土質(zhì)邊坡降雨入滲深度及飽和區(qū)變化規(guī)律

劉杰，曾鈴，付宏淵, ，史振寧，張永杰

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土質(zhì)邊坡降雨入滲深度及飽和區(qū)變化規(guī)律

劉杰1, 2，曾鈴3，付宏淵2, 3，史振寧2，張永杰3

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410114； 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114； 3. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114)

采用飽和?非飽和滲流有限元計(jì)算理論，建立一維、二維模型，對(duì)不同降雨強(qiáng)度、土質(zhì)類型、表面吸力以及邊坡坡度下的邊坡降雨入滲深度和飽和區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：對(duì)于同種土質(zhì)而言，初始表面吸力越小，降雨入滲深度越大，降雨入滲深度從大至小對(duì)應(yīng)的土質(zhì)依次為粉土、砂土和黏土；在降雨過程中，黏土在降雨入滲深度范圍內(nèi)均為飽和區(qū)域，而粉土則先在入滲深度范圍內(nèi)出現(xiàn)飽和區(qū)，隨后飽和區(qū)域消散，砂土首先在降雨入滲范圍內(nèi)形成飽和區(qū)，隨后飽和區(qū)下移形成懸掛式飽和區(qū)；邊坡坡度越大，邊坡底部的降雨入滲深度越大，粉土邊坡受坡度影響更明顯；在降雨作用下，當(dāng)初始表面吸力為100 kPa時(shí)，砂土邊坡表面生成飽和區(qū)，隨后飽和區(qū)擴(kuò)大并下移；而當(dāng)初始表面吸力為10 kPa時(shí)，降雨會(huì)導(dǎo)致粉土邊坡地下水位上升。

土質(zhì)邊坡；降雨入滲；入滲深度；飽和區(qū)

眾所周知，邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)活動(dòng)、天氣狀況以及工程建設(shè)的擾動(dòng)均密切相關(guān)。在以上因素中，減小邊坡受強(qiáng)降雨影響所產(chǎn)生的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)是邊坡工程中亟需解決的問題之一，而降雨?duì)顟B(tài)下的邊坡穩(wěn)定性則主要由內(nèi)部滲流狀態(tài)決定[1?2]。在自然狀態(tài)下，邊坡土體絕大多數(shù)呈非飽和狀態(tài)，且非飽和狀態(tài)下土體的滲流特征與土體的自身性質(zhì)、降雨強(qiáng)度以及邊坡形態(tài)等多種因素有著緊密聯(lián)系[3?4]。眾多學(xué)者從多種角度對(duì)此進(jìn)行了研究，如劉曉等[5]對(duì)存在夾砂層的邊坡采用Green?Ampt模型對(duì)積水下滲過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂層的飽和導(dǎo)水率相當(dāng)大時(shí)，能夠有效阻止水向夾砂層下層入滲；DORIVAL[6]采用非飽和理論與有限元方法對(duì)二維、三維狀態(tài)下的滲流過程進(jìn)行了模擬，所得結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相符。可以認(rèn)為非飽和滲流理論適用于計(jì)算邊坡滲流特征。我國(guó)DL/T 5353—2006“水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范”認(rèn)為在考慮降雨入滲時(shí)，降雨直接導(dǎo)致地下水位抬升。王智磊 等[7]也認(rèn)為雖然地下水位變化對(duì)降雨的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)，但最終仍會(huì)隨降雨持續(xù)而上升。但BANDARA等[8?9]認(rèn)為，在某些條件下，邊坡降雨入滲不一定直接引起地下水位抬升，而會(huì)在邊坡表面形成一定深度的飽和區(qū)，其變化規(guī)律受降雨強(qiáng)度和土質(zhì)特征所控制。付宏淵等[10?11]的研究結(jié)果表明軟巖以及粗粒土等邊坡在降雨條件下會(huì)在表面形成飽和區(qū)，隨著降雨持續(xù)，飽和區(qū)從坡腳處與地下水位線相接，最后導(dǎo)致邊坡內(nèi)部水位線抬升。針對(duì)這2種不同的觀點(diǎn)，本文作者基于非飽和土滲流計(jì)算原理，采用一維、二維滲流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)降雨在何種狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致地下水位上升、何時(shí)產(chǎn)生飽和區(qū)等進(jìn)行研究，以便為淺層、深層滑坡產(chǎn)生機(jī)理的研究及對(duì)邊坡排水等設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算理論

