降雨入滲對多層非飽和土邊坡穩(wěn)定性影響

姜 超

（西安市高陵區(qū)渭河管理站,陜西 西安 710200）

1 引言

降雨是引發(fā)邊坡災(zāi)害的重要因素,有調(diào)查顯示90%的邊坡災(zāi)害中滑坡是因降雨發(fā)生。降雨使土體顆粒間的水壓力增大,進(jìn)而使顆?？紫兜幕|(zhì)吸力下降,土體因?yàn)轭w粒間的引力減小抗剪強(qiáng)度降低,滑坡現(xiàn)象發(fā)生。Gavin 等研究了均質(zhì)土坡的雨水入滲模型,推導(dǎo)了不同時刻雨水的浸潤鋒發(fā)展情況。常金源等探究了動水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響,但僅針對等厚勻質(zhì)的土層。

本文結(jié)合某庫岸邊坡工程實(shí)例,針對非飽和土邊坡雨水入滲造成的穩(wěn)定性下降問題進(jìn)行定性分析,并根據(jù)Green-Ampt 模型提出了降雨強(qiáng)度和降雨時間與入滲浸潤鋒深度的計算模型。為不同土層的邊坡穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。

2 分析方法

2.1 邊坡降雨入滲機(jī)理

雨水在滲入土體邊坡時,邊坡的土體會從非飽和逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),而根據(jù)入滲路徑可以將土體剖面入滲過程劃分為四個區(qū)域。具體劃分情況見圖1。根據(jù)土層的由淺入深,水分向深層傳導(dǎo),土體的飽和度逐漸降低,濕潤區(qū)的前段邊緣區(qū)域會出現(xiàn)濕潤鋒。隨著浸潤峰位置的向下移動,含水率曲線呈平穩(wěn)發(fā)展趨勢。

圖1 邊坡入滲剖面圖

降雨入滲對非飽和土邊坡的影響過程被劃分為兩階段,具體的劃分過程見圖2。兩個階段的區(qū)分點(diǎn)被稱為積水點(diǎn)。隨著降雨的進(jìn)行,雨水入滲深度逐漸增加,淺層土體漸漸達(dá)到飽和狀態(tài),飽和土層的厚度和飽和區(qū)域不斷擴(kuò)大,邊坡內(nèi)部出現(xiàn)暫時飽和區(qū)域,該區(qū)域土體的強(qiáng)度要低于非飽和區(qū)域,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的幾率增大。

圖2 入滲率與時間的關(guān)系

2.2 入滲深度計算

Green-Ampt 模型常用于評價土體濕潤鋒的狀況,但在實(shí)際工程中,濕潤鋒之上的土層的含水率要小于飽和土壤,因此本文將經(jīng)典的Green-Ampt 模型改進(jìn),在新的模型中考慮了濕潤鋒之上的土層的含水率問題以及浸潤峰發(fā)展?fàn)顟B(tài),并推導(dǎo)了模型。

（1）浸潤鋒處于第一層土?xí)r,土壤入滲率K1大于降雨強(qiáng)度i,在這種情況下,降雨水量全部滲入土體中,此時t

式中：L1為第一層土厚度用 ,m；n 為第一層土孔隙度用 ,%；t 為降雨時間 ,h；sf為入滲后飽和度；s0為初始飽和度； 為邊坡坡角 ,（°）。

浸潤鋒處于第一層土?xí)r ,土壤入滲率K1（mm/h）小于降雨強(qiáng)度 i（mm/h）, 在這種情況下 , 降雨水量部分滲入土體中 , 此時此時t ≤t1。

通常的實(shí)際工程中非飽和土層大多由多層土壤組成,計算多層非飽和土的浸潤鋒深度,要根據(jù)降雨時間推斷入滲深度和入滲的土層位置,然后在根據(jù)獲得的入滲后飽和度以及入滲率計算多層非飽和土的浸潤鋒深度。

（1）i 層土壤入滲率Ki（mm/h）大于降雨強(qiáng)度i（mm/h）,在這種情況下,降雨水量全部滲入i（mm/h）層土體中：

式中：Li-1為第i-1 層土厚度,m；ni為第i 層土孔隙度,%；t為降雨時間,h；sfi為入滲后飽和度；s0i為初始飽和度；α 為邊坡坡角,（°）。

（2）i 層土壤入滲率K1小于降雨強(qiáng)度i,在這種情況下,降雨水量部分滲入i 層土體中：

雨水在滲入土體邊坡時,邊坡的土體會從非飽和逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),淺層的土壤可以快速達(dá)到飽和狀態(tài),在以下位置的土層僅能達(dá)到接近飽和的狀態(tài)。這部分土體的飽和度多在80%~90%之間。在本文中選取這部分土體的含水量為飽和土體的0.9。同時本文在進(jìn)行擬合計算時,假設(shè)土體滲透系數(shù)的數(shù)值等于入滲率。

