降雨入滲條件下邊坡穩定性分析

王立中

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

降雨入滲條件下邊坡穩定性分析

王立中

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

基于非飽和土力學理論，利用有限元方法對降雨條件下邊坡的飽和-非飽和滲流及穩定性進行探討。數值分析表明，雨水入滲使邊坡非飽和區土體的基質吸力減小，是導致邊坡穩定性降低的主要因素。

降雨入滲 滲流場 孔隙水壓力 邊坡穩定性

降雨入滲邊坡一方面使土體的孔隙水壓力增加，有效應力降低，導致土體抗剪強度降低[1，2]；另一方面，降雨入滲使邊坡體內形成暫態飽和區及暫態水壓力，降低了邊坡非飽和區的基質吸力，導致邊坡的穩定性降低[3]。在降雨條件下，對邊坡的滲流規律進行研究，通過數值軟件分析，確定土體內水分的分布情況和孔隙水壓力的變化規律。最后，對邊坡穩定性進行評價。

1 基本理論

1.1 降雨入滲引起的暫態滲流場和強度場

根據水動力學理論可知，水在非飽和土中的滲流也服從達西定律，但非飽和土的滲流系數k不是常量，而是飽和度或基質吸力的函數，該函數常被稱為滲透性函數。在土坡穩定性分析中，當地下水位埋藏較淺時，非飽和區土壤水運動和飽和區地下水的運動是互相聯系的，滲流分析中應將兩者統一進行研究，即所謂飽和、非飽和流動問題。對于考慮滲透各向異性的二維飽和、非飽和流動問題[4]，非穩態滲流的偏微分方程式為

(1)

其中kx，ky分別為x和y方向的大、小滲透系數；mω為水的體積變化系數；γω為水的容重，對于各向同性的土，只要令式中kx=ky=k(ua-uω)即可。在飽和區，水的滲透系數等于飽和的滲透系數ks，水的體積變化系數mω便趨于水的體積變化系數mv；在非飽和區，水的滲透系數k=k(ua-uω)，即為基質吸力的函數。

通過求解式(1)，即可得到坡體內的滲流場，采用GEO—SLOPE公司的Seep/W軟件對式(1)進行有限單元法求解。邊界條件定義為：當降雨強度大于體滲透系數時，采用定水頭邊界條件；反之，采用流量邊界條件。

文獻[5]認為，非飽和土的抗剪強度由有效粘聚力c′、凈法向應力(σ-σa)引起的強度以及基質吸力(ua-uω)引起的強度組成。凈法向應力引起的強度與有效內摩擦角有關，而基質吸力引起的強度與另一角度φb有關。即

(2)

式中c′,φ′為有效黏聚力和有效內摩擦角；φb為強度隨基質吸力變化的內摩擦角。大量試驗表明，φb隨著基質吸力的變化而變化。

1.2 考慮降雨入滲的邊坡穩定性分析

降雨入滲是邊坡失穩破壞的主要誘導因素，降雨引起土體的含水量增大，使邊坡土體的基質吸力減小，孔隙水壓力增大[6]。含水量增大使土體的抗剪強度減小[7，8]，導致邊坡穩定性降低。對土質邊坡來說，黏聚力隨含水量的增大迅速降低，邊坡很有可能因此而失穩。

在考慮降雨入滲的邊坡穩定性分析時，先通過滲流有限元計算得到土坡內的含水量和孔隙水壓力的分布情況，再用有限單元法求得土質邊坡內重力場的變化情況，最后運用條分法進行安全系數計算.并采用網格法搜索最危險滑移面[9，10]。

2 數值模擬

2.1 邊坡模型的建立和降雨方案的設置

現以一典型邊坡為例，分析暴雨條件下滲流的發展過程及其對邊坡穩定性的影響。邊坡計算剖面如圖1所示。γ=19.2 kN/m3，有效黏聚力c′=24.3 kPa，有效內摩擦角φ′=23.8°。降雨前坡腳右側地下水水位埋深為10 m，邊坡坡體內初始孔隙水壓力場分布如圖2所示。飽和情況下的滲流系數取kx=ky=5.1×10-5m/s，滲流計算時，降雨強度取2.3×10-5m/s。

圖1 算例邊坡計算模型(單位：m)

圖2 初始孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖3表達了降雨2天后邊坡坡體內孔隙水壓力的分布情況。

圖3 降雨2天后坡體內孔隙水壓力分布情況(單位：kPa)

邊坡的安全系數(Janbu法)與降雨歷時的變化關系如4圖所示。

圖4 邊坡安全系數與降雨歷時的關系

從圖4可以看出，隨著降雨歷時的增加，邊坡的安全系數急劇減少，并在坡體基本達到飽和后趨于一穩定值，由于雨水入滲引起邊坡安全系數降低的最大幅度達34.2%。隨著降雨強度的減弱，滲流速度大于下滲強度，邊坡的穩定性系數又隨著孔隙水的流出而升高。雨水入滲使邊坡體內形成暫態飽和區及暫態水壓力，降低了邊坡非飽和區的基質吸力，使土體的抗剪強度減小，從而導致邊坡穩定性降低。

3 結論

基于非飽和土力學理論，利用有限元對降雨入滲情況下坡體的滲流及穩定性進行了探討，數值分析表明：

①降雨入滲邊坡非飽和區土體，使土體的基質吸力減小。

②基質吸力減小使土體的內摩擦角φb也隨之減小，所以基質吸力減小是邊坡的穩定性降低的主要因素。

[1] 王曉東，吳連海.強度折減有限元在降雨條件下土質邊坡穩定性分析中的應用[J].鐵道勘察，2012，38(6):47-50

[2] 龐根旺.降雨條件下邊坡穩定性分析[J].工程與建設，2010，24(5):655-657

[3] 黃潤秋，戚國慶.非飽和滲流基質吸力對邊坡穩定性的影響[J].工程地質學報，2002，10(4):343-347

[4] 袁科.庫水位等速下降時岸坡地下水浸潤線的計算[J].鐵道勘察，2011，37(3):58-62

[5] 劉金龍，欒茂田，王吉利，等.降雨條件下突破飽和-非飽和滲流及穩定性分析[J].巖土力學，2006，27:103-107．

[6] 曾田，吳逢春，張曉春.降雨條件下邊坡穩定性分析[J]，中外公路，2008，28(4):40-42

[7] 陳祖煜.土質邊坡穩定性分析——原理-方法-程序[M].北京：中國水利水電出版社，2003

[8] 陳守義.考慮入滲和蒸發影響的土坡穩定性分析方法[J].巖土力學，1997，18(2)：8-12

[9] 陳善雄，陳守義.考慮降雨的非飽和土邊坡穩定性分析方法[J].巖土力學，2001，22(4) :448-450

[10] 劉瑩瑩，李勇，方詩圣.考慮降雨入滲的膨脹土邊坡穩定性分析[J].工程與建設，2008，22(2):232-234

StabilityAnalysisofSlopeunderRainfallInfiltration

WANG Lizhong

2013-11-26

王立中(1984—)，男，2008年畢業于中南大學道路與鐵道工程專業，碩士，工程師，E-mail：bajinren4@163.com。

1672-7479(2014)01-0042-02

P642

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