采用二維有限元滲流理論進(jìn)行計(jì)算。非飽和非穩(wěn)定滲流的二維控制方程為[12]

式中：和分別代表水平、豎直方向；m為基質(zhì)吸力水頭；(m)為非飽和土滲透系數(shù)函數(shù)；(m)為比水容量，即土水特征曲線的斜率；為時(shí)間。土體非恒定滲流有限元方程可用下式描述[13]：

式中：[]為單元特征矩陣；{}為節(jié)點(diǎn)水頭向量；[]為單元質(zhì)量矩陣；[]為節(jié)點(diǎn)流量向量。

2 計(jì)算參數(shù)與方案

為得到不同土質(zhì)對(duì)滲流特征的影響，選取較典型的長(zhǎng)沙湘江沿岸砂土、浙西衢州地區(qū)粉土以及湖南南部紅黏土進(jìn)行分析，如圖1所示。通過大量室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試得到這3種不同土質(zhì)的孔隙比與飽和滲透系數(shù)，如表1所示。

在降雨強(qiáng)度取值方面，為體現(xiàn)極端降雨對(duì)邊坡滲流特征的影響，設(shè)定降雨強(qiáng)度為10?6 m/s，即24 h內(nèi)累積降雨86.4 mm(從氣象學(xué)角度定義為暴雨)，設(shè)定降雨時(shí)間從一般狀態(tài)下的20~50 h延長(zhǎng)至120 h，從而體現(xiàn)長(zhǎng)期強(qiáng)降雨對(duì)深部土體的影響規(guī)律。

在非飽和土的研究進(jìn)程中，F(xiàn)REDLUND等[14]提出了一些土水特征曲線的表達(dá)式，本文采用VAN GENUCHTEN[15]于1980年所提出的土水特征曲線計(jì)算模型和滲透系數(shù)函數(shù)曲線計(jì)算模型：

式中：w為含水率；r為殘余含水率；s為飽和含水率；w為滲透系數(shù)；s為飽和滲透系數(shù)；，和為曲線擬合參數(shù)；=1/(1?)；為基質(zhì)吸力。采用式(3)和(4)擬合土水特征曲線與滲透系數(shù)函數(shù)，結(jié)果分別如圖2和圖3所示。不同土質(zhì)的土水特征曲線參數(shù)如表2所示。

(a) 黏土；(b) 粉土；(c) 砂土

表1 不同土質(zhì)滲透性參數(shù)計(jì)算取值

采用專業(yè)的巖土工程有限元分析軟件Geo-studio進(jìn)行計(jì)算，所建有限元模型如圖4所示。一維模型高為10.00 m，寬為3.00 m，0 m處為地下水位線；網(wǎng)格劃分為：6 m以下單元高度為0.50 m，6.00~9.00 m范圍內(nèi)的網(wǎng)格高度設(shè)定為0.25 m，9.00~9.80 m范圍內(nèi)網(wǎng)格高度設(shè)置為0.10 m，9.80~10.00 m網(wǎng)格高度設(shè)置為0.05 m。對(duì)于二維邊坡，設(shè)定邊坡坡比為1.0:2.0，1.0:1.5和1.0:1.0共3種狀況，邊坡垂直厚度為10.00 m，各高程的網(wǎng)格密度劃分與一維模型的相同。設(shè)定最大迭代步數(shù)為100次，計(jì)算結(jié)果表明每個(gè)計(jì)算步均在100次迭代內(nèi)收斂。

