降雨強度和滲流對河岸穩(wěn)定性影響分析

王鶴翔

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 概述

降雨是導致邊坡破壞的主要因素之一，降雨前，地下水位以上的斜坡區(qū)域被視為在地表附近處于部分不飽和或干燥狀態(tài)[1- 3]。降雨期間和之后，非飽和面積因雨水滲透而減少。研究發(fā)現(xiàn)，這些過程是控制降雨導致邊坡失穩(wěn)的主要因素，受降雨強度(RI)和土壤性質，特別是非飽和土壤導水率的影響很大。非飽和土導水率(HC)控制瞬態(tài)滲流、降雨入滲深度、降雨過程中孔隙壓力的變化，并最終影響FOS。

在降雨過程中，導水率對邊坡的穩(wěn)定性有很大的影響。然而，在回顧的研究中發(fā)現(xiàn)了一些局限性[4- 7]。不同的RI/HC值對研究人員的影響不是特定的，而且在以前關于滲流力學的討論中也有不同，例如濕潤鋒和地下水位的變化。此外，關于導水率對河岸邊坡穩(wěn)定性影響的研究較少[8]。因此，用滲流模量SEEP/W和SLOPE/W斜率模量的地質力學程序進行了數(shù)值分析，建立不同降雨入滲和土壤導水率模型的河岸破壞機理。

2 材料和方法

2.1 流域概況

太子河是遼寧省東南部較大河流之一，發(fā)源于新賓縣大紅石砬子，流經(jīng)本溪、鞍山、遼陽三市，至三岔河與渾河匯入大遼河，蜿蜒南下至營口入渤海，干流全長為413km，流域面積13883km2。流域東臨鴨綠江支流的叆河及渾江，南以大洋河為界，西北臨渾河。太子河上現(xiàn)已建有觀音閣、葠窩、湯河3座大型水庫。根據(jù)河流情況，太子河流域葠窩以上為上游，葠窩至遼陽為中游，遼陽以下為下游。全流域山地較多，占全流域的69%，丘陵占6.1%，平原占24.9%。流域植被以觀音閣水庫以上條件較好，覆蓋率占50%左右。

2.2 野外調查

在旱季和雨季進行現(xiàn)場調查，以描述河岸狀況和河流水位變化。現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量和收集包括河岸幾何結構(即高度、坡度)、沖積面積、當前河流水位和土壤樣本。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括地下水位、河流水位波動和降雨量，也從國家氣象站收集。土壤性質包括土壤物理性質，如含水量、密度和粒徑。根據(jù)河岸沿線采集的土壤樣本和土壤性質試驗，該地區(qū)的河岸相當均勻，河岸層中有淤泥或粉質黏土層，從河岸坡腳到沉積物中有細砂。淤泥層由小于20%的細砂、30%～70%的淤泥和10%～30%的黏土組成。

2.3 樣段土壤特性

本文選取一段土堤進行河岸穩(wěn)定性分析，圖1和圖2分別表示研究區(qū)土壤吸力和非飽和導水率。

圖1 土壤-水特征曲線

圖2 非飽和導水率曲線

3 模型分析

3.1 數(shù)值模型框架

本文使用商業(yè)GeoSlope程序(GeoSlope International Ltd.)作為數(shù)值模型來分析河岸穩(wěn)定性。GeoSlope是眾多研究中邊坡和河岸穩(wěn)定性分析中最有用和最廣泛使用的程序之一[9]。本文在GeoSlope程序中使用了SEEP/W瞬態(tài)滲流和SLOPE/W穩(wěn)定性分析。