2.3 多層非飽和土降雨入滲邊坡穩(wěn)定性

文中土體的內(nèi)摩擦角取值參考涂平暉的研究結(jié)論,在數(shù)值上等于天然內(nèi)摩擦角。采用強(qiáng)度折減法分析邊坡的穩(wěn)定性。在強(qiáng)度折減法中土體的內(nèi)摩擦角c（kPa）和粘聚力（°）均要除以F,F 為折減系數(shù),之后得到虛擬c'（kPa），φ'（°）值,帶入模型中進(jìn)行計算。但邊坡處失穩(wěn)的臨界情況時,F 被稱為穩(wěn)定性系數(shù)。F 的計算公式為：

本文構(gòu)建的模型使用了摩爾-庫侖準(zhǔn)則,假設(shè)土體為彈塑性體,折減系數(shù)的取值范圍為0.5~2,以0.25 為間隔。計算穩(wěn)定系數(shù)前需要先初步計算一個大概范圍,然后將折減系數(shù)精細(xì)化,最后計算出準(zhǔn)確的穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)邊坡失穩(wěn)時,發(fā)生失穩(wěn)部分的坡體會由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài),坡體發(fā)生滑動,產(chǎn)生塑性應(yīng)變和大位移。此時滑動面的土體處于塑性流動狀態(tài),在此情況發(fā)生時,可以判定邊坡失穩(wěn),在建模軟件中表現(xiàn)為計算結(jié)果不收斂。

3 工程概況

本文以某庫岸邊坡為研究對象,由于夏季強(qiáng)降雨和臺風(fēng)的影響,在連續(xù)24 小時降雨量為156.7 mm 時,邊坡坡體發(fā)生滑移變形。坡體前緣74 m 和后緣50 m 出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,形成裂縫錯距1.6 m~3.4 m。

發(fā)生滑坡區(qū)域的的主體構(gòu)架為東北向。該地區(qū)年平均溫度為26℃,多年的平均降雨量為1635.6 mm,年降雨量可達(dá)2652.8 mm,邊坡坡度為30°~40°,高程為10.3 m~46.4 m。坡體大面積被植被覆蓋,鉆孔勘探發(fā)現(xiàn)從上到下共分為4 個土層,對每個土層的土壤進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),土質(zhì)力學(xué)性能較差,抗剪強(qiáng)度低,以發(fā)生崩解,土層具體參數(shù)見表1。

表1 邊坡土層參數(shù)

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 建立模型

根據(jù)庫岸邊坡的實(shí)測數(shù)據(jù),選取該地域邊坡的典型剖面進(jìn)行有限元分析計算,建模斷面見圖3。將圖3 進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,使用平面應(yīng)變分析法計算邊坡的失穩(wěn)情況。邊界條件設(shè)置中采用豎向約束,孔壓邊界設(shè)置在地下水位下,邊坡邊界設(shè)置為不排水。

圖3 計算模型剖面圖

4.2 結(jié)果分析

對文中邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時,設(shè)計了兩種工況：極端降雨狀態(tài)和無降雨狀態(tài)。強(qiáng)度折減法用于天然狀態(tài)的分析計算。根據(jù)極端降雨情況的計算的降雨入滲深度和邊坡浸潤面（見圖4）。極端降雨狀態(tài)和無降雨狀態(tài)的穩(wěn)定性安系數(shù)和降雨入滲深度見表2。

表2 不同工況下降雨入滲深度

圖4 實(shí)際強(qiáng)降雨工況浸潤鋒位置

在無降雨的情況下邊坡會存在潛在滑動面。滑動面的前緣在坡中處,后緣在高壓線塔的下方。潛在滑動面會沿邊坡深層的巖面滑動,在巖土的交界面處兩者的力學(xué)特性存在顯著差異,安全系數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)數(shù)值大于1.5,因此在無降雨的情況下,坡體處于穩(wěn)定安全狀態(tài),具體情況見圖5。在極端降雨的條件下,設(shè)置的穩(wěn)定安全系數(shù)小于1,滑坡面的前緣移動到坡中上方的路面處,后緣處于高壓電塔前5 m 左右,具體情況見圖6。由于雨水的入滲,濕潤鋒以上土層的土體含水率越來越高,土體自身重力增大,基質(zhì)吸力也隨之減小,粘聚力下降,表現(xiàn)為土體整體的抗剪強(qiáng)度降低。

