黃土邊坡降雨入滲規(guī)律及其對穩(wěn)定性的影響

汪 勇，劉 瑾，張建忙

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

黃土邊坡降雨入滲規(guī)律及其對穩(wěn)定性的影響

汪 勇1，劉 瑾1，張建忙1

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

降雨是誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主導(dǎo)因素之一，研究降雨入滲對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響有著重要意義。以陜西富平地區(qū)某黃土邊坡為例，結(jié)合野外現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，研究了降雨入滲規(guī)律和其對穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，降雨入滲的影響范圍在邊坡淺層，深度為2～2.5 m。土體的抗剪強度參數(shù)受含水率影響較大，在雨水入滲條件下，邊坡表層的孔隙水壓力變化較大，孔隙水壓力的變化區(qū)域指示著濕潤鋒的位置。最大剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)域為濕潤鋒區(qū)域以及各級邊坡坡腳處，降雨后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)比降雨前降低了12%，顯示降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。

降雨入滲；黃土邊坡；人工降雨；數(shù)值分析；穩(wěn)定性

0 引言

邊坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程的一個重要課題。統(tǒng)計資料表明，邊坡失穩(wěn)破壞的最主要誘發(fā)因素是降雨入滲[1-2]。隨著高速公路以及鐵路的發(fā)展，降雨對邊坡的影響越來越受到重視，降雨入滲引起的非飽和土邊坡失穩(wěn)每年給國家社會造成巨大的經(jīng)濟損失[3-4]，因此對降雨入滲下的邊坡穩(wěn)定性進行研究很有必要。土質(zhì)邊坡在天然狀況下一般處于非飽和態(tài)，對于降雨條件下的非飽和土邊坡研究成為學(xué)者研究的重點。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者開展了關(guān)于降雨入滲對土質(zhì)邊坡的作用機理、影響因素與穩(wěn)定性影響的研究，研究的結(jié)果表明，邊坡穩(wěn)定性不僅與滲透系數(shù)相關(guān)，也與降雨歷時有關(guān)。在滲透過程中，非飽和帶基質(zhì)吸力與含水率的密切相關(guān)，含水率的提高導(dǎo)致孔隙水壓力升高，基質(zhì)吸力較小，土體的抗剪強度也會隨之變化，當降雨強度與降雨歷時達到一定值后，邊坡可能出現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[5-10]。常金源、李寧以Green-Ampt入滲模型為基礎(chǔ)，建立降雨條件下淺層滑坡的概念模型，既考慮了邊坡坡面傾斜的影響，也考慮了非飽和土的特性[11-12]。蔣中明等提出降雨入滲導(dǎo)致邊坡表層會出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)并形成暫態(tài)水壓力，并推導(dǎo)了邊坡潛在滑動面位于暫態(tài)飽和區(qū)與非飽和區(qū)兩種情形下的安全系數(shù)計算方法[13]。在降雨入滲過程中，耦合作用同樣影響邊坡穩(wěn)定性。李海亮等針對黃土的非均質(zhì)性開展研究，考慮滲流場與應(yīng)力場耦合作用[14]，程彬等也做了滲流場與應(yīng)力場耦合的相關(guān)工作[15]。夏元友運用水氣兩相流與應(yīng)力耦合的方法研究邊坡穩(wěn)定性[16]。

本文以陜西富平地區(qū)地質(zhì)環(huán)境下的典型黃土邊坡為研究對象，分析人工降雨入滲深度和土體含水率的變化規(guī)律，并對降雨中孔隙水壓力、最大剪應(yīng)力以及穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，為今后研究黃土邊坡失穩(wěn)及其防治提供參考依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

富平縣位于陜西省中部，屬大陸性溫帶半干旱、半濕潤氣候區(qū)，四季干濕冷暖分明。冬季氣候寒冷，干燥少雨雪；春季溫度回升快，氣候日差較大，易出現(xiàn)大風、浮塵等寒潮降溫天氣，常有春旱發(fā)生；夏季氣溫高，雨量集中，但降水時空分布不勻，常有伏旱發(fā)生；秋季較涼爽、濕潤，多連陰雨，氣溫下降較快。年降水量為520 mm左右，主要集中于夏季和秋季，分別占年降雨量的42%和31%[17]。