通過使用SEEP/W，具體描述降雨入滲的瞬態(tài)滲流。從SEEP/W獲得的結果，包括孔隙水壓力分布和土壤性質的變化，將成為SLOPE/W的輸入數(shù)據(jù)，用于分析河岸穩(wěn)定性。FOS結果表明，當FOS高于1時，河岸穩(wěn)定。結果和討論側重于建立FOS與初始飽和度、降雨強度和土壤水力傳導率的不同條件之間的關系支持輸入數(shù)據(jù)的現(xiàn)場調查、實驗室測試和監(jiān)測包括3個因素組：河岸幾何形狀、土壤性質和水力條件(如河流水位和降雨強度)。針對不同的初始飽和條件、土壤導水率和降雨強度，進行了河岸穩(wěn)定性分析。初始飽和條件由初始河流水位和毛管高度或最大負水頭確定。在SEEP/W中，最大負水頭可用于建立預定負孔隙壓力剖面的假設，然后可建立飽和條件。其他模擬因子，如土壤導水率和降雨強度，被設置為土壤性質和邊界之間的差異。

3.2 河岸幾何與水力邊界條件

本文使用河岸配置，初始條件如圖3所示。河岸的坡度為52°，高度為10m。河岸為均質粉土，下方為砂層。所分析的土壤性質如圖1—2所示。在SEEP/W模型中建立了河流水位(RWL)和降雨強度的邊界條件。使用圖3所示的河岸配置，初始RWL是從底部到3m的河流現(xiàn)場邊界，函數(shù)RWL-time是整個橫向河岸的邊界。

根據(jù)每日監(jiān)測數(shù)據(jù)確定降雨強度。雨季為6月中旬至9月中旬，8月經(jīng)常出現(xiàn)強降雨。圖4顯示了雨季(2016年8月)部分雨天的降雨強度(RI，mm/h)的變化，其中研究區(qū)河岸的一些站點發(fā)生了斷裂。為了模擬降雨強度對河岸穩(wěn)定性的影響，使用了3種降雨強度：RI=10mm/h；RI=30mm/h；RI=50mm/h；初始RWL設置為3m。

利用SEEP/W建立了初始孔隙水壓力和飽和條件，該函數(shù)是根據(jù)非飽和土的孔隙水壓力建立的。地下水位以上的土壤區(qū)域分為兩個子區(qū)域：地表附近的干燥區(qū)和地下水位附近的部分飽和區(qū)?？紫端畨毫D呈線性，從地下水位到最大負水頭呈負斜率。這意味著在干燥區(qū)，表面附近的負孔隙水壓力可能變得過高。事實上，土壤從來都不是完全干燥的，總是保留一定量的水分。小的表面通量有改變孔隙水壓力剖面的作用。圖5顯示了非干燥表面條件下的孔隙水壓力剖面，其中，負孔隙水壓力呈負線性傾斜至最大負孔隙水壓力，并保持恒定值，以響應土壤含水量。最大負孔隙水壓力的大小取決于導水率函數(shù)的形狀，在較小程度上取決于滲透速率。在SEEP/W中，設置最大負壓頭可以指示現(xiàn)場孔隙壓力剖面。根據(jù)土壤含水量和土壤吸力曲線的調查和試驗數(shù)據(jù)，可以確定孔隙壓力值或飽和度。

圖3 初始河岸配置

圖4 2016年8月部分雨天的高降雨強度小時降雨量

圖5 根據(jù)飽和條件計算孔隙壓力條件

為了模擬初始孔隙壓力和飽和條件的影響，將不同的初始負孔隙壓力分別設置為15kPa和33kPa。在這些壓力下，土壤相對含水量分別為41%和33%，飽和度分別為87%和70%。這些是雨季初期和雨季的平均實驗值。初始河岸土壤的飽和導水率為Ks=7.39×10-5cm/s。為了模擬土壤導水率對降雨入滲過程和河岸穩(wěn)定性的影響，使用了3個飽和導水率值來表示初始飽和導水率：Ks=7.39×10-3cm/s，Ks=7.39×10-4cm/s，Ks=7.39×10-5cm/s。Ks=7.39×10-3cm/s的導水率被視為高導水率(Hi)；Ks=7.39×10-4cm/s被視為中等導水率(Mi)；Ks=7.39×10-5cm/s被視為低導水率(Li)。圖6顯示了3條非飽和導水率曲線，這3條曲線對應于上述3個導水率值以及河岸粉土的相同吸力特性。