圖5 無降雨工況塑性區(qū)分布圖（F s=1.57）

圖6 實(shí)際強(qiáng)降雨工況塑性區(qū)分布（F s=0.98）

由圖6 可知實(shí)際的滑動面位置與理論計算的滑動面位置比較吻合,得到的穩(wěn)定系數(shù)為0.98,符合在極端降雨條件下出現(xiàn)的工程實(shí)際?；潞缶壩恢门c剪切破口位置吻合,但實(shí)際滑坡面的深度要大于理論計算深度,原因可能是忽略了不同土層間雨水入滲的特性不同導(dǎo)致。通過圖9 中試驗(yàn)現(xiàn)象的比較發(fā)現(xiàn),采用文中提出的模型結(jié)合有限元建模對非飽和土邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析是可行的。

4.3 邊坡穩(wěn)定性參數(shù)敏感性分析

4.3.1 降雨歷時的影響

降雨強(qiáng)度降雨時長是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素,為了探究這兩個因素對非飽和土邊坡的穩(wěn)定性影響規(guī)律,設(shè)置不同降雨時長和降雨強(qiáng)度作用在邊坡上,觀測滑動面的變化情況,具體工況安排見表3。不同工況的計算結(jié)果見圖7、圖8。由圖可知,相較于長期降雨,短期降雨容易發(fā)生淺層的邊坡失穩(wěn)情況,主要是因?yàn)槎唐诮涤甑慕涤陱?qiáng)度大,土體入滲速率可以達(dá)到5.3 mm/h~7.3 mm/h,雨水的入滲速率遠(yuǎn)小于降雨強(qiáng)度,75%的雨水從坡面徑流排出,平均入滲深度僅有0.6 mm。因此短時降雨的雨水入滲量較小,淺層土壤先達(dá)到飽和狀態(tài),濕潤峰位置較淺。在長期降雨后,雖然降雨量較小,但雨水入滲量大,入滲深度增加到0.79 m,達(dá)到較高飽和度的土層深度增大,會出現(xiàn)較大范圍較深層得邊坡失穩(wěn)情況。

表3 不同工況下降雨入滲深度及穩(wěn)定性安全系數(shù)

4.3.2 降雨強(qiáng)度的影響

降雨強(qiáng)度和降雨時長是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素,為了探究這兩個因素對非飽和土邊坡的穩(wěn)定性影響規(guī)律,設(shè)置相同降雨時長和不同降雨強(qiáng)度作用在邊坡上,觀測滑動面的變化情況,具體工況安排見表4。結(jié)果表明邊坡的最大入滲深度與降雨強(qiáng)度呈正比,降雨強(qiáng)度越大,雨水入滲越深。邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)與降雨強(qiáng)度呈反比,降雨強(qiáng)度越大,邊坡越容易出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。邊坡的滑動面深度和寬度與降雨強(qiáng)度呈正比,降雨強(qiáng)度越大,滑動面面積越大。浸潤鋒處于粉質(zhì)黏土層時,發(fā)生滑動的位置在浸潤鋒前段；當(dāng)雨水繼續(xù)入滲,浸潤深度處于土-巖結(jié)合和界面時,邊坡的滑動主要源于基巖界面,雨水入滲在巖石的表面形成水膜,起到潤滑的作用,加速了邊坡土體的滑動,促進(jìn)里邊坡的失穩(wěn)發(fā)生。

表4 不同工況下降雨入滲深度及穩(wěn)定性安全系數(shù)

5 結(jié)論

（1）雨水的入滲會是濕潤鋒以上土層的含水率上升,導(dǎo)致土體自身重力增大,基質(zhì)吸力減小,粘聚力下降,致使土體的抗剪強(qiáng)度降低。

（2）短期降雨容易發(fā)生淺層的邊坡失穩(wěn)情況,因?yàn)槎唐诮涤甑慕涤陱?qiáng)度大,雨水的入滲速率遠(yuǎn)小于降雨強(qiáng)度,大量的雨水從坡面徑流排出,平均入滲深度很小。

（3）長期降雨的降雨量較小,但雨水入滲量大,入滲深度增加,達(dá)到較高飽和度的土層深度增大,會出現(xiàn)較大范圍較深層的邊坡失穩(wěn)情況。

（4）邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)與降雨強(qiáng)度呈反比,降雨強(qiáng)度越大,邊坡越容易出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。