降雨入滲作用下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

縱 崗，梅 嶺，姜朋明，陳小健 （江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

降雨是一種常見的天氣現(xiàn)象，也是眾多邊坡工程事故的重要誘發(fā)因素。降雨導(dǎo)致土體內(nèi)部的孔隙水壓力發(fā)生變化，基質(zhì)吸力減小，土體的抗剪強度降低發(fā)生滑坡事故。不同的降雨強度和降雨歷時對邊坡穩(wěn)定性的影響程度也不同，因此研究各種雨況下的邊坡穩(wěn)定性十分必要。西南地區(qū)作為我國滑坡事故的常發(fā)地帶，針對該地區(qū)的降雨特點，筆者對降雨入滲作用下的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行了研究，以便為滑坡的預(yù)防和治理提供參考??江蘇科技大學(xué)研究生創(chuàng)新計劃資助項目 （2012－35）。。

1 飽和－非飽和滲流理論

在降雨條件下的邊坡滲流場的分析中，雨水的流動是典型的二維飽和－非飽和問題，達西定律仍然適用其滲流規(guī)律的描述。土體內(nèi)非飽和－飽和滲流的控制方程形式為［1－4］：

式中，h為總水頭，m；kx和ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)，m／s；w為含水層中流入或流出的水量，m3／s；mw為比水容量，m3／kg；ρw為水的密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；t為時間，h。

水頭邊界條件如下：

式中，k為總的滲透系數(shù)，m／s；n為水流外法線的方向向量。流量邊界條件如下：

式中，q為邊界上的流量，m3／s；Γ1、Γ2分別為水頭邊界和流量邊界的定解函數(shù)。初始條件為：

式中，h0為開始時刻的水頭，m；Ω為水體流過的區(qū)域，m2。所使用的土水特征曲線模型為V－G數(shù)學(xué)模型［5］：

式中：a、b、n 分別為擬合參數(shù)，k Pa；ψ 為基質(zhì)吸力；θ為體積含水量；θs為飽和體積含水量；θr為殘余體積含水量；Se為飽和度。

該模型的土－水特征曲線如圖1所示。

2 非飽和土的抗剪強度理論

非飽和土的抗剪強度隨著土體含水量的變化而變化，其計算公式如下［4］：

圖1 土體吸濕過程中土 －水特征曲線圖

式中，τf為非飽和土的抗剪強度，k Pa；c′為有效粘聚力，k Pa；φ′為有效內(nèi)摩擦角，（°）；σ為總應(yīng)力，kPa；ua為孔隙氣壓力，k Pa；uw為孔隙水壓力，k Pa；x為與飽和度有關(guān)的參數(shù)。

由于基質(zhì)吸力的方向和有效應(yīng)力的方向不一致，因而在計算摩擦力時不能簡單疊加。為此，以正應(yīng)力與基質(zhì)吸力作為變量對非飽和土的式（2）進行了如下修改［6］：

式中，τf為非飽和土的抗剪強度，k Pa；φb為與基質(zhì)吸力有關(guān)的內(nèi)摩擦角，（°）。

3 建立模型和確定計算方案

以某一均質(zhì)邊坡作為研究對象，邊坡尺寸及網(wǎng)格劃分模型分別如圖2和圖3所示，采用ABAQUS有限元軟件進行模擬分析。邊坡的基本參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡土體基本參數(shù)表

圖2 邊坡尺寸圖 （單位：m）

圖3 計算網(wǎng)格模型圖

4 影響土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素分析

4．1 降雨強度

圖5所示為不同降雨強度下邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時的變化圖。由圖5可以看出，降雨歷時一定時，隨著降雨強度的增加，邊坡的安全系數(shù)隨之減??；降雨強度越大，在相同的降雨時間內(nèi)安全系數(shù)的降低幅度越大。這是因為在降雨強度小于土體入滲強度的情況下，降雨強度越大，雨水入滲量越多，基質(zhì)吸力減小導(dǎo)致坡體安全性降低［7］。

4．2 降雨歷時

圖6所示為邊坡在不同降雨歷時條件下坡肩孔隙水壓力隨高程變化圖。從圖6可以看出，與降雨前相比，雨后邊坡的孔隙水壓力上升幅度大致相同；隨著降雨歷時的增加，孔隙水壓力增加較小，其主要原因是降雨強度不變且相對較小，雨量增加且全部滲入土體，沒有在邊坡上部區(qū)域形成暫態(tài)飽和區(qū)，所以孔隙水壓力變化較為均勻。

圖7所示為不同降雨歷時條件下邊坡安全系數(shù)變化圖。從圖7可以看出，當降雨強度不變時，邊坡安全系數(shù)隨著降雨持續(xù)時間的增加而不斷減小。在開始的12h內(nèi)，邊坡安全系數(shù)降低幅度最大，之后邊坡安全系數(shù)降低幅度明顯變緩。這是因為在降雨初期，土體的入滲能力大，雨水基本上全部滲入，隨著入滲量的增加，土體的入滲能力減小，使土體含水量增加的趨勢減慢，從而導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低幅度變緩。

4．3 前期降雨過程

圖5 邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時變化圖

圖6 不同降雨歷時下孔隙水壓力隨高程變化圖

不同前期降雨過程會對后期降雨入滲產(chǎn)生重要影響，這種影響主要體現(xiàn)在導(dǎo)致后期降雨初始條件的含水量發(fā)生變化 （或初始壓力水頭分布不同），所以考慮前期降雨的影響就相當于考慮不同的邊坡初始含水量對降雨入滲的影響。為了解前期降雨對后期的影響，將前期的降雨過程進行了簡化處理，取前期降雨強度為10mm／h，持續(xù)時長為12h。