試驗所選邊坡位于富平縣縣城近西北方向約5 km處，在底店鄉(xiāng)底店村附近，邊坡具體平面位置圖如圖1所示。道路工程是富平縣底張二級路縣城段，項目由陜西秦正建設(shè)集團于2011年4月開始進行勘察設(shè)計并建設(shè)，富平縣公路管理局在現(xiàn)場進行監(jiān)理，于2012年12月正式竣工。

圖1 平面位置圖Figure1 Plan position

試驗所選邊坡為人工開挖邊坡，坡高18 m，邊坡分3級，單級坡高為6 m，下面兩級坡比為1∶0.75，最上面一級坡比為1∶1。

2 野外試驗與數(shù)據(jù)測定

研究采用野外現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗分析相結(jié)合的研究方法，主要分析降雨前后土體物理力學(xué)特性及降雨入滲對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

（1）野外試驗：2011年6月，由陜西秦正建設(shè)集團設(shè)計和實施野外試驗，地點在公路邊坡附近，其形態(tài)與實際邊坡類似，大小與實際邊坡比例為1∶3。按實際的坡面線進行刷坡，以保證土體在雨水入滲時有相同的密實度和含水率。降雨模擬裝置由框架式降雨器、供水桶、管線以及控制閥門等組成。利用降雨器對不同高度和不同強度下的雨滴變化進行研究，降雨高度超過2.5 m時，不同強度下的雨滴較接近。該降雨器具有較好的穩(wěn)定性，降雨分布較為均勻，可持續(xù)性好，滿足實驗要求。因此，野外試驗的降雨器在邊坡上方2.5 m處安置。根據(jù)氣象部門對降雨量等級的劃分，試驗的降雨強度等級為小到中雨，降雨量為0.008 m/h，降雨時長12 h。

（2）取樣：在降雨試驗過程中，試驗人員分組取樣，每次取完土樣后迅速用保鮮袋密封(防止水分蒸發(fā))，帶回實驗室立即進行土體物理力學(xué)試驗。取樣時間點按設(shè)計試驗方案為0（即降雨前）、2、4、6和12 h，取樣深度根據(jù)實際情況，每隔0.5 m取樣，深度到達2.5 m，每組樣重復(fù)取3次。

（3）數(shù)據(jù)測定：本實驗是在實際邊坡的旁邊進行模擬實驗，黃土的物理性質(zhì)與邊坡工程所在地的實際物理性質(zhì)相同，土體含水率測定采用烘干法，土體力學(xué)性質(zhì)測定采用抗剪試驗，儀器選用烘箱、應(yīng)變控制式直剪儀等進行了有關(guān)參數(shù)的測定，測得的含水率及抗剪強度參數(shù)作為邊坡模擬的物理力學(xué)參數(shù)，取得重復(fù)樣的平均值，具體參數(shù)見表1，然后采用GeoStudio軟件進行滲流場和應(yīng)力場耦合模擬邊坡在降雨過程中的變化情況。

表1 土樣物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Soil sample physical and mechanical parameters

3 降雨入滲規(guī)律及其對穩(wěn)定性的影響

3.1 降雨入滲規(guī)律

在降雨強度一定的情況下，降雨時間越長，土體含水率的變化越大，降雨入滲的深度也會隨之增大。對于同一深度的土層，其含水率隨入滲時間的增加而增加，且土層深度越深，含水率變化的幅度越小。從圖2中可以看出，1 m深度以上土層在入滲時間4 h內(nèi)，其含水率急劇增加，4 h后隨雨水入滲其含水率變化趨勢逐步緩慢，是由于表層土體的含水率接近飽和，基質(zhì)吸力趨近于0，雨水入滲較慢；1 m深度以下的土層，降雨時間達到6 h后含水率才出現(xiàn)緩慢增加的趨勢。

圖2 不同深度土體含水率與降雨時間的關(guān)系Figure 2 Relationship between different depth soil mass specific moisture content and rainfall time

從圖2同樣可以看出，深度為2.5 m處的土體含水率幾乎沒有隨著降雨時間的變化而變化，由此可以推斷降雨入滲的影響深度為2～2.5 m，再往下不再是降雨入滲的影響范圍，屬于邊坡淺層，降雨入滲造成的滑坡大多數(shù)也為淺層滑坡。

