基于強度衰減模型的降雨對邊坡滲流影響的研究

趙晨凱，孫懷軍，徐小樂

(天津市勘察院，天津 300000)

山體滑坡是一種嚴重的自然災害，滑坡體的沖擊對公路、橋梁和各種建筑物都會帶來巨大的破壞，滑坡與邊坡的穩定息息相關。近幾十年來，中國有記錄的滑坡次數達到6萬次以上，其中90%滑坡的發生都與當地持續不斷的降雨有關，說明降雨對滑坡的形成起到了至關重要的作用，高強度和長時間的暴雨更容易引發滑坡。除人工開挖山坡、砍伐植被等外部因素外，土體的粘聚力、內摩擦力等內在因素也影響著邊坡穩定，由于滲流引發的土體含水量變化是控制粘聚力、內摩擦力等強度指標的關鍵因素[1，2]。本文以某水庫右側邊坡為對象，在ABAQUS軟件中模擬并分析了降雨對該邊坡滲流關鍵參數的影響。

1 強度衰減模型

粘性土體的強度指的是其抗剪強度，也就是土體抵抗剪切變形的能力，土體抗剪強度的大小主要受到粘聚力和內摩擦角的控制，所以準確描述土體粘聚力和內摩擦角在降雨作用下的發展規律是建立強度衰減模型的關鍵[3，4]。

粘聚力是土體顆粒之間各種粘結作用力的統稱，內摩擦角與顆粒發生錯動時產生的摩擦力有關，這些作用力可以分為三類：(1)土體顆粒骨架間的連接力；(2)土體顆粒受外力作用發生轉動時產生的反作用力，稱為轉動定向力；(3)土體處于不完全干燥狀態時，由于顆粒空隙存在薄膜水而產生的作用力。其中，粘聚力主要與前兩類作用力有關，內摩擦角則與第三類作用力相關。

粘聚力與土體含水量的關系式為：

(1)

內摩擦角與含水量的關系式為：

φ=φ1+φ(w)

(2)

式中：φ為摩擦角；φ1為摩擦角與土體法向應力相關的部分，不隨含水量的變化而改變；φ(w)代表的摩擦角與基質吸力呈正相關。

將上述公式整合得到土體強度衰減模型：

C1(w)和φ(w)按以下經驗公式選取：

C1(w)=8.69+117.67e-0.157 9w

φ(w)=42.36-0.952 7w

2 建立模型

文本以某水客右側邊坡為對象建立模型，如圖1所示，該邊坡總長400 m，最大開挖高度約50 m，坡頂寬22 m，走向265°，主滑角為25°，土體參數如表1所示。

圖1 邊坡橫斷面示意圖

表1 土體主要參數

按照國家氣象部門的降雨強度標準，模型設置了小雨、中雨、大雨和暴雨四個降雨強度參數，如表2所示。

表2 降雨強度標準及參數選取

3 計算結果分析

本文計算并對比了邊坡模型在經歷24小時強度1.0 mm/h中雨前后的孔隙水壓力、土體滲流速度、滲透力的結果，以及不同降雨強度、不同降雨時長下的滲流參數發展。

3.1 孔隙水壓力隨降雨入滲的變化

如圖2所示，降雨前的初始孔隙水壓力隨高程的增加而降低，地下水位以上的孔隙水壓力為負值，其內部存在基質吸力，而地下水位以下的土體充滿了飽和水，孔隙水壓力為正。

經歷降雨入滲作用后，孔隙水壓力的變化規律是：(1)上層土體最先接觸入滲水流，含水量增加最快，所以孔隙水壓力增幅最大，等壓線向下彎曲的幅度最顯著。(2)中層土體有一定埋深，巖土顆粒擠壓得較緊密，滲透能力下降，入滲水主要向下流動，所以中層土體含水量和孔隙水壓力的變化不大。(3)巖土完整度最高的下層土體的滲透系數最小，而且該層處于地下水位之下，土體孔隙間始終充滿了飽和水，其含水量基本不受降雨入滲的影響，所以孔隙水壓力基本不變。