圖6 分析中使用的不同非飽和水力曲線

4 降雨強度和導水率影響分析

降雨強度和降雨累積均對FOS產生影響。隨著降雨強度和降雨累積的增加，F(xiàn)OS降低到一個較低的值(如圖7所示)。在之前提到降雨強度的大多數(shù)研究中也發(fā)現(xiàn)了這一結果。圖7的A1、A2、B1、B2、C1、C2顯示了在地表有積水和無積水的情況下，F(xiàn)OS的變化不僅取決于降雨強度和降雨累積，還取決于土壤導水率。在圖7中，圖中FOS等于1的虛線表示發(fā)生了河岸破壞。

(1)當Ks=7.39×10-3cm/s時，兩種邊界情況下FOS的變化趨勢相同。在3種不同RIs的情況下，從降雨事件開始到大約30h，F(xiàn)OS以相同的速率下降。降雨30h后，F(xiàn)OS隨降雨強度的不同而變化。RI越高，F(xiàn)OS越低。RI=10mm/h時，河岸穩(wěn)定；然而，RI=50mm/h時，河岸在36h后發(fā)生破壞，RI=30mm/h時，河岸在40h后發(fā)生破壞。結果與Rahimi等人獲得的結果具有相同的趨勢。

(2)當Ks=7.39×10-4cm/s，在有積水的情況下，F(xiàn)OS的范圍為1.36至0.39(圖7B1)，在沒有積水的情況下，F(xiàn)OS的范圍為1.39至1.03(圖7B2)。在這2種情況下，當RI為10mm/h時，F(xiàn)OS變化不顯著；然而，當RI分別為50mm/h和30mm/h時，分別在55h和110h后，F(xiàn)OS迅速下降。在有積水的情況下，河岸破壞分別發(fā)生在60h和115h，RI=50mm/h和RI=30mm/h。在沒有積水的情況下，只有當RI=50mm/h時，才會發(fā)生河岸破壞。

(3)當Ks=7.39×10-5cm/s時，在有積水的降雨邊界內，F(xiàn)OS明顯降低(圖7的C1)，但在沒有積水的邊界內，F(xiàn)OS僅發(fā)生輕微變化(圖7的C2)。在有積水的情況下，隨著累積量從1.38增加到0.2，F(xiàn)OS降低。降雨強度越大，河岸破壞發(fā)生越快。當降雨強度為50mm/h和30mm/h時，河岸分別在16h和26h后發(fā)生破壞，在沒有積水的情況下，F(xiàn)OS在小范圍內下降不明顯，所有降雨強度在1.37～1.35之間，經(jīng)過5d的降雨，河岸穩(wěn)定。

上述分析結果表明，排水條件(積水或無積水)對FOS的變化有很大影響，當河岸導水率較高時，河岸崩塌的可能性亦較高。相反，當水面有積水存在時，低導水率的河堤較高導水率的河堤更容易發(fā)生破壞。在表面有一個積水的情況下，多余的雨水不僅形成了一個負載壓力，而且還形成了一個濕潤鋒，從而使水流速度下降得更快。在HC

圖7 不同降雨強度及導水率條件下的FOS

5 結語

初始條件如飽和度和地下水位是決定雨季河岸邊坡穩(wěn)定性的首要因素。初始條件的設置會導致不同的入滲、滲流和地下水壓力的變化機理。降雨過程中，雨水通過孔隙水壓力的變化，受降雨強度和導水率控制的濕潤峰兩個過程滲入河岸，濕潤峰和積水面積是引起變化的主要因素，在沒有積水的情況下，濕潤峰位于淺表面上，下降速度很慢，降雨水的瞬時滲流發(fā)生得很慢。非飽和土性質的瞬時滲流變化以及土壤吸力的喪失是導致低飽和度下降的主要原因。在低強度長歷時的降雨工況下，高坡度河岸及高導水率裂縫更易造成河岸破壞。