降雨入滲對多層非飽和土邊坡穩定性影響

姜 超

（西安市高陵區渭河管理站,陜西 西安 710200）

1 引言

降雨是引發邊坡災害的重要因素,有調查顯示90%的邊坡災害中滑坡是因降雨發生。降雨使土體顆粒間的水壓力增大,進而使顆粒孔隙的基質吸力下降,土體因為顆粒間的引力減小抗剪強度降低,滑坡現象發生。Gavin 等研究了均質土坡的雨水入滲模型,推導了不同時刻雨水的浸潤鋒發展情況。常金源等探究了動水壓力對邊坡穩定性的影響,但僅針對等厚勻質的土層。

本文結合某庫岸邊坡工程實例,針對非飽和土邊坡雨水入滲造成的穩定性下降問題進行定性分析,并根據Green-Ampt 模型提出了降雨強度和降雨時間與入滲浸潤鋒深度的計算模型。為不同土層的邊坡穩定性分析提供理論依據。

2 分析方法

2.1 邊坡降雨入滲機理

雨水在滲入土體邊坡時,邊坡的土體會從非飽和逐漸轉變為飽和狀態,而根據入滲路徑可以將土體剖面入滲過程劃分為四個區域。具體劃分情況見圖1。根據土層的由淺入深,水分向深層傳導,土體的飽和度逐漸降低,濕潤區的前段邊緣區域會出現濕潤鋒。隨著浸潤峰位置的向下移動,含水率曲線呈平穩發展趨勢。

圖1 邊坡入滲剖面圖

降雨入滲對非飽和土邊坡的影響過程被劃分為兩階段,具體的劃分過程見圖2。兩個階段的區分點被稱為積水點。隨著降雨的進行,雨水入滲深度逐漸增加,淺層土體漸漸達到飽和狀態,飽和土層的厚度和飽和區域不斷擴大,邊坡內部出現暫時飽和區域,該區域土體的強度要低于非飽和區域,導致邊坡失穩的幾率增大。

圖2 入滲率與時間的關系

2.2 入滲深度計算

Green-Ampt 模型常用于評價土體濕潤鋒的狀況,但在實際工程中,濕潤鋒之上的土層的含水率要小于飽和土壤,因此本文將經典的Green-Ampt 模型改進,在新的模型中考慮了濕潤鋒之上的土層的含水率問題以及浸潤峰發展狀態,并推導了模型。

（1）浸潤鋒處于第一層土時,土壤入滲率K1大于降雨強度i,在這種情況下,降雨水量全部滲入土體中,此時t

式中：L1為第一層土厚度用 ,m；n 為第一層土孔隙度用 ,%；t 為降雨時間 ,h；sf為入滲后飽和度；s0為初始飽和度； 為邊坡坡角 ,（°）。

浸潤鋒處于第一層土時 ,土壤入滲率K1（mm/h）小于降雨強度 i（mm/h）, 在這種情況下 , 降雨水量部分滲入土體中 , 此時此時t ≤t1。

通常的實際工程中非飽和土層大多由多層土壤組成,計算多層非飽和土的浸潤鋒深度,要根據降雨時間推斷入滲深度和入滲的土層位置,然后在根據獲得的入滲后飽和度以及入滲率計算多層非飽和土的浸潤鋒深度。

（1）i 層土壤入滲率Ki（mm/h）大于降雨強度i（mm/h）,在這種情況下,降雨水量全部滲入i（mm/h）層土體中：

式中：Li-1為第i-1 層土厚度,m；ni為第i 層土孔隙度,%；t為降雨時間,h；sfi為入滲后飽和度；s0i為初始飽和度；α 為邊坡坡角,（°）。

（2）i 層土壤入滲率K1小于降雨強度i,在這種情況下,降雨水量部分滲入i 層土體中：

雨水在滲入土體邊坡時,邊坡的土體會從非飽和逐漸轉變為飽和狀態,淺層的土壤可以快速達到飽和狀態,在以下位置的土層僅能達到接近飽和的狀態。這部分土體的飽和度多在80%~90%之間。在本文中選取這部分土體的含水量為飽和土體的0.9。同時本文在進行擬合計算時,假設土體滲透系數的數值等于入滲率。

2.3 多層非飽和土降雨入滲邊坡穩定性

文中土體的內摩擦角取值參考涂平暉的研究結論,在數值上等于天然內摩擦角。采用強度折減法分析邊坡的穩定性。在強度折減法中土體的內摩擦角c（kPa）和粘聚力（°）均要除以F,F 為折減系數,之后得到虛擬c'（kPa），φ'（°）值,帶入模型中進行計算。但邊坡處失穩的臨界情況時,F 被稱為穩定性系數。F 的計算公式為：

