降雨入滲條件下非飽和黏土邊坡穩定性分析

楊迪惠，李建華

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降雨入滲條件下非飽和黏土邊坡穩定性分析

楊迪惠，李建華

（四川省核工業地質局二八一大隊，四川西昌 615000）

大量研究表明，主要且直接誘發邊坡失穩的主要因數是降雨，雨水入滲對非飽和土質邊坡穩定性的影響最大。分析非飽和黏土邊坡基質吸力和滲流場影響，采用有限元軟件FLAC2D建立非飽和黏土邊坡的數值模型，研究計算在降雨強度不同條件下，降雨時間相同和降雨總量相同這兩種情況對邊坡穩定性的影響。結果表明：非飽和黏土邊坡內部的剪應變增量隨降雨強度的變大而增大，邊坡的位移也和降雨強度呈正相關關系，降雨強度越大越容易造成黏土邊坡表層失穩。

黏土邊坡；降雨；數值模型；穩定性分析

我國西南地區山區地貌多樣，第四系堆積層較厚，雨季降雨強度較大且降雨持續時間較長，容易發生滑坡這類地質災害，給國家健康穩定的經濟建設及人民生命財產安全帶來極大的隱患。通過文獻資料，因為降雨強度過大而誘發形成災害的滑坡占到滑坡總數的絕大部分，經過大量研究表明，最主要且直接誘發邊坡產生失穩的主要環境因數是降雨入滲，換句話說，降雨入滲對非飽和土質邊坡穩定性的影響程度最大。在常規降雨條件下，我們對邊坡設計是將土體視為飽和狀態，但在絕大部分邊坡中除開土質基質，還存在圍繞著土基質之間的水和氣體兩相流，也就是非飽和土，所以有必要對非飽和土坡進行研究。非飽和土的物理力學性質在持續降雨過程中會產生很大變化，雨水入滲使邊坡內部形成暫態水壓力，土體飽和度增加，原本的基質吸力平衡狀態被打破，導致非飽和土體的基質吸力下降，同時雨水還沿著坡體中原有的裂隙、破裂帶逐漸入滲，降低滑帶的摩擦力，產生動、靜水壓力從而使坡體的抗剪強度大幅減弱，最終導致坡體破壞[1-4]。

分析通過某個具體非飽和黏土邊坡工程實例，采用有限元軟件FLAC2D建立非飽和黏土邊坡的數值模型，結合非飽和土滲流理論，研究計算在降雨強度不同的條件下，降雨時間相同和降雨總量相同這兩種情況對邊坡穩定性的影響。

1 非飽和土基本理論

目前，大多數關于非飽和土強度理論的計算公式是Bishop和Frelund等學者提出來的，為研究非飽和土質邊坡的穩定性奠定了基礎。

雨水入滲使土質邊坡內部形成暫態水壓力，增加土體飽和度，導致土體顆粒之間的有效應力降低，即減弱了非飽和土體的基質吸力，土體的抗剪強度隨之減弱。根據Bishop有效應力原理可以得到非飽和土的抗剪強度公式為[5-6]

在此基礎上，Frelund提出的非飽和土的抗剪強度公式為

采用Van Genuchten的經驗公式可以得到流體的相對滲透率為：

2 邊坡數值模型

2.1 數值模型的建立

對降雨入滲條件下進行研究的非飽和黏土邊坡水平向長86m，豎向高36m，邊坡頂部有40m長的平臺，坡高24m，坡表分為3級，每級高8m，開挖平臺寬2m，坡比1∶0.7，坡表和內部設有平行分布的檢測點位。邊坡上部為紅色黏土，結構松散，滲透性較好，遇水飽和后易軟化；下部為強風化泥巖，紅褐色，泥質結構，裂隙較發育。邊坡初始狀態地下水位為2m，見圖1。

圖1 邊坡初始幾何模型

2.2模型邊界條件及計算參數選取

表1 數值模擬巖土體物理力學參數

研究邊坡既然為非飽和黏土邊坡，所以數值模型中不僅有孔隙水的流動，還允許氣相的流動。對于模型的邊界流量設置，地下水位以下和兩側采用定水頭邊界，坡表面取流量邊界，模型底部不透水。對模型施加位移邊界設置，在模型底部施加豎直向和水平向位移約束，在模型左右兩側施加水平向位移約束。為了進一步研究土質邊坡的穩定性是否與降雨強度和降雨持續時間有關，根據降雨強度與降雨持續時間成反比的原則，即降雨強度小持續時間長，降雨強度大持續時間短來設置降雨工況。本次數值模擬采用3次不同的降雨強度和降雨持續時間來計算：①=200mm/d，=3d；②=20mm/d，=30d；③=2mm/d，=300d。數值模擬計算該邊坡的巖土體物理力學參數通過現場勘查和室內試驗確定，見表1。

