非飽和土邊坡降雨入滲特征及其對斜坡穩定性的影響

，，，岳靈，

( 1.國網浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江湖州313000;2 南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇南京211000；3. 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢430074)

降雨入滲是導致斜坡失穩的主要因素，尤其是強震之后，降雨型滑坡呈現出陡增的趨勢。因此，降雨對斜坡穩定性的影響越來越受到人們的關注，并取得了大量研究成果。其中，許建聰[1]、嚴紹軍[2]、常金源[3]等分析了降雨對斜坡巖土體的作用，研究了降雨條件下斜坡的穩定性；羅渝[4]考慮了不同降雨類型對斜坡穩定性的影響；唐棟[5]、楊攀[6]等考慮了前期降雨對土質滑坡形成的貢獻，進行了邊坡穩定性分析。從已有研究成果來看，目前研究的重點還是在于考慮降雨事件與滑坡形成的直接關系，并未揭示降雨過程中的土～水特征，未考慮斜坡在降雨條件下動態演變過程。鑒于此，本文采用室內外試驗和數值模擬相結合的方法，重點研究降雨過程中土體的滲透性與強度的變化特征，揭示土質斜坡在降雨過程中的動態失穩過程。

1 考慮降雨過程的土～水特征

1.1 非飽和土的滲透特征

降雨入滲是影響非飽和土邊坡穩定性的主要因素，入滲量的多少一方面與降雨強度有關，另一方面又受到土體滲透能力的控制。在一次降雨過程中，同種土體的滲透特性是否保持不變，是本節需要解決的主要問題。

圖1 現場滲透性測試標準土坑

圖2 現場滲透性測試過程

采用現場滲透試驗的方法，研究非飽和土滲透特性的變化特征。首先，選取野外典型非飽和土邊坡作為試驗對象。斜坡土體主要為第四系殘坡積物和崩坡積物，物質成分主要為碎塊石和粉質黏土，碎塊石巖性為三疊系灰白色白云巖，塊石粒徑不均勻，塊石粒徑2～200 cm不等，菱角狀，最大塊石粒徑可達280 cm，黏土多為低液限黏土，松散～中密。在斜坡上挖鑿出標準尺寸的長方體土坑(圖1)，長寬高分別為30 cm×20 cm×20 cm，盡量使土坑四周和地面平整，尺寸誤差控制在1 cm范圍內。

滲透性測試采用控制流量連續均衡的方法，首先在試驗坑內放入垂直的標尺，并快速注入10 cm深的清水，保持試驗坑內水位不變，記錄每一次注入的水量(圖2)。每10 min為一次循環，即保持水位10 min不變，記錄10 min內補充的水量。隨后不再加入水量，待試驗坑內的水全部入滲，再進行第二次注水，注水過程與第一次一致，設計每個試驗坑進行10次注水循環，以保證數據的完整性。為提高試驗結果的可信度，在同一土坡，不同位置，進行了3個土坑的滲透性測試。由于版面所限，僅列出了1號試驗的各參數(表1)，所有試驗的結果見圖3。

表1 1號試驗滲透特征

圖3 非飽和土滲透系數變化關系

根據試驗結果可知，試驗點的非飽和土的滲透率是隨著注水次數的增加而逐漸下降的，這易于理解，當土體飽和度較低時，其滲透系數較大，而隨著土體逐漸達到飽和，其滲透性減弱，滲透率隨之降低。3次試驗均揭示出，當土體入滲水量達到一定值時，其滲透系數最終維持在較低水平線上，也即表明，此時的土體達到飽和。可見，巖土體的滲透性并不是恒定不變的，而是隨其飽和度的增加而逐漸降低的。在降雨過程中同樣會顯示出這種特征，當降雨量較小或開始降雨時，土質斜坡表面幾乎沒有地表水，降雨全部入滲到土體內部；而當降雨量較大或降雨后期，由于土體飽和度升高，滲透率降低，降雨入滲量減少，此時便會產生地表徑流。

