降雨入滲作用下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

縱 崗，梅 嶺，姜朋明，陳小健 （江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

降雨是一種常見的天氣現(xiàn)象，也是眾多邊坡工程事故的重要誘發(fā)因素。降雨導(dǎo)致土體內(nèi)部的孔隙水壓力發(fā)生變化，基質(zhì)吸力減小，土體的抗剪強(qiáng)度降低發(fā)生滑坡事故。不同的降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度也不同，因此研究各種雨況下的邊坡穩(wěn)定性十分必要。西南地區(qū)作為我國滑坡事故的常發(fā)地帶，針對(duì)該地區(qū)的降雨特點(diǎn)，筆者對(duì)降雨入滲作用下的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，以便為滑坡的預(yù)防和治理提供參考??江蘇科技大學(xué)研究生創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目 （2012－35）。。

1 飽和－非飽和滲流理論

在降雨條件下的邊坡滲流場(chǎng)的分析中，雨水的流動(dòng)是典型的二維飽和－非飽和問題，達(dá)西定律仍然適用其滲流規(guī)律的描述。土體內(nèi)非飽和－飽和滲流的控制方程形式為［1－4］：

式中，h為總水頭，m；kx和ky分別為x和y方向的滲透系數(shù)，m／s；w為含水層中流入或流出的水量，m3／s；mw為比水容量，m3／kg；ρw為水的密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；t為時(shí)間，h。

水頭邊界條件如下：

式中，k為總的滲透系數(shù)，m／s；n為水流外法線的方向向量。流量邊界條件如下：

式中，q為邊界上的流量，m3／s；Γ1、Γ2分別為水頭邊界和流量邊界的定解函數(shù)。初始條件為：

式中，h0為開始時(shí)刻的水頭，m；Ω為水體流過的區(qū)域，m2。所使用的土水特征曲線模型為V－G數(shù)學(xué)模型［5］：

式中：a、b、n 分別為擬合參數(shù)，k Pa；ψ 為基質(zhì)吸力；θ為體積含水量；θs為飽和體積含水量；θr為殘余體積含水量；Se為飽和度。

該模型的土－水特征曲線如圖1所示。

2 非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論

非飽和土的抗剪強(qiáng)度隨著土體含水量的變化而變化，其計(jì)算公式如下［4］：

圖1 土體吸濕過程中土 －水特征曲線圖

式中，τf為非飽和土的抗剪強(qiáng)度，k Pa；c′為有效粘聚力，k Pa；φ′為有效內(nèi)摩擦角，（°）；σ為總應(yīng)力，kPa；ua為孔隙氣壓力，k Pa；uw為孔隙水壓力，k Pa；x為與飽和度有關(guān)的參數(shù)。

由于基質(zhì)吸力的方向和有效應(yīng)力的方向不一致，因而在計(jì)算摩擦力時(shí)不能簡(jiǎn)單疊加。為此，以正應(yīng)力與基質(zhì)吸力作為變量對(duì)非飽和土的式（2）進(jìn)行了如下修改［6］：

式中，τf為非飽和土的抗剪強(qiáng)度，k Pa；φb為與基質(zhì)吸力有關(guān)的內(nèi)摩擦角，（°）。

3 建立模型和確定計(jì)算方案

以某一均質(zhì)邊坡作為研究對(duì)象，邊坡尺寸及網(wǎng)格劃分模型分別如圖2和圖3所示，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬分析。邊坡的基本參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡土體基本參數(shù)表

圖2 邊坡尺寸圖 （單位：m）

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型圖

4 影響土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素分析

4．1 降雨強(qiáng)度

圖5所示為不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化圖。由圖5可以看出，降雨歷時(shí)一定時(shí)，隨著降雨強(qiáng)度的增加，邊坡的安全系數(shù)隨之減小；降雨強(qiáng)度越大，在相同的降雨時(shí)間內(nèi)安全系數(shù)的降低幅度越大。這是因?yàn)樵诮涤陱?qiáng)度小于土體入滲強(qiáng)度的情況下，降雨強(qiáng)度越大，雨水入滲量越多，基質(zhì)吸力減小導(dǎo)致坡體安全性降低［7］。