在一維模型中，以模型中部截面為監(jiān)測(cè)截面，在二維邊坡模型的上、中、下部各設(shè)定1個(gè)截面，用于分析坡度對(duì)邊坡含水率分布的影響。在分析過程中，首先對(duì)模型表面的初始基質(zhì)吸力進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得到土體內(nèi)部的初始含水率分布，然后，在土體表面設(shè)定單位流量邊界模擬降雨過程(當(dāng)單位流量大于滲透系數(shù)時(shí)則自動(dòng)轉(zhuǎn)化為水頭邊界)，計(jì)算時(shí)間為120 h。大量前期研究成果表明[16?17]：在進(jìn)行邊坡滲流分析時(shí)，可將模型的底部和兩側(cè)邊界設(shè)定為不透水邊界。具體的一維、二維計(jì)算方案如下：邊坡坡比為1.0:2.0，1.0:1.5和1.0:1.0；土質(zhì)為黏土、粉土和砂土；初始表面吸力為10，100和500 kPa；降雨強(qiáng)度為1×10?6 m/s；降雨時(shí)間為0~120 h。

表2 不同土質(zhì)土水特征曲線參數(shù)值

1—黏土；2—粉土；3—砂土。

1—黏土；2—粉土；3—砂土。

(a) 一維滲透模型；(b) 二維滲透模型

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 一維分析

通過對(duì)一維模型進(jìn)行計(jì)算，從而確定初始表面吸力、土質(zhì)以及降雨時(shí)間等因素對(duì)降雨入滲過程及飽和區(qū)分布的影響。在分析時(shí)將降雨過程中，含水率達(dá)到90%以上的區(qū)域定義為飽和區(qū)[16, 18]，且為了便于分析，定義與降雨強(qiáng)度等值的滲透系數(shù)所對(duì)應(yīng)的含水率為等降雨強(qiáng)度含水率。

不同條件下降雨入滲深度與飽和區(qū)分布見圖5。從圖5(a)~(c)可見：在黏土初始表面吸力為500 kPa時(shí)，降雨入滲深度并沒有隨降雨時(shí)間的推移而顯著增加，降雨120 h后降雨入滲深度約為0.60 m，且在0.60 m深度內(nèi)均為飽和區(qū)；當(dāng)土體表面初始吸力降至100 kPa時(shí)，降雨入滲深度仍較小，且降雨入滲區(qū)域內(nèi)均為飽和狀態(tài)；當(dāng)初始表面吸力為10 kPa時(shí)，黏土的初始含水率已經(jīng)基本趨于飽和，但降雨對(duì)含水率依然有影響；當(dāng)降雨時(shí)間達(dá)到120 h時(shí)，降雨入滲深度為1.00 m左右?？梢姡簩?duì)于黏土而言，降雨入滲深度較小，且在降雨入滲范圍內(nèi)全部呈飽和狀態(tài)。這是由于黏土的飽和滲透系數(shù)明顯小于降雨強(qiáng)度(滲透系數(shù)與降雨強(qiáng)度量綱相同)，無論黏土在非飽和狀態(tài)下或者飽和狀態(tài)下，其內(nèi)部水分消散的速度遠(yuǎn)小于外部供給速度。

從圖5(d)~(f)可見：當(dāng)粉土的表面基質(zhì)吸力為500 kPa時(shí)，降雨入滲深度隨降雨時(shí)間的增大而明顯增大；在降雨24 h時(shí)，降雨影響范圍內(nèi)呈飽和狀態(tài)，但隨著降雨時(shí)間延長(zhǎng)，前期降雨形成的飽和區(qū)域逐漸消失，表面含水率逐漸趨于等降雨強(qiáng)度含水率；而當(dāng)表面基質(zhì)吸力為100 kPa時(shí)，24 h后的降雨入滲深度略有增大，但并未出現(xiàn)飽和區(qū)域；在降雨至120 h的過程中，土體表面含水率保持不變，可見此時(shí)降雨時(shí)間僅對(duì)入滲深度有影響；當(dāng)表面吸力為10 kPa時(shí)，土體的滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度，因此，在進(jìn)行降雨計(jì)算時(shí)，土體含水率會(huì)下降至等降雨強(qiáng)度含水率，此時(shí)，降雨不再使表面含水率增加，而是導(dǎo)致地下水位上升?？梢姡航涤耆霛B對(duì)粉土的影響深度遠(yuǎn)大于黏土的影響深度；當(dāng)粉土表面含水率遠(yuǎn)小于等降雨強(qiáng)度含水率時(shí)，邊坡表面出現(xiàn)飽和區(qū)，反之，則引起地下水位上升。這是由于當(dāng)土體處于非飽和狀態(tài)時(shí)，滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度，雨水供給速度大于雨水消散速度，導(dǎo)致土體表面出現(xiàn)飽和區(qū)域，而此時(shí)土體滲透系數(shù)逐漸增大，雨水消散速度大于供給速度，導(dǎo)致飽和區(qū)域消失，降雨入滲深度不斷增大。當(dāng)初始表面吸力對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度時(shí)，雨水則直接下滲。