(a)降雨前 (b)降雨后

3.2 滲流速度隨降雨入滲的變化

為更清楚地觀察和分析邊坡各層土體滲流速度的變化過程，提取24 h降雨下各層土體的平均滲流速度發展曲線得到圖3，發現這樣的規律：(1)中層土體滲流速度最大，上層土體滲流速度居中，下層土體基本不產生滲流，其滲流速度基本為零。(2)上層和中層土體位于地下水位以上，屬于含水量非飽和區，降雨對其滲流速度的影響較大，而位于含水量飽和區的下層土體的滲流速度基本不受降雨入滲的影響。(3)除下層土體外，邊坡其余位置的滲流速度均隨降雨的持續而不斷增加。

圖3 各層土體滲流速度的發展曲線

3.3 滲透力隨降雨入滲的變化

滲透力指的是入滲水流的表面張力對土體顆粒骨架的牽引力，表現為土體的變形、沉降和裂隙發育等。將各層土體平均滲透力的發展結果整理后得到表3和圖4。滲透力隨降雨入滲的變化規律是：(1)各層土體的滲透力均隨降雨入滲而持續增加，上層土體滲透力的增幅明顯，中層和下層土體的滲透力曲線基本重合，說明滲透力主要作用在邊坡表層，而且隨土層深度增加而減小的效果顯著。(2)截止24 h的降雨結束，上層土體滲透力峰值達到6 540 N/m3，是初始滲透力855 N/m3的數倍，也遠遠超過其他土層的滲透力峰值。

表3 不同降雨時長下的各層土體滲透力 N/m3

圖4 各層土體滲透力的發展曲線

3.4 不同降雨強度下的滲流參數變化

分別以0.5 mm/h、1.0 mm/h、2.0 mm/h和5.0 mm/h的降雨強度作用于模型，由上文可知，中層土體的滲流速度和上層土體的滲透力對降雨入滲的敏感率最高，所以本小節以中層土體為對象來分析降雨強度對滲流速度的影響，以上層土體為對象來分析滲透力的變化。

如圖5(a)所示，降雨強度越大，土體滲流速度的增長越快，曲線斜率越大，邊坡失穩的可能性越高，工程中應警惕強降雨對邊坡安全性的負面作用。如圖5(b)所示，土體的滲透力與降雨強度也呈現出正相關的特點，強降雨下的邊坡可能更容易發生變形、塌陷和沉降。

圖5 不同降雨強度下的滲流場發展曲線

3.5 降雨時長影響下的滲流參數變化

本小節依然以中層、上層土體為對象來分別分析邊坡的滲流速度和滲透力變化，模擬降雨強度0.5 mm/h、1.0 mm/h、2.0 mm/h、5.0 mm/h的不同降雨時長下的滲流結果得到圖6。

圖6 不同降雨強度下的滲流場發展曲線

由圖可知，(1)同一降雨強度下，滲流速度隨降雨時長呈線性增加，降雨強度越大，滲流速度的增幅越大，曲線的斜率越大。(2)同一降雨強度下，滲透力隨降雨時長而增大，時長越長、降雨強度越大，則曲線彎曲程度越高。

4 結語

本文以某水庫右側邊坡為對象展開的降雨對邊坡滲流影響的研究，得到以下結論：

(1)經歷了24 h的1.0 mm/h降雨作用的邊坡孔隙水壓力隨高程的增加而降低，受地下水位的影響，上層、中層土體孔隙水壓力為正，下層土體孔隙水壓力為負。不同土層滲流速度的大小是：中層>上層>下層，滲透力的作用主要表現在上層土體。

(2)在降雨強度、降雨時長的單獨或組合作用下，滲流速度和滲透力與之均表現出正相關關系，在強降雨地區的邊坡工程應當注意加固措施。