3.2 穩(wěn)定性影響

3.2.1 降雨入滲對土體抗剪強度的影響

土體含水率測試試驗與抗剪試驗的結(jié)果如圖3和圖4。天然結(jié)構(gòu)黃土的黏聚力C在低飽和度情況下對含水率ω的變化很敏感，當含水率從3%增加到25%時，黏聚力C從67 kPa降低到14 kPa，減少了4倍多；當含水率ω大于20%后，黏聚力C隨含水率ω的變化明顯小于20%之前。而天然黃土邊坡的內(nèi)摩擦角受降雨影響較小，當含水率從3%增加到25%時，內(nèi)摩擦角從30°降低到25°，變化范圍較小。

圖3 土體含水率與粘聚力的關(guān)系Figure 3 Relationship between soil mass specific moisture content and cohesion

圖4 土體含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系Figure 1 Relationship between soil mass specific moisture content and internal friction angle

圖5 網(wǎng)格劃分與邊界條件Figure 5 Grid division and boundary condition

3.2.2 數(shù)值模擬

3.2.2.1 模型建立

本文運用GeoStudio軟件進行模擬，結(jié)合試驗邊坡的地形特征建立建立幾何模型?？紤]到降雨滲流會引起邊坡內(nèi)應(yīng)力分布的變化，故選用該軟件中的Seep模塊、Sigma模塊以及Slope模塊，基于邊坡滲流場與應(yīng)力場的耦合分析邊坡的穩(wěn)定性。網(wǎng)格劃分采用三角形和四邊形混合的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃分2445個單元。模擬計算時只考慮自重應(yīng)力和滲透作用，模型底面邊界施加水平方向和垂直方向的位移約束，左右兩側(cè)邊界均施加水平方向的位移約束，網(wǎng)格劃分與邊界條件如圖5。在有限元分析時假設(shè)試驗區(qū)邊坡的受力及變形視為平面應(yīng)變問題，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則；模擬時考慮入滲過程，雨水入滲時邊坡的物理力學(xué)指標發(fā)生變化，并視試驗區(qū)坡體為均質(zhì)黃土，進行降雨過程中不同時間點邊坡位移、應(yīng)力的模擬對比，分析雨水入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文中考慮到滲流場與應(yīng)力場的耦合作用，在滲流過程中，體積含水量的變化會導(dǎo)致基質(zhì)吸力的變化，滲透系數(shù)與體積含水量、基質(zhì)吸力均有關(guān)系，在Seep模塊中選用Van Genuchten方法來確定滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系，從而確定滲透性函數(shù)。本次研究降雨歷時12 h，降雨強度恒定為0.008 m/h，時間步長為2 h。

3.2.2.2 模擬結(jié)果分析與評價

①孔隙水壓力分析。在本次研究時間范圍內(nèi)，入滲雨水主要集中在邊坡淺層，坡下部土層受降雨入滲影響小，因此重點對表層內(nèi)的孔隙水壓力變化進行分析。圖6為降雨時間分別為0、2 h、6 h和12 h邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的等值云圖。

從圖6中可以看出，沿高程線性變化，表層內(nèi)孔隙水壓力均為負值。在降雨前，孔隙水的變化隨著高程線均勻變化，在降雨2 h后，坡面孔隙水壓力小于零，這是因為降雨強度與飽和土滲透系數(shù)十分接近且小于土壤允許入滲的容量。而當降雨時間達到6 h后，入滲的雨水使得表層上部土體趨于飽和，孔隙水壓力迅速增大，基質(zhì)吸力逐漸消失，而孔隙水壓力變化較大區(qū)域就是降雨入滲時濕潤鋒的深度。隨著降雨的進行，濕潤鋒深度不斷增加，同一深度位置的孔隙水壓力隨時間增加而增大，濕潤鋒位置以下土層內(nèi)孔隙水壓力不變化，說明下部土層幾乎不受降雨的影響。同時也可以看出邊坡表面的孔隙水壓力等值線出現(xiàn)了一定的密度集中，邊坡上部的孔隙水壓力變化明顯大于邊坡底部。

圖6 降雨過程中坡體孔隙力壓力等值云圖（kPa）Figure 6 Slope mass pore pressure contour nephogram during rainfall process(kPa)

