降雨入滲對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響

王一兆，隋耀華

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010)

降雨入滲對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響

王一兆，隋耀華

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510010)

為研究降雨入滲對邊坡淺層滑動面穩(wěn)定性的影響，基于非飽和滲流理論，分析淺層滑動面在降雨期和停雨期的滲透系數(shù)和孔隙水壓力，得出了邊坡淺層滑動面穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：降雨期間，坡腳處孔隙水壓力增大至飽和，坡頂處孔隙水壓力持續(xù)增大接近飽和，停雨后坡頂處孔隙水壓力降幅大于坡腳處；降雨前期各滑動面穩(wěn)定性均持續(xù)減小，降雨后期坡頂滑動面安全系數(shù)趨于收斂，但坡腳滑動面安全系數(shù)仍持續(xù)減??；停雨后淺層滑動面安全系數(shù)均增大，深層滑動面則呈波動狀態(tài)。

降雨入滲;邊坡穩(wěn)定性;非飽和滲流;非飽和土;安全系數(shù)

1 研究背景

我國作為地質(zhì)災害多發(fā)的國家，山體滑坡經(jīng)常發(fā)生于降雨期間，且坡腳處淺層滑動面較為多發(fā)。前期降雨對邊坡穩(wěn)定降雨閾值和不同土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性均有顯著影響[1-2]。降雨入滲對軟巖邊坡的失穩(wěn)影響主要表現(xiàn)為初期的表層局部分層垮塌和后期的整體滑移[3]。降雨對厚覆蓋層邊坡的滲流影響表現(xiàn)為暫態(tài)飽和區(qū)先形成在坡腳及各級臺階處，再向邊坡坡面擴散，停雨后則順序相反[4]。降雨對邊坡失穩(wěn)影響的模型試驗表明高強度降雨易使邊坡產(chǎn)生流滑破壞，低強度降雨易使邊坡深層土體孔隙水壓力增大而導致較大規(guī)模的滑動型破壞[5]。降雨和蒸發(fā)對邊坡表層滑動穩(wěn)定性影響較大，對深層滑動穩(wěn)定性影響較小，降雨過程邊坡的臨界滑動面由深向淺轉(zhuǎn)變，而蒸發(fā)過程則相反[6]。

本文以均勻土質(zhì)邊坡為例，基于非飽和滲流理論，分析非飽和土邊坡內(nèi)滲透系數(shù)與孔隙水壓力的變化，運用Morgenstern-Price方法研究降雨條件下的淺層邊坡穩(wěn)定性。

2 非飽和滲流理論

2.1 非飽和滲流計算

非飽和滲流計算的控制性方程為

(1)

土-水特征曲線常用Fredlund&Xing模型[7]，其表達式為

(2)

(3)

式中：θW為體積含水率；θs為飽和體積含水率；e為自然底數(shù)；m為與殘余含水率相關的參數(shù)；n為與土-水特征曲線拐點段斜率相關的參數(shù)；a為體積含水量函數(shù)的拐點對應的基質(zhì)吸力，約為土中空氣進入值；ψ為基質(zhì)吸力；ψr為殘余含水率對應的基質(zhì)吸力。

2.2 計算模型及邊界條件

圖1 計算模型Fig.1 Numerical model of slope

以廣州市蘿崗區(qū)某均勻土質(zhì)邊坡為例進行計算，坡高16m，分為2級，設置1級寬為2m的平臺。為了減小邊界條件對計算結(jié)果的影響，將坡腳和坡頂?shù)姆秶M行延伸，模型如圖1所示。滲流計算模型的邊界條件如下：在模型兩側(cè)，地下水位以下為定水頭邊界，地下水位以上為零流量邊界；左右兩側(cè)總水頭分別為10m和25m；底部為不透水邊界。

本文的降雨模擬邊界條件如下：坡頂、坡底及斜坡面均為降雨入滲邊界；研究分析時間共15d，其中降雨持續(xù)時間為10d，日均降雨量為50mm；停雨時間為5d。日均降雨量、累計降雨量和時間的關系如圖2所示。

圖2 降雨量與時間關系曲線Fig.2 Curves of rainfall vs. time

根據(jù)邊坡土體的類型，土-水特征曲線采用了GeoStudio軟件中SEEP/W滲流分析模塊的典型樣本函數(shù)，如圖3(a)所示；滲透系數(shù)函數(shù)基于Fredlund&Xing模型并根據(jù)土-水特征的樣本函數(shù)及飽和滲透系數(shù)計算獲得，如圖3(b)所示。

圖3 土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)Fig.3 Soil-water characteristic curve and function of permeability coefficient

邊坡為均質(zhì)土體，物理力學參數(shù)見表1。表中γsat為飽和重度；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；ksat為飽和滲透系數(shù)；φb為由基質(zhì)吸力對抗剪強度貢獻的摩擦角，其為基質(zhì)吸力的函數(shù)，本文假定為常數(shù)。

