降雨入滲對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響

孔郁斐　宋二祥　楊軍　張龍英　施洪剛　劉劍

摘要：研究降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。采用有限元法進(jìn)行非飽和土邊坡的二維非穩(wěn)態(tài)滲流計算，考慮基質(zhì)吸作用利用極限平衡法進(jìn)行非飽和土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算，進(jìn)而通過算例計算，分析了降雨過程中及降雨之后，邊坡內(nèi)孔隙水壓分布、潛在滑裂面位置以及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況。著重分析了降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時間的影響，并特別注意分析降雨結(jié)束后的邊坡穩(wěn)定性。算例表明某些情況下邊坡安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在降雨之后的數(shù)小時或數(shù)天，而非降雨的過程中或降雨剛剛結(jié)束之時。

關(guān)鍵詞：非飽和土；降雨；降雨入滲；土坡穩(wěn)定

中圖分類號：TU 433文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2013）06001606

降雨導(dǎo)致的滑坡是一種常見的自然災(zāi)害，在廣東、廣西、云貴川等地，降雨引至的滑坡時有發(fā)生，社會影響重大。近年來我國頻繁遭遇強(qiáng)降雨等極端天氣，由此引發(fā)的滑坡災(zāi)害越來越為人們所關(guān)注。所以分析降雨影響下的邊坡穩(wěn)定性是很值得重視的課題。

通常地下水位以上的土是非飽和土，它具有異于飽和土的特殊性質(zhì)——降雨時邊坡中非飽和土的飽和度逐漸上升，與此同時土的強(qiáng)度降低、滲透性增加，邊坡變得更加危險。從20世紀(jì)開始，國際上便已展開針對非飽和土及非飽和土邊坡的分析研究[1]。已有研究涵蓋了很多方面，如非飽和土性質(zhì)、穩(wěn)態(tài)滲流條件下邊坡穩(wěn)定性分析、降雨過程中坡體內(nèi)基質(zhì)吸力分布及穩(wěn)定性的變化等。研究方法包括足尺模型試驗，縮尺模型離心機(jī)試驗、數(shù)值模擬等。實驗方面， Moriwaki等[2]、林鴻州等[3]都在足尺實驗中實現(xiàn)了邊坡的降雨型破壞，實驗結(jié)果與真實情況很接近；張建民等[4]、Ling等[5] 分別進(jìn)行過含軟弱層邊坡和長邊坡的離心機(jī)實驗，利用人工降雨讓邊坡破壞，發(fā)現(xiàn)了特殊邊坡的破壞模式和規(guī)律。數(shù)值計算方面，也有很多研究者做了很多工作，例如Ng等[6]研究了降雨量、降雨持時對邊坡穩(wěn)定性的影響，通過計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)總降雨量一定時，降雨持續(xù)時間會對降雨結(jié)束時的安全系數(shù)有顯著影響，且存在一個臨界持時，當(dāng)持時等于臨界值時土坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小。Tsaparas等[7]利用假想的邊坡分析了降雨量、降雨持時、初始水位、滲透性對降雨誘發(fā)滑坡的影響，發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)的取值對計算結(jié)果影響較大。進(jìn)行這類問題的數(shù)值計算，可采用有限元法或簡化方法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)滲流計算[89]，用極限平衡法或強(qiáng)度折減有限元法進(jìn)行邊坡穩(wěn)分析[1011]?？子綮?，等：降雨入滲對非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響

前人的研究和計算已經(jīng)覆蓋了非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析的很多方面，也曾研究過降雨過程中邊坡穩(wěn)定性的變化[12]，不過鮮有人關(guān)注雨后的情況。本文不僅考慮了降雨過程中，還分析了降雨結(jié)束后邊坡穩(wěn)定性的變化，展示了一個全過程。通過一個典型邊坡的計算發(fā)現(xiàn)：雖然降雨過程中邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，但是雨停的時刻并不一定是安全系數(shù)最低的時刻，雨后隨著雨水繼續(xù)下滲，邊坡安全系數(shù)還有可能在較長時間內(nèi)繼續(xù)減小。1非飽和土理論和邊坡穩(wěn)定分析方法

