非飽和土邊坡降雨入滲特征及其對斜坡穩(wěn)定性的影響

，，，岳靈，

( 1.國網浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江湖州313000;2 南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇南京211000；3. 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢430074)

降雨入滲是導致斜坡失穩(wěn)的主要因素，尤其是強震之后，降雨型滑坡呈現出陡增的趨勢。因此，降雨對斜坡穩(wěn)定性的影響越來越受到人們的關注，并取得了大量研究成果。其中，許建聰[1]、嚴紹軍[2]、常金源[3]等分析了降雨對斜坡巖土體的作用，研究了降雨條件下斜坡的穩(wěn)定性；羅渝[4]考慮了不同降雨類型對斜坡穩(wěn)定性的影響；唐棟[5]、楊攀[6]等考慮了前期降雨對土質滑坡形成的貢獻，進行了邊坡穩(wěn)定性分析。從已有研究成果來看，目前研究的重點還是在于考慮降雨事件與滑坡形成的直接關系，并未揭示降雨過程中的土～水特征，未考慮斜坡在降雨條件下動態(tài)演變過程。鑒于此，本文采用室內外試驗和數值模擬相結合的方法，重點研究降雨過程中土體的滲透性與強度的變化特征，揭示土質斜坡在降雨過程中的動態(tài)失穩(wěn)過程。

1 考慮降雨過程的土～水特征

1.1 非飽和土的滲透特征

降雨入滲是影響非飽和土邊坡穩(wěn)定性的主要因素，入滲量的多少一方面與降雨強度有關，另一方面又受到土體滲透能力的控制。在一次降雨過程中，同種土體的滲透特性是否保持不變，是本節(jié)需要解決的主要問題。

圖1 現場滲透性測試標準土坑

圖2 現場滲透性測試過程

采用現場滲透試驗的方法，研究非飽和土滲透特性的變化特征。首先，選取野外典型非飽和土邊坡作為試驗對象。斜坡土體主要為第四系殘坡積物和崩坡積物，物質成分主要為碎塊石和粉質黏土，碎塊石巖性為三疊系灰白色白云巖，塊石粒徑不均勻，塊石粒徑2～200 cm不等，菱角狀，最大塊石粒徑可達280 cm，黏土多為低液限黏土，松散～中密。在斜坡上挖鑿出標準尺寸的長方體土坑(圖1)，長寬高分別為30 cm×20 cm×20 cm，盡量使土坑四周和地面平整，尺寸誤差控制在1 cm范圍內。

滲透性測試采用控制流量連續(xù)均衡的方法，首先在試驗坑內放入垂直的標尺，并快速注入10 cm深的清水，保持試驗坑內水位不變，記錄每一次注入的水量(圖2)。每10 min為一次循環(huán)，即保持水位10 min不變，記錄10 min內補充的水量。隨后不再加入水量，待試驗坑內的水全部入滲，再進行第二次注水，注水過程與第一次一致，設計每個試驗坑進行10次注水循環(huán)，以保證數據的完整性。為提高試驗結果的可信度，在同一土坡，不同位置，進行了3個土坑的滲透性測試。由于版面所限，僅列出了1號試驗的各參數(表1)，所有試驗的結果見圖3。

表1 1號試驗滲透特征

圖3 非飽和土滲透系數變化關系

根據試驗結果可知，試驗點的非飽和土的滲透率是隨著注水次數的增加而逐漸下降的，這易于理解，當土體飽和度較低時，其滲透系數較大，而隨著土體逐漸達到飽和，其滲透性減弱，滲透率隨之降低。3次試驗均揭示出，當土體入滲水量達到一定值時，其滲透系數最終維持在較低水平線上，也即表明，此時的土體達到飽和?？梢?，巖土體的滲透性并不是恒定不變的，而是隨其飽和度的增加而逐漸降低的。在降雨過程中同樣會顯示出這種特征，當降雨量較小或開始降雨時，土質斜坡表面幾乎沒有地表水，降雨全部入滲到土體內部；而當降雨量較大或降雨后期，由于土體飽和度升高，滲透率降低，降雨入滲量減少，此時便會產生地表徑流。