1.2 土體強度與含水率關系

降雨對土質斜坡穩定性的影響主要表現在2個方面：①由于雨水入滲導致土體軟化，強度隨之降低；②土體含水量增加，滑體本身自重也隨之增加，導致下滑力增加。

本節重點考慮土體強度與含水率的關系。利用室內直剪試驗儀，進行不同含水率土體的剪切試驗。首先對現場取來的土樣進行含水率測試，得到其天然含水率為13%，并測得飽和含水率為28%。因而試驗設計了4組不同含水率的之間試驗，含水率分別為13%、18%、23%和28%。為增加試驗的可信度，每組試驗進行了3個土樣測試。

試驗采用快剪法，選取應力控制的方法。試驗過程中，垂向荷載I0保持不變，剪切荷載分10級左右逐漸施加，每級加載時間為30 s，記錄每級的剪切位移Lh和垂直位移Lv。當水平壓力值不再增加或剪切滑移達到2 cm時終止加載。設置正應力為5級加載，并可通過下式計算正應力和剪應力：

(1)

(2)

式中σ——正應力，MPa；Iσ——垂向油缸壓力表預定值，MPa；Iσ0——垂向油缸壓力表初值，MPa；Sv——垂向油缸活塞面，m2；G——傳壓鐵塊、滾珠軸承的總重，MN；Sj——剪切面面積，m2；τ——剪應力，MPa；Ir——剪切荷載壓力表最大值，MPa；Ir0——剪切荷載壓力表初值，MPa；Sh——剪切油缸活塞面積，m2。

1號試驗結果見圖4，由于版面所限，未展示2號和3號試驗的抗剪強度與正應力關系曲線。

圖4 1號試樣抗剪強度

圖5 抗剪強度指標與含水率關系曲線

根據直剪試驗結果可得到非飽和土的抗剪強度指標，內聚力C和內摩擦角φ與含水率關系見圖5，可見，3組試驗所得到的土體抗剪強度指標變化趨勢一致，即隨著土體含水率的增加內聚力C和內摩擦角φ都呈下降的趨勢，進而影響土體的抗剪強度。

2 淺層土質斜坡滲流場分析

2.1 非飽和滲流理論

非飽和土的滲流控制方程可表示為[7]：

(3)

非飽和土的土～水特征曲線采用Fredlund-Xing 模型[8]，可表示為：

(4)

式中a、n、m——擬合參數，其中a為進氣值,n為與基質吸力有關的土性參數,m為殘余含水量函數的土性參數；e——自然對數；θw體積含水率；φ——基質吸力；θs——飽和體積含水率。

滲透系數的關系曲線可表示為[9]：

kw=ksΘp

(5)

式中ks——飽和滲透系數；kw——非飽和土的滲透系數；p——滲透系數曲線中的擬合參數；Θ=θw/θs——體積含水量與飽和體積含水量比率。

2.2 滲流模型及邊界條件

選取典型降雨土質滑坡為原型，采用有限元分析軟件，模擬斜坡在降雨作用下的滲流場及應力應變關系，評價降雨對斜坡穩定性的影響。

滑坡為一沿基覆界面形成的降雨滑坡，下部為白云巖，上部覆蓋層多為殘坡積物；根據現場調查及勘探資料，確定了滑面位置以及初始地下水位線，建立滑坡模型見圖6。

圖6 斜坡原型

通過室內試驗，確定了巖土體的物理力學參數，具體可見表2。

表2 巖土體的物理力學參數統計

采用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊進行斜坡滲流場的計算。在滲流計算過程中，土體的飽和滲透系數、非飽和滲透系數以及土～水特征曲線參數尤為重要，通過現場滲透試驗，得到覆蓋層碎石土的飽和滲透系數約為ksat=1.08×10-6m/s；試驗測得飽和含水率平均值為28%。斜坡覆蓋層與基巖的土～水特征曲線和滲透函數見圖7。