1.1非飽和土基質(zhì)吸力

土是三相體，土中水壓和氣壓分別為uw和ua。非飽和土中，uw低于ua，ua-uw被稱作基質(zhì)吸力，記作Ψ（單位：kPa）。一般若空氣相互連通，可認(rèn)為ua=0，Ψ=-uw。此時孔隙水壓為負(fù)，基質(zhì)吸力為孔隙水壓的絕對值。在飽和土中ua=uw≥0，Ψ=ua-uw=0。后文中為描述方便，在同時涉及飽和區(qū)和非飽和區(qū)時使用“孔隙水壓”一詞，非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力等于孔隙水壓的絕對值；強(qiáng)調(diào)非飽和區(qū)的變化特征時使用“基質(zhì)吸力”一詞，對應(yīng)的孔隙水壓等于基質(zhì)吸力的相反數(shù)。

基質(zhì)吸力分布或含水量分布是計算的初始條件，天然土層的吸力分布存在較大的隨機(jī)性[14]，它與土的性質(zhì)、周邊環(huán)境以及水文歷史有關(guān)，可以通過實地測量或經(jīng)驗估計來獲得[15]，也可根據(jù)長期的氣象條件，利用軟件進(jìn)行模擬給出其估計。易知，若上表面降雨量與蒸發(fā)量均為0，地下水面以上基質(zhì)吸力將呈直線分布；但自然狀態(tài)下土的基質(zhì)吸力一般有上限，霜露、植被等自然環(huán)境的影響可以使得在相當(dāng)?shù)纳疃确秶鷥?nèi)基質(zhì)吸力為常數(shù)，故通常可認(rèn)為基質(zhì)吸力在水面以上一定范圍呈直線分布，某點的基質(zhì)吸力水頭等于該點到水面的距離，到達(dá)上限后，基質(zhì)吸力與高度無關(guān)、為常數(shù)。

計算中邊界條件的選取與地質(zhì)情況、降雨量等有關(guān)。如果雨水能夠全部從上表面入滲，不產(chǎn)生地表徑流，則入滲的速度等于降雨速率，計算中上表面使用流量邊界條件（第2類邊界條件）；如果因降雨量較大或土體滲透性較小，雨水不能全部入滲，則可能產(chǎn)生地表徑流，流過的區(qū)域表面幾乎處于飽和狀態(tài)，使用水頭邊界條件（第1類邊界條件），令表面壓力水頭為0。除上述2種情況外，降雨時還可能出現(xiàn)更為復(fù)雜的情況，可酌情適當(dāng)偏于保守地簡化處理，或者進(jìn)行考慮地表徑流的更復(fù)雜的計算。

本文的滲流分析使用數(shù)值計算軟件GeoStudio 2007的地下水滲流分析模塊SEEP/W，計算1個均質(zhì)的邊坡，不考慮地表徑流，用有限元法計算滲流過程中的瞬態(tài)孔壓，進(jìn)而得出不同時刻的孔隙水壓力分布或基質(zhì)吸力分布。

1.4邊坡穩(wěn)定分析

基于滲流計算結(jié)果及土體強(qiáng)度參數(shù)可以進(jìn)行極限平衡法或強(qiáng)度折減有限元法的邊坡穩(wěn)定性計算。極限平衡法將滑體劃分為較多土條，通過靜力分析判斷邊坡的穩(wěn)定性，計算滑動力與抗滑力的比值、滑動力矩與抗滑力矩的比值得到安全系數(shù)。常用的極限平衡法包括：瑞典條分法、簡化畢肖甫法、簡布法、MorgensternPrice法（簡稱MP法）等等。本文計算中使用MP法，它是一種嚴(yán)格條分法，同時考慮了力的平衡和力矩的平衡；在建立極限平衡方程時，同時考慮土條間法向力和切向力、并建立反映二者關(guān)系的條間力函數(shù)X=Eλf（x）。力安全系數(shù)與力矩安全系數(shù)隨著條間力函數(shù)權(quán)重λ的變化而變化，MP法的安全系數(shù)位于這兩條曲線的交點，該方法適用于計算包括圓弧滑裂面在內(nèi)的任意滑裂面。2邊坡在降雨全過程中的狀態(tài)變化