1.2 土體強度與含水率關系

降雨對土質斜坡穩(wěn)定性的影響主要表現在2個方面：①由于雨水入滲導致土體軟化，強度隨之降低；②土體含水量增加，滑體本身自重也隨之增加，導致下滑力增加。

本節(jié)重點考慮土體強度與含水率的關系。利用室內直剪試驗儀，進行不同含水率土體的剪切試驗。首先對現場取來的土樣進行含水率測試，得到其天然含水率為13%，并測得飽和含水率為28%。因而試驗設計了4組不同含水率的之間試驗，含水率分別為13%、18%、23%和28%。為增加試驗的可信度，每組試驗進行了3個土樣測試。

試驗采用快剪法，選取應力控制的方法。試驗過程中，垂向荷載I0保持不變，剪切荷載分10級左右逐漸施加，每級加載時間為30 s，記錄每級的剪切位移Lh和垂直位移Lv。當水平壓力值不再增加或剪切滑移達到2 cm時終止加載。設置正應力為5級加載，并可通過下式計算正應力和剪應力：

(1)

(2)

式中σ——正應力，MPa；Iσ——垂向油缸壓力表預定值，MPa；Iσ0——垂向油缸壓力表初值，MPa；Sv——垂向油缸活塞面，m2；G——傳壓鐵塊、滾珠軸承的總重，MN；Sj——剪切面面積，m2；τ——剪應力，MPa；Ir——剪切荷載壓力表最大值，MPa；Ir0——剪切荷載壓力表初值，MPa；Sh——剪切油缸活塞面積，m2。

1號試驗結果見圖4，由于版面所限，未展示2號和3號試驗的抗剪強度與正應力關系曲線。

圖4 1號試樣抗剪強度

圖5 抗剪強度指標與含水率關系曲線

根據直剪試驗結果可得到非飽和土的抗剪強度指標，內聚力C和內摩擦角φ與含水率關系見圖5，可見，3組試驗所得到的土體抗剪強度指標變化趨勢一致，即隨著土體含水率的增加內聚力C和內摩擦角φ都呈下降的趨勢，進而影響土體的抗剪強度。

2 淺層土質斜坡滲流場分析

2.1 非飽和滲流理論

非飽和土的滲流控制方程可表示為[7]：

(3)

非飽和土的土～水特征曲線采用Fredlund-Xing 模型[8]，可表示為：

(4)

式中a、n、m——擬合參數，其中a為進氣值,n為與基質吸力有關的土性參數,m為殘余含水量函數的土性參數；e——自然對數；θw體積含水率；φ——基質吸力；θs——飽和體積含水率。

滲透系數的關系曲線可表示為[9]：

kw=ksΘp

(5)

式中ks——飽和滲透系數；kw——非飽和土的滲透系數；p——滲透系數曲線中的擬合參數；Θ=θw/θs——體積含水量與飽和體積含水量比率。

2.2 滲流模型及邊界條件

選取典型降雨土質滑坡為原型，采用有限元分析軟件，模擬斜坡在降雨作用下的滲流場及應力應變關系，評價降雨對斜坡穩(wěn)定性的影響。

滑坡為一沿基覆界面形成的降雨滑坡，下部為白云巖，上部覆蓋層多為殘坡積物；根據現場調查及勘探資料，確定了滑面位置以及初始地下水位線，建立滑坡模型見圖6。

圖6 斜坡原型

通過室內試驗，確定了巖土體的物理力學參數，具體可見表2。

表2 巖土體的物理力學參數統計

采用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊進行斜坡滲流場的計算。在滲流計算過程中，土體的飽和滲透系數、非飽和滲透系數以及土～水特征曲線參數尤為重要，通過現場滲透試驗，得到覆蓋層碎石土的飽和滲透系數約為ksat=1.08×10-6m/s；試驗測得飽和含水率平均值為28%。斜坡覆蓋層與基巖的土～水特征曲線和滲透函數見圖7。