a)碎石土覆蓋層的土～水特征曲線

b)碎石土覆蓋層的滲透函數圖7 斜坡土～水特征曲線與滲透函數

2.3 降雨入滲過程分析

采用Seep/W模塊模擬降雨過程中斜坡雨水入滲過程，設置持續降雨時間為8 h，小時降雨量20 mm，模擬結果見圖8。

c)基巖的土～水特征曲線

d)基巖的滲透函數 續圖7 斜坡土～水特征曲線與滲透函數

圖8展示了持續降雨情況下的斜坡滲流場變化情況，可以看出，在降雨初始階段(圖8a)，由于上覆土層的含水率較低，且巖土體的基質吸力較大，坡體的入滲率大于降雨強度，降雨以垂直入滲為主，使得地下水位出現一定程度的升高。隨著降雨持續，雨水入滲量逐漸增大，由于坡體前緣土層較薄，地下水位抬升明顯，有反翹現象(圖8b)；斜坡頂部的基覆界面處出現了一條飽水帶。當降雨持續6 h時(圖8c)， 土體飽和度進一步增加，坡頂基覆界面處的飽水帶與初始水位線貫通，導致地下水位線進一步升高，滑帶處于地下水位線之下，可能會對滑帶土體產生軟化作用。在模擬的最后階段(圖8d)，由于斜坡頂部的飽水帶與地下水位線貫通，降雨直接滲入斜坡內部，導致地下水位現迅速升高。從整個降雨入滲情況來看，持續降雨導致斜坡的地下水位線不斷上移，使得斜坡土體飽和度逐漸升高，對滑帶產生軟化作用的同時也使得坡體自重增加，不利于斜坡穩定。

a)降雨2 h后雨水入滲情況

b)降雨4 h后雨水入滲情況

c)降雨6 h后雨水入滲情況圖8 持續降雨過程中斜坡雨水入滲情況

d)降雨8h后雨水入滲情況續圖8 持續降雨過程中斜坡雨水入滲情況

3 降雨對斜坡穩定性影響分析

3.1 降雨情況下斜坡變形特征

將上節滲流計算導入Sigma/W中進行滲流-應力場耦合，通過Sigma/W模塊模擬了斜坡在降雨持續8 h時的變形和應變特征，模擬結果見圖9、10。圖9為斜坡位移分布，可以看出，該斜坡在降雨情況下的最大位移分布于滑坡中部，由內向外位移逐漸增大，最大位移達到0.65 m。圖10為斜坡剪應力分布，可以看出，最大剪應力主要沿基覆界面分布，證實了滑坡是沿基覆界面滑動的。

圖9 降雨持續8 h時的斜坡位移

圖10 降雨持續8 h時的剪應力

3.2 降雨過程中的斜坡穩定性分析

斜坡穩定性計算方法較多，常用的有數值計算法、理論計算法、定性分析法等[10-11]，本節采用多種極限平衡理論分析法，考慮斜坡在降雨過程中的降雨入滲情況，每1 h計算一次斜坡穩定性，計算結果見表3。

表3 降雨條件下滑坡穩定性系數

根據多種理論計算方法得到斜坡在降雨持續7 h時，其穩定性系數將小于1，表明此時斜坡即發生失穩。該計算模型以四川地區一典型降雨滑坡為實際案例，實際情況下，斜坡在此降雨強度持續8 h時發生失穩。因此，模擬結果與實際情況下的滑坡失穩和降雨時間關系接近，表明文中所建立的降雨入滲與斜坡穩定性關系是有一定可信度的。

4 結論

文章重點研究了非飽和土斜坡的降雨入滲特征及其對斜坡穩定性的影響，初步得到了以下幾點結論。

a) 非飽和土的滲透性與其本身的飽和度有關，隨著飽和度的增加，滲透率降低。

b) 土體強度特征與其含水率有關，含水率越高其強度越低，主要表現為內聚力和內摩擦角的降低。

c) 采用數值模擬方法研究了典型土質斜坡的滲透過程，揭示出隨著降雨持續，斜坡地下水位逐漸升高的特征。

d) 揭示了降雨入滲與斜坡穩定性的關系，采用極限平衡方法，計算了降雨過程中斜坡穩定性系數的變化過程，與實際情況較為接近。