降雨條件下土質(zhì)邊坡入滲深度的估算

管憲偉 錢財富（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230000 安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

降雨條件下土質(zhì)邊坡入滲深度的估算

管憲偉 錢財富
（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230000 安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

本文主要利用入滲流量相等的原理，基于達(dá)西定律和土體基本性質(zhì)，提出了降雨條件下土質(zhì)邊坡入滲深度的估算方法，并通過實例計算與降雨對邊坡滑動類型比較驗證了計算方法的合理性。

降雨入滲 入滲深度 飽和區(qū) 滲透系數(shù)

據(jù)統(tǒng)計，降雨是土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素之一。降雨誘發(fā)滑坡大致可以分為兩種：一種是深層滑坡，降雨造成地下水位上升，孔隙水壓力增加所致；另一種是淺層滑坡，降雨入滲導(dǎo)致邊坡土體抗剪強度降低所致。

一般雨水滲透到坡體內(nèi)部，引起滲流場的變化，從而使作用在土體上的動水荷載和靜水荷載增大，土體抗剪強度降低。邊坡土體的含水量增大，同時產(chǎn)生一定的滲流力，使邊坡的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑動破壞。降雨破壞邊坡過程：降雨—雨水邊坡滲透—邊坡土體重力增大、強度降低—穩(wěn)定系數(shù)減小—局部失穩(wěn)滑動—滑動破壞。所以對降雨土質(zhì)入滲深度確定尤為重要，傳統(tǒng)非穩(wěn)定滲流計算方法比較繁瑣，計算參數(shù)獲取比較困難，本文通過估算的方法計算降雨后土層入滲深度，為降雨對邊坡的穩(wěn)定分析提供可靠支撐。

表1 邊坡土質(zhì)指標(biāo)

表2 降雨邊坡入滲深度估算表

1 降雨入滲機理

降雨入滲是一個非常復(fù)雜的過程，包括坡頂入滲、坡面入滲、順裂隙入滲、裂隙向土體滲流和重力條件下土體內(nèi)滲流等多種形態(tài)。

當(dāng)降雨強度小于邊坡土體滲透系數(shù)時，降雨很容易滲流到土體深部飽和區(qū)，直接補給地下水，而淺部土體難以達(dá)到較高的飽和度。當(dāng)降雨強度大于邊坡土體的入滲率時，一方面雨水使土體邊坡淺層迅速達(dá)到飽和，坡面形成地表徑流，對坡面造成沖刷；另一方面雨水滲透到坡體內(nèi)部，引起滲流場的變化。降雨邊坡入滲一般為降到邊坡上的雨水，開始以非飽和狀態(tài)垂直向下滲透，隨著雨水的不斷進(jìn)入，非飽和土體逐漸飽和，變?yōu)轱柡头€(wěn)定滲流。非飽和滲流與飽和滲流一樣，均符合達(dá)西定律：

式中：vi—水的達(dá)西流速；

kij—飽和滲透系數(shù)；

H—總水頭。

水流運動在飽和區(qū)和非飽和區(qū)的主要區(qū)別在于滲透系數(shù)的不同。在飽和區(qū)，一般認(rèn)為滲透系數(shù)為常數(shù)，而在非飽和區(qū)，滲透系數(shù)是和飽和度、基質(zhì)吸力有關(guān)的一個關(guān)系式。在非飽和區(qū)，孔隙水壓力為負(fù)值，而在飽和區(qū)為正值。

2 降雨土層入滲深度估算方法

降雨落入邊坡后，一部分形成徑流流出，一部分深入土質(zhì)邊坡中。邊坡表面一開始為非飽和入滲，隨著時間的推移，雨水的不斷滲入逐漸變?yōu)轱柡腿霛B。由降雨入滲機理可知非飽和滲流與飽和滲流一樣，均符合達(dá)西定律。所以邊坡單位時間滲流量q可按下式進(jìn)行計算：

式中：q—單位滲流量；

k—飽和滲透系數(shù)；

i—水力比降。

雨水滲入使土體飽和，所以飽和土體的多少，主要取決于入滲量的多少。假設(shè)雨水隨邊坡入滲均為垂直向下。設(shè)入滲深度為H，單位時間內(nèi)的滲流量按（2）式進(jìn)行計算，按單

寬計算飽和土體體積為V：

土體飽和含水率為：

設(shè)土體飽和度為Sr，土體干密度為ρ，則土體完全飽和需要的滲入水量q為：

故入滲深度H估算公式為：

將（2）代入（6）中得單位時間入滲深度：

由式（7）可知入滲深度和滲透系數(shù)成正比，和干密度和孔隙比成反比。

3 計算實例

3.1 計算參數(shù)選擇

為計算降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響，此次選擇計算邊坡斷面為1∶3，邊坡高度為10m。邊坡土質(zhì)為中粉質(zhì)壤土。具體土質(zhì)指標(biāo)見表1。

3.2 計算成果

根據(jù)工程實際，降雨后坡面一般不存在積水，為貼坡入滲，滲透水頭和滲徑基本相等，所以入滲計算水力坡降為1。現(xiàn)根據(jù)公式（7）計算降雨時間為1h、2h、4h、6h、12h和24h入滲深度，具體結(jié)果見表2。

由計算公式和計算成果可知，土質(zhì)一定的邊坡入滲深度和降雨時長成正比關(guān)系，降雨持續(xù)時間越長，入滲深度越大。

連續(xù)降雨24h入滲深度為77.5cm，僅邊坡淺層受到降雨的影響，這和不考慮地下水位上升時，降雨引起邊坡滑動為淺層滑動破壞的自然現(xiàn)象基本吻合。

4 結(jié)論

本文基于入滲流量平衡，提出了入滲深度和滲透系數(shù)成正比，及干密度和孔隙比成反比的估算降雨條件下邊坡入滲深度的計算公式，并通過實例計算了不同降雨時長邊坡入滲深度，為研究降雨對邊坡穩(wěn)定的影響提供可靠的分析依據(jù)