a)碎石土覆蓋層的土～水特征曲線

b)碎石土覆蓋層的滲透函數圖7 斜坡土～水特征曲線與滲透函數

2.3 降雨入滲過程分析

采用Seep/W模塊模擬降雨過程中斜坡雨水入滲過程，設置持續(xù)降雨時間為8 h，小時降雨量20 mm，模擬結果見圖8。

c)基巖的土～水特征曲線

d)基巖的滲透函數 續(xù)圖7 斜坡土～水特征曲線與滲透函數

圖8展示了持續(xù)降雨情況下的斜坡滲流場變化情況，可以看出，在降雨初始階段(圖8a)，由于上覆土層的含水率較低，且?guī)r土體的基質吸力較大，坡體的入滲率大于降雨強度，降雨以垂直入滲為主，使得地下水位出現一定程度的升高。隨著降雨持續(xù)，雨水入滲量逐漸增大，由于坡體前緣土層較薄，地下水位抬升明顯，有反翹現象(圖8b)；斜坡頂部的基覆界面處出現了一條飽水帶。當降雨持續(xù)6 h時(圖8c)， 土體飽和度進一步增加，坡頂基覆界面處的飽水帶與初始水位線貫通，導致地下水位線進一步升高，滑帶處于地下水位線之下，可能會對滑帶土體產生軟化作用。在模擬的最后階段(圖8d)，由于斜坡頂部的飽水帶與地下水位線貫通，降雨直接滲入斜坡內部，導致地下水位現迅速升高。從整個降雨入滲情況來看，持續(xù)降雨導致斜坡的地下水位線不斷上移，使得斜坡土體飽和度逐漸升高，對滑帶產生軟化作用的同時也使得坡體自重增加，不利于斜坡穩(wěn)定。

a)降雨2 h后雨水入滲情況

b)降雨4 h后雨水入滲情況

c)降雨6 h后雨水入滲情況圖8 持續(xù)降雨過程中斜坡雨水入滲情況

d)降雨8h后雨水入滲情況續(xù)圖8 持續(xù)降雨過程中斜坡雨水入滲情況

3 降雨對斜坡穩(wěn)定性影響分析

3.1 降雨情況下斜坡變形特征

將上節(jié)滲流計算導入Sigma/W中進行滲流-應力場耦合，通過Sigma/W模塊模擬了斜坡在降雨持續(xù)8 h時的變形和應變特征，模擬結果見圖9、10。圖9為斜坡位移分布，可以看出，該斜坡在降雨情況下的最大位移分布于滑坡中部，由內向外位移逐漸增大，最大位移達到0.65 m。圖10為斜坡剪應力分布，可以看出，最大剪應力主要沿基覆界面分布，證實了滑坡是沿基覆界面滑動的。

圖9 降雨持續(xù)8 h時的斜坡位移

圖10 降雨持續(xù)8 h時的剪應力

3.2 降雨過程中的斜坡穩(wěn)定性分析

斜坡穩(wěn)定性計算方法較多，常用的有數值計算法、理論計算法、定性分析法等[10-11]，本節(jié)采用多種極限平衡理論分析法，考慮斜坡在降雨過程中的降雨入滲情況，每1 h計算一次斜坡穩(wěn)定性，計算結果見表3。

表3 降雨條件下滑坡穩(wěn)定性系數

根據多種理論計算方法得到斜坡在降雨持續(xù)7 h時，其穩(wěn)定性系數將小于1，表明此時斜坡即發(fā)生失穩(wěn)。該計算模型以四川地區(qū)一典型降雨滑坡為實際案例，實際情況下，斜坡在此降雨強度持續(xù)8 h時發(fā)生失穩(wěn)。因此，模擬結果與實際情況下的滑坡失穩(wěn)和降雨時間關系接近，表明文中所建立的降雨入滲與斜坡穩(wěn)定性關系是有一定可信度的。

4 結論

文章重點研究了非飽和土斜坡的降雨入滲特征及其對斜坡穩(wěn)定性的影響，初步得到了以下幾點結論。

a) 非飽和土的滲透性與其本身的飽和度有關，隨著飽和度的增加，滲透率降低。

b) 土體強度特征與其含水率有關，含水率越高其強度越低，主要表現為內聚力和內摩擦角的降低。

c) 采用數值模擬方法研究了典型土質斜坡的滲透過程，揭示出隨著降雨持續(xù)，斜坡地下水位逐漸升高的特征。

d) 揭示了降雨入滲與斜坡穩(wěn)定性的關系，采用極限平衡方法，計算了降雨過程中斜坡穩(wěn)定性系數的變化過程，與實際情況較為接近。