②最大剪應(yīng)力特征。由模擬結(jié)果可知，在自重應(yīng)力和滲流作用下，試驗區(qū)邊坡降雨前后坡體最大剪應(yīng)力隨坡體深度的增加，其應(yīng)力逐步增大。從圖7可以看出，在自重應(yīng)力與滲流作用的作用下，邊坡表層應(yīng)力等值線密集，尤其在在各級坡腳處最密，出現(xiàn)應(yīng)力集中帶。結(jié)合孔隙水壓力變化曲線分析得出的濕潤鋒位置可知，應(yīng)力密集帶出現(xiàn)在濕潤鋒深度附近，表明邊坡易發(fā)生沿濕潤鋒的淺層破壞。

③穩(wěn)定性系數(shù)的變化特征。在降雨的過程中，隨著雨水滲入，坡體內(nèi)部的土體含水率逐漸增加，導(dǎo)致抗剪強度降低，另外滲流場的作用也會降低邊坡的穩(wěn)定性。從圖7穩(wěn)定性系數(shù)變化的過程來看，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)從降雨前的1.581，在降雨過程中不斷減小，12 h后降到1.34。由圖8也可看出，在降雨過程中，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)短暫時間內(nèi)的升高，可能是由于其表層以下的含水率較低，滲透系數(shù)較小，在邊坡表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，重力增加，而之后表面形成徑流，內(nèi)部雨水逐漸滲透，穩(wěn)定性系數(shù)又逐漸降低，雖然降雨前后邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但穩(wěn)定性系數(shù)下降了18%左右，且有繼續(xù)降低的趨勢，甚至產(chǎn)生滑坡，說明降雨入滲對邊坡的穩(wěn)定性影響明顯。

圖7 降雨前后坡體應(yīng)力等值云圖（kPa）Figure 7 Slope mass stress contour nephogram before and after rainfall(kPa)

圖8 穩(wěn)定性系數(shù)與降雨時間的關(guān)系Figure 8 Relationship between stability coefficient and rainfall time

4 結(jié)論

降雨入滲對于黃土邊坡的影響較大，尤其是邊坡淺層土物理力學(xué)性質(zhì)的變化，對邊坡的穩(wěn)定性的影響較大。

（1）降雨入滲的影響深度范圍為2～2.5 m，在降雨過程前期邊坡表層土層含水率急劇增加，而后其含水量變化趨勢逐步緩慢，邊坡深部的含水率在降雨一段時間后才出現(xiàn)緩慢增加的趨勢。

（2）土體的抗剪強度參數(shù)受含水率影響較大，尤其是土體粘聚力C，含水率的變化會引起黏聚力C很大程度的變化，而內(nèi)摩擦角隨含水量的變化呈緩慢減小趨勢。

（3）在雨水入滲條件下，邊坡表層的孔隙水壓力在表層變化較大，孔隙水壓力的變化區(qū)域指示著濕潤鋒的位置。最大剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)域為濕潤鋒區(qū)域以及各級邊坡坡角處，降雨后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)比降雨前降低了12%，降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。

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Loess Slope Rainfall Influent Seepage Pattern and Its Impact on Slope Stability

Wang Yong,Liu Jin and Zhang Jianmang
(School of Earth Science and Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098)

Rainfall is one of leading factors to induce soil slope instability.Study of impact on soil slope stability from rainfall influent seepage has great significance.Taking a loess slope in Fuping area,Shaanxi as example,combined with field site tests and numerical simulation,studied rainfall influent seepage pattern and its impact on slope stability.The result has shown that the impacting extent is confined within slope superficial zone with depth 2～2.5m.Soil mass shear resistance parameters are largely impacted by specific moisture content.Under the rainfall influent seepage,slope superficial zone pore water pressure varied largely,pore water pressure variation domain indicating wetting front position.Maximum shear stress concentration regions are wetting front region and toes of slope at all levels.Slope stability coefficient after rainfall has 12%less than before rainfall,indicated larger impact on slope stability from rainfall.

rainfall influent seepage;loess slope;artificial rainfall;numerical analysis;stability

P642.22

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.10

1674-1803(2017)01-0048-05

汪勇（1993—），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，主要研究滑坡治理與生態(tài)護坡技術(shù)。

2016-07-27

責任編輯：樊小舟