4．2 降雨歷時(shí)

圖6所示為邊坡在不同降雨歷時(shí)條件下坡肩孔隙水壓力隨高程變化圖。從圖6可以看出，與降雨前相比，雨后邊坡的孔隙水壓力上升幅度大致相同；隨著降雨歷時(shí)的增加，孔隙水壓力增加較小，其主要原因是降雨強(qiáng)度不變且相對(duì)較小，雨量增加且全部滲入土體，沒有在邊坡上部區(qū)域形成暫態(tài)飽和區(qū)，所以孔隙水壓力變化較為均勻。

圖7所示為不同降雨歷時(shí)條件下邊坡安全系數(shù)變化圖。從圖7可以看出，當(dāng)降雨強(qiáng)度不變時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加而不斷減小。在開始的12h內(nèi)，邊坡安全系數(shù)降低幅度最大，之后邊坡安全系數(shù)降低幅度明顯變緩。這是因?yàn)樵诮涤瓿跗冢馏w的入滲能力大，雨水基本上全部滲入，隨著入滲量的增加，土體的入滲能力減小，使土體含水量增加的趨勢(shì)減慢，從而導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低幅度變緩。

4．3 前期降雨過程

圖5 邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化圖

圖6 不同降雨歷時(shí)下孔隙水壓力隨高程變化圖

不同前期降雨過程會(huì)對(duì)后期降雨入滲產(chǎn)生重要影響，這種影響主要體現(xiàn)在導(dǎo)致后期降雨初始條件的含水量發(fā)生變化 （或初始?jí)毫λ^分布不同），所以考慮前期降雨的影響就相當(dāng)于考慮不同的邊坡初始含水量對(duì)降雨入滲的影響。為了解前期降雨對(duì)后期的影響，將前期的降雨過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，取前期降雨強(qiáng)度為10mm／h，持續(xù)時(shí)長為12h。

圖8所示為邊坡安全系數(shù)和前后期降雨時(shí)間間隔的關(guān)系，從圖8可以看出，隨著降雨時(shí)間間隔的增大，邊坡安全系數(shù)隨之下降。當(dāng)時(shí)間間隔為18d時(shí)，安全系數(shù)降低到最小值，然后隨著時(shí)間間隔的增加，邊坡安全系數(shù)隨之增加。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：前期降雨結(jié)束后，邊坡土體內(nèi)非飽和區(qū)的含水量增大，非飽和滲透系數(shù)隨著含水量的增大而增大，將此狀態(tài)作為后期降雨的初始狀態(tài)求解降雨入滲非飽和滲流問題時(shí)，邊坡的實(shí)際入滲能力較沒有前期降雨的情況下大的多。在前期降雨條件下的初期，雨水實(shí)際入滲量考慮前期降雨的較多。隨著時(shí)間的推移，土壤水逐漸下滲，抵達(dá)浸潤面后從飽和區(qū)流出，非飽和區(qū)含水量逐漸減少，飽和度降低，前期降雨的影響也逐漸減小。

圖7 邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化圖

圖8 邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間間隔變化圖

4．4 土體滲透特性

土體的滲透特性會(huì)直接影響到水分的入滲速度。在相同邊界條件和降雨條件下，對(duì)于非飽和、非穩(wěn)定滲流而言，不同滲流速度必然會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)滲流場(chǎng)分布的不同［8］。所以土體的滲透性對(duì)降雨條件下非飽和滲流場(chǎng)分布的影響起著十分重要的作用，從而也對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響起著關(guān)鍵作用。