圖8所示為邊坡安全系數(shù)和前后期降雨時間間隔的關(guān)系，從圖8可以看出，隨著降雨時間間隔的增大，邊坡安全系數(shù)隨之下降。當時間間隔為18d時，安全系數(shù)降低到最小值，然后隨著時間間隔的增加，邊坡安全系數(shù)隨之增加。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：前期降雨結(jié)束后，邊坡土體內(nèi)非飽和區(qū)的含水量增大，非飽和滲透系數(shù)隨著含水量的增大而增大，將此狀態(tài)作為后期降雨的初始狀態(tài)求解降雨入滲非飽和滲流問題時，邊坡的實際入滲能力較沒有前期降雨的情況下大的多。在前期降雨條件下的初期，雨水實際入滲量考慮前期降雨的較多。隨著時間的推移，土壤水逐漸下滲，抵達浸潤面后從飽和區(qū)流出，非飽和區(qū)含水量逐漸減少，飽和度降低，前期降雨的影響也逐漸減小。

圖7 邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時變化圖

圖8 邊坡安全系數(shù)隨降雨時間間隔變化圖

4．4 土體滲透特性

土體的滲透特性會直接影響到水分的入滲速度。在相同邊界條件和降雨條件下，對于非飽和、非穩(wěn)定滲流而言，不同滲流速度必然會導(dǎo)致瞬時滲流場分布的不同［8］。所以土體的滲透性對降雨條件下非飽和滲流場分布的影響起著十分重要的作用，從而也對邊坡的穩(wěn)定性影響起著關(guān)鍵作用。

圖9所示為不同滲透系數(shù)條件下邊坡安全系數(shù)與降雨歷時關(guān)系圖。從圖9可以看出，在降雨歷時相同時，土體滲透系數(shù)越大，邊坡安全系數(shù)也越大。在降雨結(jié)束時，滲透系數(shù)越小，邊坡安全系數(shù)下降幅度越大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：當滲透系數(shù)大于降雨強度時，邊坡的實際入滲的降雨量是由降雨強度來確定的。土體的滲透能力比較強，雨水全部滲入土體，并且通過土體滲入到較深部位的飽和區(qū)，并不會在淺部土體停留形成暫態(tài)的飽和區(qū)，對上部土體的孔隙水壓力幾乎不會造成太大的影響，上部土體的基質(zhì)吸力幾乎沒有減小，仍保持原有的土體狀態(tài)。滲入到飽和區(qū)的雨水會導(dǎo)致地下水位面的升高或者通過飽和區(qū)流走，在這種情況下邊坡安全系數(shù)有所下降但幅度不大；當滲透系數(shù)小于降雨強度時，邊坡的實際入滲雨量則由土體的滲透特性來決定，此時降雨強度相對較大，土體上部的雨水來不及下滲，會導(dǎo)致上部土體快速接近飽和，上部土體基質(zhì)吸力減小，土體的抗剪強度降低，穩(wěn)定性降低的較快，因而在滲透系數(shù)相對較小的情況下，邊坡安全系數(shù)的下降幅度更大。

4．5 降雨類型

圖10所示為不同降雨類型條件下孔隙水壓力隨高程變化圖。從圖10可以看出，在短時強降雨條件下，表層的土體接近飽和狀態(tài)，其主要原因是此時的降雨強度大于土體的飽和滲透系數(shù)，水分在邊坡內(nèi)部的運移很慢，在邊坡的上部形成暫態(tài)飽和區(qū)。在長時弱降雨條件下，上部土體遠遠沒有達到飽和，只是影響深度加大，也就是說如果一旦發(fā)生土體滑坡，長時弱降雨條件下的滑坡危害性會更大。

圖9 不同滲透系數(shù)條件下邊坡安全系數(shù)與降雨歷時關(guān)系圖

圖10 不同降雨類型條件下孔隙水壓力隨高程變化圖

5 結(jié) 論

（1）邊坡的安全性隨著降雨強度和降雨歷時增加而不斷降低。

（2）前期降雨過程通過改變后期降雨的初始含水量來間接影響邊坡的穩(wěn)定性，并隨著降雨時間間隔的增長呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。

（3）土體滲透特性對邊坡穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用，土體滲透系數(shù)越大，邊坡安全性能也隨之增強。

（4）與短時強降雨相比，長時弱降雨對邊坡的危害程度更大。

［1］吳夢喜，高蓮士 ．飽和－非飽和土體非穩(wěn)定滲流數(shù)值分析 ［J］．水利學(xué)報，1999，30（12）：38－43．

［2］毛昶熙，段祥寶，李祖貽 ．滲流數(shù)值計算與程序應(yīng)用 ［M］．南京：河海大學(xué)出版社，1999．

［3］顧慰慈 ．滲流計算原理及應(yīng)用 ［M］．北京：中國建材工業(yè)出版社，2000．

［4］吳林高，繆俊發(fā)，張瑞，等 ．滲流力學(xué) ［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，1996．

［5］朱軍，劉光延，陸述遠 ．飽和非飽和三維多孔介質(zhì)非穩(wěn)定滲流分析 ［J］．武漢大學(xué)學(xué)報 （工學(xué)版），2001，34（3）：5－8，26．

［6］趙慧麗，馬易魯，牛紅凱 ．非飽和土抗剪強度研究方法的探討 ［J］．巖土工程技術(shù)，2001（3）：142－145．

［7］陳祖煜 ．土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析 ［M］．北京：中國水利水電出版社，2003．