表1 邊坡土體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

3 非飽和土邊坡穩(wěn)定性分析

抗剪強度采用Fredlund等[8]提出的非飽和強度公式，其表達式為

τ=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uW)tanφb。

(4)

式中：τ為非飽和土抗剪強度；σn為傳統(tǒng)的法向應力；c′和φ′為傳統(tǒng)的有效應力強度參數(shù)；ua為孔隙氣壓力，認為孔隙氣壓力值為大氣壓力；uW為孔隙水壓力；本文中(σn-ua)為法向應力；(ua-uW)為基質(zhì)吸力。

使用GeoStudio軟件的SEEP/W滲流分析模塊計算邊坡的非飽和瞬態(tài)滲流場，獲得降雨期邊坡瞬態(tài)滲流結(jié)果，將各階段孔隙水壓力分布的結(jié)果導入SLOPE/W模塊中計算邊坡穩(wěn)定性。邊坡穩(wěn)定計算采用Morgenstern-Price法，淺層滑動面由人工指定，最危險滑動面由程序自動搜索確定。

4 計算結(jié)果分析

為獲得邊坡不同位置的淺層穩(wěn)定性在降雨過程及停雨后的變化規(guī)律，對比分析各滑動面典型位置的滲透系數(shù)、孔隙水壓力和滑動面的安全系數(shù)。各滑動面位置如圖4所示。為便于分析各滑動面的滲流場，在坡頂、坡底和坡體深部的滑動面中部繪制相應的縱向剖面。

圖4 各滑動面及其典型剖面Fig.4 Slip surfaces and typical section

4.1 降雨入滲對滲透性的影響

圖5 不同位置的滲透系數(shù)Fig.5 Permeability coefficients at different sections

不同位置的滲透系數(shù)見圖5。坡頂淺層滑動面典型剖面的滲透系數(shù)如圖5(a)所示。在降雨期，隨著入滲的持續(xù)，土體淺層的滲透系數(shù)持續(xù)增加，下部土層滲透系數(shù)亦隨降雨過程而增加；在降雨持續(xù)到第10天時，5 m深度范圍內(nèi)滲透系數(shù)達到降雨期最大值。停雨后，7 m以上淺層土體的滲透系數(shù)迅速降低，降幅隨時間增加而減小。

坡體深部滑動面典型剖面的滲透系數(shù)如圖5(b)所示。降雨期間深度在11 m范圍的滲透系數(shù)均持續(xù)增大；在停雨前，3 m以下土層滲透系數(shù)已達到飽和滲透系數(shù)。在停雨后，4 m深度范圍內(nèi)的滲透系數(shù)均快速降低，4 m深度以下區(qū)域未受影響。

坡腳處淺層滑動面典型剖面的滲透系數(shù)如圖5(c)所示。在降雨階段，坡體各深度滲透系數(shù)均快速增大，在降雨的第10天時，各深度滲透系數(shù)均已達到飽和滲透系數(shù)。在停雨后，淺層土體滲透系數(shù)迅速減小，停雨5 d內(nèi)受影響的范圍僅為表層2 m。

4.2 降雨入滲對孔隙水壓力的影響

圖6為不同位置的孔隙水壓力。

圖6 不同位置的孔隙水壓力Fig.6 Pore water pressures at different sections

坡頂處淺層滑動面典型剖面的孔隙水壓力如圖6(a)所示。降雨開始后，淺層土體孔隙水壓力迅速增加，并隨降雨的持續(xù)而趨于0，說明坡頂孔隙水壓力受降雨入滲影響明顯而迅速。在停雨后6 m深度范圍內(nèi)孔隙水壓力逐漸減小，且孔隙水壓力隨深度增加呈增大趨勢。

位于坡體深部滑動面的孔隙水壓力如圖6(b)所示。降雨開始后，土層孔隙水壓力隨深度增加呈先減小后增大規(guī)律；隨著降雨持續(xù)，地下水位不斷抬升，在降雨第10天時水位上升至-2 m。停雨后淺層孔隙水壓力緩慢減?。辉谕Ｓ旰?天，0 m處孔隙水壓力為-28.27 kPa。

坡腳處孔隙水壓力變化如圖6(c)所示，坡腳位置較低，各深度孔隙水壓力均> -40 kPa。降雨期間坡體7 m深度的孔隙水壓力均呈上升趨勢，在降雨的第10天各深度孔隙水壓力幾乎為正值，即代表該滑動面的典型剖面已處于地下水位以下，滑動面土體大部分為飽水狀態(tài)。

4.3 降雨入滲對邊坡穩(wěn)定的影響

圖7為安全系數(shù)、安全系數(shù)降幅與時間的關系。

圖7 安全系數(shù)、安全系數(shù)降幅與時間的關系Fig.7 Relationship of safety factor and the decline margin of safety factor vs. time