3影響規(guī)律研究

3.1不同深度的滑裂面，受降雨影響程度不同

在極限平衡法計算安全系數(shù)時，可以假設(shè)無數(shù)個滑裂面（圓弧的或者任意形狀的），在一定限制條件下可以找到安全系數(shù)最小的滑裂面。由于土體的性質(zhì)隨時間改變，每個滑裂面的安全系數(shù)都在隨時間變化。含水率的增大導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度減小——對較深的滑裂面，若降雨尚未滲到滑裂面所處深度，其安全系數(shù)隨降雨持時的變化不大；而對較淺的滑裂面，雨水很快可以滲入它通過的區(qū)域，其安全系數(shù)在降雨開始后很快就降低。這里所說的“深”和“淺”并非幾何概念，而是與受降雨影響的程度有關(guān)。邊坡土體不透水的情況下，即便降雨持續(xù)很久，坡面以下幾十cm處含水率依舊保持不變；如果邊坡滲透系數(shù)較大，坡內(nèi)孔隙水壓對降雨的響應(yīng)就較快。

通過一些計算，可以總結(jié)出深層滑裂面和淺層滑裂面的安全系數(shù)變化規(guī)律。圖11是兩類滑裂面安全系數(shù)隨時間變化的示意圖。降雨開始后淺層滑裂面安全系數(shù)逐漸減小，如果降雨時間較短、降雨量小，則雨水可以很快下滲，土坡的安全系數(shù)在雨停后即可回升；如果降雨時間較長，安全系數(shù)在降雨過程中會趨于一個下限值，雨停后安全系數(shù)回升。深層滑裂面在降雨初期不會受影響，如果降雨時間較短，雨停之前該處土體還不受影響，水在雨停后繼續(xù)下滲，安全系數(shù)才逐漸減小、繼而回升；如果降雨時間較長，安全系數(shù)在雨停之前就開始減小。

3.2降雨持續(xù)時間的影響

降雨的強(qiáng)度和持續(xù)時間對邊坡穩(wěn)定性的變化趨勢也有較大的影響。如果降雨速率不變，持續(xù)時間延長，則較長時間后邊坡內(nèi)的滲流會趨于穩(wěn)態(tài)，安全系數(shù)也達(dá)到一個固定值：新的算例如圖12所示，降雨時間由基本工況下的1 d延長為3 d，降雨速率不變，2 d后安全系數(shù)趨近于1.78，并保持恒定，這是11.12 mm/h的降雨速率下本算例邊坡可能達(dá)到的最低安全系數(shù)。第72 h降雨停止后安全系數(shù)立刻反彈，不再有下降段。通過該算例和其他相關(guān)算例的計算，我們發(fā)現(xiàn)，在特定降雨強(qiáng)度下，可找到一個與之對應(yīng)的臨界持續(xù)時間，在此臨界時間之前安全系數(shù)幾乎呈線性變化，該時間點以后如果降雨速率不變，則安全系數(shù)不再繼續(xù)減小。

4結(jié)論

研究了降雨對均質(zhì)非飽和土邊坡穩(wěn)定的影響的相關(guān)理論和計算方法，結(jié)合算例計算了不同工況下降雨過程中及降雨結(jié)束后邊坡穩(wěn)定性變化，可以得到以下結(jié)論：

1）降雨強(qiáng)度和持續(xù)時間對邊坡安全系數(shù)有顯著影響。若降雨速率不變、降雨時間足夠長，安全系數(shù)會在一段時間內(nèi)持續(xù)下降，其后趨于恒定。

2）安全系數(shù)不一定在雨停的時刻達(dá)到最低點。雨停后隨著雨水繼續(xù)下滲，邊坡安全系數(shù)還有可能在數(shù)小時至數(shù)天內(nèi)繼續(xù)減小，正因如此，很多滑坡災(zāi)害發(fā)生在雨后。

3）淺層滑裂面對降雨的響應(yīng)較快，其安全系數(shù)在降雨開始后很快開始下降，降雨結(jié)束后也很快開始回升；深層滑裂面的安全系數(shù)在更長時間后才會對降雨情況的變化有所響應(yīng)。

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（編輯胡玲）