從圖5(g)~(i)可見：在初始表面吸力為500 kPa時(shí)，土體表面在降雨后出現(xiàn)明顯的飽和區(qū)域；隨著降雨時(shí)間增加，飽和區(qū)深度不斷增大，在降雨入滲深度范圍內(nèi)土體均呈飽和狀態(tài)，而且飽和區(qū)域與非飽和區(qū)域界面非常明顯；當(dāng)表面吸力為100 kPa時(shí)，砂土的降雨入滲深度隨著降雨時(shí)間增加而大幅度增加；降雨24 h時(shí)，在降雨入滲深度內(nèi)的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)域，但當(dāng)降雨持續(xù)進(jìn)行至72 h時(shí)，表面含水率開始下降，飽和區(qū)域整體下移；而當(dāng)降雨至120 h后，表面土體含水率達(dá)到某一定值不變，且原有飽和區(qū)繼續(xù)下移；當(dāng)表面吸力降至10 kPa時(shí)，降雨會(huì)導(dǎo)致砂土上部含水率提高，但并未達(dá)到飽和，隨后降雨迅速入滲，降雨72 h時(shí)，基本達(dá)到地下水位線位置，而當(dāng)降雨達(dá)到120 h時(shí)，地下水位開始上升?？傊?dāng)砂土表面含水率遠(yuǎn)小于等降雨強(qiáng)度含水率時(shí)，降雨入滲范圍內(nèi)的土體呈飽和狀態(tài)；當(dāng)表面含水率增加至等降雨強(qiáng)度含水率時(shí)，飽和區(qū)域開始整體下移；而當(dāng)初始表面吸力繼續(xù)減小時(shí)，降雨入滲則會(huì)很快導(dǎo)致地下水位上升。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)砂土的含水率較小時(shí)，飽和滲透系數(shù)非常??；當(dāng)初始表面吸力較大時(shí)，入滲的水分難以迅速消散；而當(dāng)基質(zhì)吸力逐漸降低時(shí)，滲透系數(shù)便會(huì)迅速增大，導(dǎo)致原有飽和區(qū)底部下移，頂部消散，使飽和區(qū)域呈現(xiàn)整體下移趨勢(shì)；當(dāng)初始表面吸力較小時(shí)，短時(shí)降雨會(huì)使表面滲透系數(shù)升至與降雨強(qiáng)度相同，此時(shí)，雨水迅速入滲，導(dǎo)致地下水位上升。

(a) 黏土，初始表面吸力為500 kPa；(b) 黏土，初始表面吸力為100 kPa；(c) 黏土，初始表面吸力為10 kPa； (d) 粉土，初始表面吸力為500 kPa；(e) 粉土，初始表面吸力為100 kPa；(f) 粉土，初始表面吸力為10 kPa； (g) 砂土，初始表面吸力為500 kPa；(h) 砂土，初始表面吸力為100 kPa；(i) 砂土，初始表面吸力為10 kPa

從圖6可以看出：隨著降雨時(shí)間增長(zhǎng)，不同土質(zhì)的降雨入滲深度均會(huì)有所增加，且不同時(shí)間的入滲深度與土質(zhì)和初始吸力均密切相關(guān)。整體而言，對(duì)于任意1種土體，當(dāng)初始土體表面吸力為100 kPa時(shí)，降雨入滲深度均明顯大于初始土體表面基質(zhì)吸力為500 kPa時(shí)的降雨入滲深度，這說明在同等條件下，初始表面吸力越小，降雨入滲深度越大。而在同等初始表面吸力、同等降雨時(shí)間作用下，降雨入滲深度從大至小的土質(zhì)依次為粉土、砂土和黏土。