深層滑動面及各淺層滑動面的安全系數(shù)如圖7(a)所示。為便于對比各區(qū)域淺層滑動安全系數(shù)的變化幅度，將安全系數(shù)降幅與時間關系繪于圖7(b)。在降雨前，坡腳和坡頂處淺層滑動面的安全系數(shù)均接近2.5。降雨期間的前4 d，受坡面入滲雨水持續(xù)下滲的影響，坡腳和坡頂處滑動面安全系數(shù)都迅速降低，降幅亦較為接近。在降雨的第5天開始出現(xiàn)差異：坡頂處淺層滑面安全系數(shù)降幅減小且趨于收斂，在第10天時達到32.2%；坡腳處淺層滑面安全系數(shù)降幅仍然較大，未呈收斂狀態(tài)，在第10天時達到43.0%。降雨期間坡腳和坡頂處滑動面的安全系數(shù)變化表明坡腳處滑動面孔隙水壓力持續(xù)穩(wěn)定增大，在降雨期的前半段時間內(nèi)，坡頂處滑動面孔隙水壓力持續(xù)穩(wěn)定增大，這主要是由坡腳處地下水位快速上升使得孔隙水壓力增大引起的，而坡頂處地下水位上升較為緩慢。停雨后，坡腳和坡頂處滑動面安全系數(shù)均隨時間持續(xù)增大；但坡腳處整體表現(xiàn)為波動上升，這是由上部斜面雨水入滲和下部斜面原有雨水下滲綜合作用引起的；坡頂處呈穩(wěn)定上升，主要是由單一入滲源的坡頂雨水入滲中止引起的。

對于深層滑動面，其安全系數(shù)在降雨期間隨降雨持續(xù)而減小，但降幅隨時間增加而增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是深層滑動面位于坡體內(nèi)部，臨界滑動面處孔隙水壓力受降雨入滲影響的時間較長且較滯后。在降雨期間安全系數(shù)由1.470降至1.098，降幅為23%。在停雨后5 d內(nèi)，安全系數(shù)未迅速減小，而呈現(xiàn)為上下波動，主要是由于地下水位以上非飽和土體的持水受重力作用下在停雨后仍不斷下滲，臨界滑動面各處的孔隙水壓力在頂部補給和底部下滲的綜合影響下并未出現(xiàn)明顯變化，因此水位線未因降雨停止而出現(xiàn)驟降，最終表現(xiàn)為停雨后5 d內(nèi)仍持續(xù)波動。對比降雨前和停雨后的安全系數(shù)，停雨期間安全系數(shù)的降幅在24.2%～25.4%之間。

5 結(jié) 論

(1) 坡頂淺層滲透系數(shù)隨降雨持續(xù)增加，地下水位以上土層滲透系數(shù)趨于定值；坡腳淺層滲透系數(shù)隨降雨持續(xù)而明顯增大，在停雨前1 d各深度均接近飽和滲透系數(shù)值。在停雨后各坡腳滲透系數(shù)降幅較小，坡頂處較大。

(2) 降雨過程中坡頂滑動面的孔隙水壓力逐漸趨于0，均未達到飽和狀態(tài)；坡腳滑動面孔隙水壓力持續(xù)增大并達到正值，部分土層達到飽和狀態(tài)。

(3) 降雨前4 d坡頂和坡底的淺層滑動面穩(wěn)定性均隨降雨持續(xù)減??；第5天后坡頂處滑動面因安全系數(shù)降幅減小并趨于收斂而穩(wěn)定性變化不大，而坡腳處滑動面因安全系數(shù)仍持續(xù)降低而穩(wěn)定性變差；深層滑動面的安全系數(shù)在降雨期間因滑動面較深而降幅逐漸增大；停雨后淺層滑動面安全系數(shù)均持續(xù)增大，深層滑動面安全系數(shù)由于頂部補給和底部下滲的綜合影響而變化不大。

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(編輯：占學軍)

Influence of Rainfall Infiltration on Slope Stability at Shallow Layer

WANG Yi-zhao, SUI Yao-hua

(Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010, China)

In the aim of investigating the influence of rainfall infiltration on slope stability at shallow surface, the permeability coefficient and pore water pressure of slip surface of shallow layer in rainy period and non-rainy period were analyzed based on unsaturated seepage theory. The rule of slope stability variation in shallow layer was also researched. Results showed that in rainy period pore water pressure at slope toe increased to saturation, and at slope top increased until approaching saturation. After rainfall stopped, the decline margin of pore water pressure at slope top was larger than that at slope toe. In the early stage of rainfall, the stability of slip surfaces decreased continuously, and in the later stage of rainfall the safety factor of slip surface at slope top tended to convergence; whereas the safety factor at slope toe kept decreasing.After rainfall stopped, the safety factors of slip surfaces in shallow layer all increased; while the safety factor of deep layer fluctuated.

rainfall infiltration; slope stability; unsaturated seepage; unsaturated soil; safety factor

2016-02-01；

2016-06-15

王一兆(1986-)，男，廣西博白人，工程師，博士，研究方向為地質(zhì)災害防治工程勘察設計及地質(zhì)災害防治技術，(電話)13450205070 (電子信箱) wangyizhao@dtsjy.com。

10.11988/ckyyb.20160107

2017,34(4):122-125

TU432

A

1001-5485(2017)04-0122-04