3 數值計算結果及分析

3.1 邊坡剪切應變增量分析

圖2為非飽和黏土邊坡在降雨強度分別為2mm/d，20mm/d，200mm/d，降雨持續時間相同情況下的剪切應變增量云圖。通過圖2（a）、（b）、（c）可以明顯看出，在降雨持續時間相同條件下，降雨強度增加，非飽和黏土邊坡內部的剪切應變增量也隨之增大。當降雨強度=2mm/d時，最大剪切應變增量為1.75×10-4；當降雨強度=20mm/d時，最大剪切應變增量提升一個數量級到達2.00×10-3；當降雨強度=200mm/d時，最大剪切應變增量達到了1.25×10-1，邊坡頂部出現剪切應變增量區域，即非飽和黏土邊坡內部產生潛在滑移面。

圖2 非飽和黏土邊坡不同降雨強度下的剪切應變增量云圖

3.2 邊坡飽和度分析

圖3為非飽和黏土邊坡在降雨強度分別為2mm/d，20mm/d，200mm/d，降雨總量相同情況下的飽和度云圖。通過圖3（a）可以看出，在降雨強度較小的情況下（=2mm/d），雨水在重力作用及基質吸力作用條件下通過邊坡上部及坡表的黏土往下入滲，由于泥巖的滲透系數比黏土的滲透系數較小，雨水會在黏土與泥巖交界的部位產生富集，所以飽和度達到最大值8.5×10-1。從由圖3（b）和（c）可以看出，當降雨強度達到一定值后，非飽和黏土邊坡內部的高飽和度區域由黏土與泥巖交界的部位向坡表轉移，尤其在降雨強度到達=200mm/d時，整個黏土邊坡坡表及頂部成為飽和度最大值所在區域，即降雨強度超過限定值后，黏土邊坡的飽和度峰值會增加，同時飽和區域集中度會越高并向坡表轉移，在坡表形成具有一定厚度的飽和區域帶[7]。換句話說，黏土邊坡在暴雨狀態下坡表穩定性快速降低，易發生坡表部位的破壞和垮塌。

圖3 非飽和黏土邊坡不同降雨強度下的飽和度云圖

3.3 邊坡監測點的位移分析

圖4為非飽和黏土邊坡在降雨強度為200mm/d，降雨持續時間為3t工況條件下布設監測點的位移隨高程的變化關系曲線。從圖4（a）可以看出，監測點的水平向位移整體隨著高程的升高而減小，即坡頂水平向位移較小，坡腳水平向位移最大。邊坡最下部坡面監測點的水平位移比坡內監測點的位移突然增大，說明該部位處于潛在圓弧滑移面上。圖4（b）反映出監測點豎直向位移整體隨著高程的升高而增大，處于潛在滑移面頂部監測點的豎直向位移最大，高程為8m和16m的部位為邊坡的平臺，可以發現在平臺部位坡表的豎向位移值比坡內監測點的豎向位移值小，說明坡表平臺的開挖具有限制豎向位移繼續增大的功能。

圖4監測點位移隨高程變化關系圖

4 結論

通過對非飽和黏土邊坡在降雨入滲條件下進行數值模擬計算分析，可以得出以下結論：

1）降雨持續時間相同條件下，降雨強度增加，非飽和黏土邊坡內部的剪切應變增量也隨之增大。在黏土和泥巖交界靠近坡表處剪切應變增量達到峰值，最容易產生破壞繼而形成貫通坡頂的潛在圓弧滑移面，向上剪切應變增量逐漸減小。

2）降雨總量相同情況下，降雨強度越大，黏土邊坡的飽和度峰值會增加，同時飽和區域集中度會越高并向坡表轉移，在坡表形成具有一定厚度的飽和區域帶。即黏土邊坡在暴雨狀態下坡表穩定性快速降低，易發生坡表部位的破壞和垮塌。

3）降雨持續時間較長條件下，邊坡監測點的水平向位移整體隨著高程的升高而減小，即坡頂水平向位移較小，坡腳水平向位移增大；監測點豎直向位移整體隨著高程的升高而增大，處于潛在滑移面頂部監測點的豎直向位移最大。

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Stability of Unsaturated Clay Slope under the Condition of Rainwater Infiltration

YANG Di-hui LI Jian-hua

(No.281 Party, CNNC, Xichang, Sichuan 615000)

This paper deals with stability of unsaturated clay slope under the condition of rainwater infiltration. The study indicates giant influence of rainfall infiltration on stability of clay slope. A numerical model of unsaturated clay slope is established by the use of finite element software FLAC2D which is used for calculating the influence of rainfall on slope stability. The results indicate that shear strain increment and displacement of unsaturated clay slope increase with rainfall intensity.

clay slope; stability; rainfall; infiltration

P642.2

A

1006-0995（2017）03-0475-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.028

2017-02-12

國家自然科學基金項目（41072229）

楊迪惠（1967-），男，四川西昌人，高級工程師，主要從事地質工程及地質災害防治的治理工作和研究