3.2 二維分析

為考慮坡度對(duì)降雨入滲深度、飽和區(qū)變化狀態(tài)等滲流特性的影響，建立二維計(jì)算模型，得到不同狀態(tài)下的邊坡滲流特征，如圖7所示。從圖7可以看出：在500 kPa初始表面吸力狀態(tài)下，降雨120 h時(shí)粉土任意截面的降雨入滲深度均比其他2種土質(zhì)的大，底部、中部截面的降雨入滲深度隨邊坡坡度的增大而顯著增大。對(duì)于黏土和砂土，砂土的降雨入滲深度大于黏土的降雨入滲深度，但邊坡坡度對(duì)各個(gè)截面的降雨入滲深度基本沒有影響。通過分析一維滲流狀態(tài)可知出現(xiàn)以上規(guī)律的原因?yàn)椋涸诒砻娉跏蓟|(zhì)吸力為500 kPa時(shí)，在3種土質(zhì)中，粉土的降雨入滲深度最大；而對(duì)于不同坡度，當(dāng)邊坡坡度增大時(shí)，上部的雨水在重力作用下進(jìn)一步從上部向下部入滲，導(dǎo)致邊坡中下部受降雨影響更加明顯。

強(qiáng)降雨導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)最重要的原因之一是坡腳處降雨入滲深度增加，引起土體孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力下降，進(jìn)而導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度下降，最終坡腳處首先發(fā)生滑移[19]。因此，進(jìn)一步分析邊坡底部截面在降雨影響下的含水率分布十分必要。

考慮黏土在不同初始表面吸力以及不同邊坡坡度狀態(tài)下，坡腳處的降雨入滲深度與降雨時(shí)間的關(guān)系如圖8所示。從圖8可知：底面降雨入滲深度受邊坡初始表面吸力的影響最大；當(dāng)表面吸力為10 kPa時(shí)，降雨入滲深度遠(yuǎn)大于初始表面吸力為100 kPa和500 kPa時(shí)的入滲深度；當(dāng)初始表面吸力為100 kPa時(shí)，底部截面降雨入滲深度降至0.2~0.6 m；當(dāng)初始表面吸力增加至500 kPa時(shí)，底部截面最大降雨入滲深度僅為 0.2 m左右，可以認(rèn)為此時(shí)底面降雨入滲深度受降雨時(shí)間影響極小。對(duì)比分析邊坡坡度的影響可以發(fā)現(xiàn)：坡度為1.0:1.0時(shí)的黏土邊坡底部截面降雨入滲深度比坡度為1.0:1.5及1.0:2.0的邊坡的降雨入滲深度大，這種影響在初始表面吸力為10 kPa與100 kPa時(shí)最明顯；隨著初始表面吸力增加，邊坡坡度對(duì)坡面底部截面降雨入滲深度的影響也逐漸下降；當(dāng)邊坡表面初始基質(zhì)吸力達(dá)到500 kPa時(shí)，邊坡坡度對(duì)底部截面降雨入滲深度基本沒有影響。

1—粉土，初始表面吸力100 kPa；2—砂土，初始表面吸力100 kPa；3—黏土，初始表面吸力10 kPa；4—粉土，初始表面吸力500 kPa；5—砂土，初始表面吸力500 kPa；6—黏土，初始表面吸力100 kPa；7—黏土，初始表面吸力500 kPa。

1—粉土邊坡；2—砂土邊坡；3—黏土邊坡。

圖8 黏土邊坡底面截面降雨入滲深度變化規(guī)律

在一維分析中，砂土在初始表面基質(zhì)吸力為 100 kPa時(shí)的滲流規(guī)律與其他條件下的滲流規(guī)律明顯不同，其在降雨持續(xù)過程中不僅在土體表面出現(xiàn)飽和區(qū)，而且飽和區(qū)隨著時(shí)間的推移不斷下降，上、下部均呈非飽和狀態(tài)，形成懸掛狀的飽和區(qū)。應(yīng)將此種狀態(tài)擴(kuò)展至二維狀態(tài)下進(jìn)行分析，探究飽和區(qū)在二維砂土質(zhì)邊坡中的變化規(guī)律。

