型所涉及土層的滲透性函數(shù),土水特征曲線采用間接方法(利用少量的試驗數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型)來獲得。如圖4、圖5所示。

圖4 土體的滲透函數(shù)和土水特征曲線

圖5 基巖的滲透函數(shù)和土水特征曲線

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

雨水滲入邊坡體的強度主要取決于降雨的方式、降雨強度、降雨的持續(xù)時間、邊坡的坡度及邊坡巖土體的滲水性能等[7]。本文主要從降雨強度分析降雨入滲對邊坡滲流場的影響,根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料,發(fā)生暴雨時,選取降雨強度為3.6 mm/h和18 mm/h作為計算邊界條件,小于邊坡的入滲能力。由降雨相關(guān)統(tǒng)計資料可知,日降雨量是降雨集中在4～6 h內(nèi),本文選取降雨持時6 h進(jìn)行分析。采用geo-studio有限元軟件對本模型在假設(shè)的邊界條件下進(jìn)行滲流場模擬,確定不同降雨強度在降雨持時6 h的孔隙水壓力等值線圖,如圖6、圖7所示。

圖6 降雨強度為3.6 mm/h在降雨時間t=6 h的孔隙水壓力等值線(單位：kPa)

圖7 降雨強度為18 mm/h在降雨時間t=6 h的孔隙水壓力等值線(單位：kPa)

從圖6和圖7得知,在相同的降雨時間內(nèi),隨著降雨強度的加大,一方面覆蓋層含水量增大,浸潤線上升,非飽和區(qū)越?。涣硪环矫骘柡蛥^(qū)水流速度越大,其向下伏基巖滲透速率與滲透強度都逐漸激增,導(dǎo)致覆蓋層與基巖的孔隙水壓力增加與抗剪強度降低,使邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸向臨界狀態(tài)、欠穩(wěn)定狀態(tài)演化,最終導(dǎo)致邊坡加劇失穩(wěn)。

3 邊坡降雨入滲的穩(wěn)定性分析

采用非飽和土抗剪強度理論,將以上計算的孔隙水壓力等值線圖導(dǎo)入改進(jìn)的極限平衡法[8]進(jìn)行穩(wěn)定性計算,其中,覆蓋層的黏聚力c=25 kPa,內(nèi)摩擦角φ=12°,天然重度γ=20.5 kN/m3,飽和重度γsat=20.8 kN/m3,其計算結(jié)果見表1。

表1 不同降雨強度下的穩(wěn)定性系數(shù)(t=6 h)

在邊坡穩(wěn)定性計算中,一般選取安全系數(shù)1.15作為臨界安全系數(shù),安全系數(shù)大于1.15的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),小于1.15的邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。從表1數(shù)據(jù)得知,天然狀態(tài)下,該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨強度為3.6 mm/h時,降雨持續(xù)6 h邊坡安全系數(shù)在1.15附近,處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨強度為18 mm/h時,降雨持續(xù)6 h安全系數(shù)小于1.15,邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài),產(chǎn)生塑性變形與滑動。邊坡趨于不穩(wěn)定。降雨強度越大,歷時越長,安全系數(shù)降低幅度越大。

4 結(jié)論

降雨強度是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素之一。邊坡在降雨強度為3.6 mm/h工況下的安全系數(shù)較天然工況下降低了0.33,在降雨強度為18 mm/h工況下的安全系數(shù)較降雨強度為3.6 mm/h工況下降低了0.21。非飽和巖土體的邊坡在雨水入滲的情況下,隨著降雨強度的加大,一方面覆蓋層含水量增大,浸潤線上升,非飽和區(qū)越小,巖土體的重度增加,加大邊坡的下滑力；另一方面孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力減小,抗剪強度又因含水率增加而急劇下降,邊坡的抗滑力下降,兩方面的共同作用使邊坡安全系數(shù)也隨之減小,進(jìn)而誘導(dǎo)邊坡發(fā)生塑性變形。當(dāng)降雨持續(xù)到一定時間時,處于臨界狀態(tài)的邊坡產(chǎn)生滑動或蠕滑。

[1] 莫偉偉.庫水位漲落及降雨條件下庫岸邊坡水巖作用及穩(wěn)定性分析[D].武漢:長江科學(xué)院，2007.

[2] 榮 冠,張 偉,周創(chuàng)兵.降雨入滲條件下邊坡巖體飽和非飽和滲流計算[J].巖土力學(xué),2004,26(10):1545-1549.

[3] 戚國慶.降雨誘發(fā)邊坡機理及其評價方法研究[D].成都：成都理工大學(xué),2004．

[4] D.G Fredlund,H.Rahardjo合著.非飽和土土力學(xué)[M].陳仲頤，等，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[5] 劉艷華,龔壁衛(wèi),蘇鴻.非飽和土的土水特征曲線研究[J].工程勘察，2002(3)：8-11.

[6] 陳浩等.GeoStudio軟件在土坡飽和—非飽和滲流分析中的應(yīng)用[J].四川建筑，2008，28(6).

[7] 帥紅巖.三峽庫區(qū)曬鹽壩邊坡在暴雨和庫水位下降條件下穩(wěn)定性影響分析[D].成都：成都理工大學(xué),2010.

[8] 毛昶熙,李吉慶,段祥寶.滲流作用下土坡圓弧滑動有限元計算[J].巖土工程學(xué)報,2001(11):659-665.