圖9所示為不同滲透系數(shù)條件下邊坡安全系數(shù)與降雨歷時(shí)關(guān)系圖。從圖9可以看出，在降雨歷時(shí)相同時(shí)，土體滲透系數(shù)越大，邊坡安全系數(shù)也越大。在降雨結(jié)束時(shí)，滲透系數(shù)越小，邊坡安全系數(shù)下降幅度越大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：當(dāng)滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度時(shí)，邊坡的實(shí)際入滲的降雨量是由降雨強(qiáng)度來確定的。土體的滲透能力比較強(qiáng)，雨水全部滲入土體，并且通過土體滲入到較深部位的飽和區(qū)，并不會(huì)在淺部土體停留形成暫態(tài)的飽和區(qū)，對(duì)上部土體的孔隙水壓力幾乎不會(huì)造成太大的影響，上部土體的基質(zhì)吸力幾乎沒有減小，仍保持原有的土體狀態(tài)。滲入到飽和區(qū)的雨水會(huì)導(dǎo)致地下水位面的升高或者通過飽和區(qū)流走，在這種情況下邊坡安全系數(shù)有所下降但幅度不大；當(dāng)滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度時(shí)，邊坡的實(shí)際入滲雨量則由土體的滲透特性來決定，此時(shí)降雨強(qiáng)度相對(duì)較大，土體上部的雨水來不及下滲，會(huì)導(dǎo)致上部土體快速接近飽和，上部土體基質(zhì)吸力減小，土體的抗剪強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性降低的較快，因而在滲透系數(shù)相對(duì)較小的情況下，邊坡安全系數(shù)的下降幅度更大。

4．5 降雨類型

圖10所示為不同降雨類型條件下孔隙水壓力隨高程變化圖。從圖10可以看出，在短時(shí)強(qiáng)降雨條件下，表層的土體接近飽和狀態(tài)，其主要原因是此時(shí)的降雨強(qiáng)度大于土體的飽和滲透系數(shù)，水分在邊坡內(nèi)部的運(yùn)移很慢，在邊坡的上部形成暫態(tài)飽和區(qū)。在長時(shí)弱降雨條件下，上部土體遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到飽和，只是影響深度加大，也就是說如果一旦發(fā)生土體滑坡，長時(shí)弱降雨條件下的滑坡危害性會(huì)更大。

圖9 不同滲透系數(shù)條件下邊坡安全系數(shù)與降雨歷時(shí)關(guān)系圖

圖10 不同降雨類型條件下孔隙水壓力隨高程變化圖

5 結(jié) 論

（1）邊坡的安全性隨著降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)增加而不斷降低。

（2）前期降雨過程通過改變后期降雨的初始含水量來間接影響邊坡的穩(wěn)定性，并隨著降雨時(shí)間間隔的增長呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。

（3）土體滲透特性對(duì)邊坡穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用，土體滲透系數(shù)越大，邊坡安全性能也隨之增強(qiáng)。

（4）與短時(shí)強(qiáng)降雨相比，長時(shí)弱降雨對(duì)邊坡的危害程度更大。

［1］吳夢(mèng)喜，高蓮士 ．飽和－非飽和土體非穩(wěn)定滲流數(shù)值分析 ［J］．水利學(xué)報(bào)，1999，30（12）：38－43．

［2］毛昶熙，段祥寶，李祖貽 ．滲流數(shù)值計(jì)算與程序應(yīng)用 ［M］．南京：河海大學(xué)出版社，1999．

［3］顧慰慈 ．滲流計(jì)算原理及應(yīng)用 ［M］．北京：中國建材工業(yè)出版社，2000．

［4］吳林高，繆俊發(fā)，張瑞，等 ．滲流力學(xué) ［M］．上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996．

［5］朱軍，劉光延，陸述遠(yuǎn) ．飽和非飽和三維多孔介質(zhì)非穩(wěn)定滲流分析 ［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào) （工學(xué)版），2001，34（3）：5－8，26．

［6］趙慧麗，馬易魯，牛紅凱 ．非飽和土抗剪強(qiáng)度研究方法的探討 ［J］．巖土工程技術(shù)，2001（3）：142－145．

［7］陳祖煜 ．土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析 ［M］．北京：中國水利水電出版社，2003．