在100 kPa初始表面吸力狀態(tài)下，砂土邊坡飽和區(qū)下移過程如圖9所示。以邊坡坡度為1.0:2.0為例，初始狀態(tài)下邊坡含水率分布與一維狀態(tài)的邊坡含水率分布基本相似，從邊坡表面至邊坡中部含水率基本保持不變；當(dāng)降雨持續(xù)24 h時(shí)，僅邊坡表面向下0.2 m處受降雨影響；當(dāng)降雨達(dá)到48 h時(shí)，雨水入滲至邊坡表面向下0.5~1.0 m處，而且由于存在坡度，邊坡上部雨水沿表面濕潤(rùn)區(qū)域向下滲流，導(dǎo)致邊坡上部受雨水影響明顯比邊坡底部的??；當(dāng)降雨72 h時(shí)，邊坡表面含水率開始下降，明顯出現(xiàn)內(nèi)部懸掛式的飽和區(qū)，而且在邊坡上部水分下滲的影響下，坡腳處開始形成大面積飽和區(qū)；當(dāng)持續(xù)降雨96 h時(shí)，懸掛式飽和區(qū)逐漸下移，邊坡內(nèi)部降雨入滲深度增加，坡面底部飽和區(qū)進(jìn)一步增大；當(dāng)降雨120 h時(shí)，邊坡內(nèi)部飽和區(qū)繼續(xù)下移，坡腳處的飽和區(qū)達(dá)到最大。由此可知：受坡度的影響，由坡面入滲的雨水會(huì)沿著表面的飽和區(qū)從上至下滲流，最終流動(dòng)至邊坡底面處，導(dǎo)致邊坡坡腳處飽和區(qū)域范圍擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡易發(fā)生淺層滑動(dòng)。

圖9 100 kPa初始表面吸力狀態(tài)下砂土邊坡飽和區(qū)下移過程

圖10 10 kPa初始表面吸力狀態(tài)下粉土邊坡地下水位抬升過程

一維分析結(jié)果表明：在粉土的表面初始吸力降至10 kPa時(shí)，強(qiáng)降雨會(huì)直接導(dǎo)致邊坡內(nèi)部水位線上升，并且不會(huì)出現(xiàn)飽和區(qū)域。而徐則民等[20]認(rèn)為強(qiáng)降雨導(dǎo)致的地下水位上升會(huì)直接引起邊坡深層失穩(wěn)，因此，對(duì)此種狀態(tài)下的滲流特征進(jìn)行二維分析也具有重要 意義。

在降雨0~30 h過程中，粉土在初始表面吸力為10 kPa狀態(tài)下的邊坡地下水位上升過程見圖10。從圖10可以看出：在降雨開始后，地下水位隨即明顯上升；當(dāng)降雨12 h時(shí)，邊坡坡度對(duì)地下水位線分布的影響開始顯現(xiàn)；在降雨18~30 h期間，邊坡坡腳處的水位線高度明顯比邊坡上部的高；在降雨達(dá)到30 h時(shí)，邊坡坡腳處地下水位升至6 m左右，而邊坡上部地下水位高度僅為2 m。在真實(shí)狀態(tài)下，邊坡坡腳處必定設(shè)有排水措施，可以將入滲的水分排出，但當(dāng)防護(hù)措施不當(dāng)導(dǎo)致排水效果不明顯時(shí)，一旦排水狀態(tài)下的單位流量小于降雨強(qiáng)度，則會(huì)引起坡腳處地下水位快速上升，易引發(fā)邊坡深層滑動(dòng)。

4 結(jié)論

1) 不同土質(zhì)在不同表面基質(zhì)吸力條件下，降雨入滲深度差異明顯，具體表現(xiàn)為初始表面吸力越小，降雨入滲深度越大。在同等條件下，降雨入滲深度從大至小的土質(zhì)依次為粉土、砂土和黏土。

2) 黏土在降雨入滲深度內(nèi)的范圍均為飽和區(qū)域；粉土在降雨過程前期會(huì)出現(xiàn)飽和區(qū)，隨后飽和區(qū)域消散；砂土在降雨前期的入滲范圍即為飽和區(qū)；隨著降雨持續(xù)，飽和區(qū)逐漸下移，形成懸掛式飽和區(qū)。

3) 受邊坡坡度的影響，在同等初始表面吸力下，坡度越大，邊坡底部的降雨入滲深度越大，且粉土邊坡受坡度影響更明顯。邊坡初始表面吸力越小，邊坡底部截面降雨入滲深度越大。

4) 當(dāng)初始表面吸力為100 kPa時(shí)，砂土邊坡在降雨過程中逐漸出現(xiàn)飽和區(qū)；隨著降雨時(shí)間推移，飽和區(qū)增大并逐漸向坡腳處移動(dòng)。當(dāng)初始表面吸力為 10 kPa時(shí)，粉土邊坡在降雨作用下，地下水位不斷上升，且坡腳處地下水位高度明顯比邊坡其他區(qū)域的高。

[1] 連繼峰, 羅強(qiáng), 蔣良濰, 等.順坡滲流條件下土質(zhì)邊坡淺層穩(wěn)定分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(8): 1440?1448. LIAN Jifeng, LUO Qiang, JIANG Liangwei, et al. Shallow stability analysis of soil slopes under seepage parallel to slope surface[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(8): 1440?1448.

[2] 周建烽, 王均星, 陳煒.非飽和非穩(wěn)定滲流作用下邊坡穩(wěn)定的有限元塑性極限分析下限法[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2014, 36(12): 2300?2305. ZHOU Jianfeng, WANG Junxing, CHEN Wei. Lower bound analysis of slope stability subjected to transient unsaturated seepage[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(12): 2300?2305.

[3] 王成華, 萬(wàn)正義, 張成林.非飽和砂土坡面降雨非正交入滲試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(8): 1357?1364. WANG Chenghua, WAN Zhengyi, ZHANG Chenglin. Tests and numerical simulations of non-orthogonal rainfall infiltration on surfaces of unsaturated sand slopes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(8): 1357?1364.

[4] YEH H F, WANG J, SHEN K L, et al. Rainfall characteristics for anisotropic conductivity of unsaturated soil slopes[J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 73(12): 8669?8681.

[5] 劉曉, 張杰, 王濤, 等.積水條件下夾砂層土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2015, 11(S1): 288?294, 301. LIU Xiao, ZHANG Jie, WANG Tao, et al. Stability analysis of soil slope with sand layer under water conditions[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(S1): 288?294, 301.

[6] PEDROSO D M. A solution to transient seepage in unsaturated porous media[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2015, 285: 791?816.

[7] 王智磊, 孫紅月, 劉永莉, 等.降雨與邊坡地下水位關(guān)系的時(shí)間序列分析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2011, 45(7): 1301?1307. WANG Zhilei, SUN Hongyue, LIU Yongli, et al. Time series analysis about groundwater level in slope and rainfall[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2011, 45(7): 1301?1307.

[8] BANDARA S, FERRARI A, LALOUI L. Modelling landslides in unsaturated slopes subjected to rainfall infiltration using material point method[J]. International Journal for Numerical & Analytical Methods in Geomechanics, 2016, 40(9): 1358?1380.

[9] SUNG E C. Stability Analysis of unsaturated soil slopes considering water-air flow caused by rainfall infiltration[J]. Engineering Geology, 2016, 211: 184?197.

[10] 付宏淵, 曾鈴, 王桂堯, 等.降雨入滲條件下軟巖邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué), 2012, 33(8): 2359?2365. FU Hongyuan, ZENG Ling, WANG Guiyao, et al. Stability analysis of soft rock slope under rainfall infiltration[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(8): 2359?2365.

[11] 曾鈴, 付宏淵, 周功科.降雨入滲參數(shù)對(duì)粗粒土路堤暫態(tài)飽和區(qū)影響的數(shù)值模擬[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 42(3): 250?256. ZENG Ling, FU Hongyuan, ZHOU Gongke. Numerical simulation of effects of rainfall infiltration parameters on transient saturated areas of coarse-grained soil embankment[J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences), 2014, 42(3): 250?256.

[12] 顧慰慈.滲流計(jì)算原理及應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)建材工業(yè)出版社, 2000: 10?22. GU Weici. Principle and application of seepage calculation[M]. Beijing: China Building Materials Industry Press, 2000: 10?22.

[13] JOHN K. Seep modeling with SEEP/W2007 version[R]. Calgary, Canada: Geoslope International Ltd., 2008: 266?268.

[14] FREDLUND D G, MORGENSTERN N R, WIDGER R A. Shear strength of unsaturated soils[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1978, 15(3): 313?321.

[15] VAN GENUCHTEN M T. A closed form equation for prediction the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of American Journal, 1980, 44(5): 892?898.

[16] ZENG L, BIAN H B, SHI Z N, et al. Forming condition of transient saturated zone and its distribution in residual slope under rainfall conditions[J]. Journal of Central South University, 2017, 24(8): 1866?1880.

[17] 馬吉倩, 付宏淵, 王桂堯, 等. 降雨條件下成層土質(zhì)邊坡的滲流特征[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 49(2): 464?471. MA Jiqian, FU Hongyuan, WANG Guiyao, et al. Seepage characteristics of layered soil slope under rainfall conditions[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2018, 49(2): 464?471.

[18] SHAKOOR A, SMITHMYER A J. An analysis of storm-induced land-slides in colluvial soils overlying mudrock sequences, southeastern Ohio, USA[J]. Engineering Geology, 2005, 78(3/4): 257?274.

[19] 詹良通, 劉小川, 泰培, 等.降雨誘發(fā)粉土邊坡失穩(wěn)的離心模型試驗(yàn)及雨強(qiáng)–歷時(shí)警戒曲線的驗(yàn)證[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2014, 36(10): 1784?1790. ZHAN Liangtong, LIU Xiaochuan, TAI Pei, et al. Centrifuge modelling of rainfall-induced slope failure in silty soils and validation of intensity-duration curves[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(10): 1784?1790.

[20] 徐則民, 黃潤(rùn)秋.山區(qū)流域高蓋度斜坡對(duì)極端降雨事件的地下水響應(yīng)[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2011, 26(6): 598?607. XU Zemin, HUANG Runqiu. The response of the groundwater in vegetated slopes in mountainous catchments to heavy rain events[J]. Advances in Earth Science, 2011, 26(6): 598?607.

Variation law of rainfall infiltration depth and saturation zone of soil slope

LIU Jie1, 2, ZENG Ling3, FU Hongyuan2, 3, SHI Zhenning2, ZHANG Yongjie3

(1. Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxis and Treatment of Road & Traffic Safety of Ministry of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Traffic & Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 3. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

1-D and a 2-D models were established to analyze the variation of rainfall infiltration depth and saturation zone of slope with different rainfall conditions, soil types, surface matric suctions and slope ratios based on the finite element calculation theory of saturated-unsaturated seepage. The results show that soil with smaller initial surface suction has greater rainfall infiltration depth, and silt, sand and clay follow the large-to-small order in the rainfall infiltration depth. During rainfall process, the clay is saturated in the rainfall infiltration area, while silt is saturated in the infiltration area at first and then the saturation zone dissipates. As for sand, the saturation zone forms in the rainfall infiltration area firstly, then it moves down and forms a suspended saturation zone. The greater slope ratio leads to greater rainfall infiltration depth in the middle and bottom of slope, and the influence of the slope ratio on the silty slope is more obvious. Under the action of rainfall, the saturation zone forms on the surface of sandy slope and then it expands and moves down. The silt slope with small initial surface suction will directly lead to the increase of groundwater level under rainfall.

soil slope; rainfall infiltration; infiltration depth; saturation zone

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.026

TU42

A

1672?7207(2019)02?0452?08

2018?05?25；

2018?07?12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51838001，51878070，51578079，51678074)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目(17B013，15B103)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2018B528)；長(zhǎng)沙理工大學(xué)道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心開放基金資助項(xiàng)目(kfj170404)(Projects(51838001, 51878070, 51578079, 51678074) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(17B013, 15B103) supported by the Outstanding Youth Project of Education Department of Hunan Province; Project(CX2018B528) supported by the Postgraduate Research and Innovation Fund of Hunan Province; Project(kfj170404) supported by the Open Fund of Engineering Research Center of Catastrophic Prophylaxis and Treatment of Road & Traffic Safety of Ministry of Education (Changsha University of Science & Technology)

曾鈴，副教授，從事邊坡穩(wěn)定性等研究；E-mail：zlbingqing3@126.com

(編輯 陳燦華)