本文構建的模型使用了摩爾-庫侖準則,假設土體為彈塑性體,折減系數的取值范圍為0.5~2,以0.25 為間隔。計算穩定系數前需要先初步計算一個大概范圍,然后將折減系數精細化,最后計算出準確的穩定系數。當邊坡失穩時,發生失穩部分的坡體會由靜態變為動態,坡體發生滑動,產生塑性應變和大位移。此時滑動面的土體處于塑性流動狀態,在此情況發生時,可以判定邊坡失穩,在建模軟件中表現為計算結果不收斂。

3 工程概況

本文以某庫岸邊坡為研究對象,由于夏季強降雨和臺風的影響,在連續24 小時降雨量為156.7 mm 時,邊坡坡體發生滑移變形。坡體前緣74 m 和后緣50 m 出現滑坡現象,形成裂縫錯距1.6 m~3.4 m。

發生滑坡區域的的主體構架為東北向。該地區年平均溫度為26℃,多年的平均降雨量為1635.6 mm,年降雨量可達2652.8 mm,邊坡坡度為30°~40°,高程為10.3 m~46.4 m。坡體大面積被植被覆蓋,鉆孔勘探發現從上到下共分為4 個土層,對每個土層的土壤進行試驗后發現,土質力學性能較差,抗剪強度低,以發生崩解,土層具體參數見表1。

表1 邊坡土層參數

4 邊坡穩定性分析

4.1 建立模型

根據庫岸邊坡的實測數據,選取該地域邊坡的典型剖面進行有限元分析計算,建模斷面見圖3。將圖3 進行有限元網格劃分,使用平面應變分析法計算邊坡的失穩情況。邊界條件設置中采用豎向約束,孔壓邊界設置在地下水位下,邊坡邊界設置為不排水。

圖3 計算模型剖面圖

4.2 結果分析

對文中邊坡的穩定性進行分析時,設計了兩種工況：極端降雨狀態和無降雨狀態。強度折減法用于天然狀態的分析計算。根據極端降雨情況的計算的降雨入滲深度和邊坡浸潤面（見圖4）。極端降雨狀態和無降雨狀態的穩定性安系數和降雨入滲深度見表2。

表2 不同工況下降雨入滲深度

圖4 實際強降雨工況浸潤鋒位置

在無降雨的情況下邊坡會存在潛在滑動面。滑動面的前緣在坡中處,后緣在高壓線塔的下方。潛在滑動面會沿邊坡深層的巖面滑動,在巖土的交界面處兩者的力學特性存在顯著差異,安全系數的計算發現數值大于1.5,因此在無降雨的情況下,坡體處于穩定安全狀態,具體情況見圖5。在極端降雨的條件下,設置的穩定安全系數小于1,滑坡面的前緣移動到坡中上方的路面處,后緣處于高壓電塔前5 m 左右,具體情況見圖6。由于雨水的入滲,濕潤鋒以上土層的土體含水率越來越高,土體自身重力增大,基質吸力也隨之減小,粘聚力下降,表現為土體整體的抗剪強度降低。

圖5 無降雨工況塑性區分布圖（F s=1.57）

圖6 實際強降雨工況塑性區分布（F s=0.98）

由圖6 可知實際的滑動面位置與理論計算的滑動面位置比較吻合,得到的穩定系數為0.98,符合在極端降雨條件下出現的工程實際。滑坡后緣位置與剪切破口位置吻合,但實際滑坡面的深度要大于理論計算深度,原因可能是忽略了不同土層間雨水入滲的特性不同導致。通過圖9 中試驗現象的比較發現,采用文中提出的模型結合有限元建模對非飽和土邊坡的穩定性問題進行分析是可行的。

4.3 邊坡穩定性參數敏感性分析

4.3.1 降雨歷時的影響

降雨強度降雨時長是影響邊坡穩定性的主要因素,為了探究這兩個因素對非飽和土邊坡的穩定性影響規律,設置不同降雨時長和降雨強度作用在邊坡上,觀測滑動面的變化情況,具體工況安排見表3。不同工況的計算結果見圖7、圖8。由圖可知,相較于長期降雨,短期降雨容易發生淺層的邊坡失穩情況,主要是因為短期降雨的降雨強度大,土體入滲速率可以達到5.3 mm/h~7.3 mm/h,雨水的入滲速率遠小于降雨強度,75%的雨水從坡面徑流排出,平均入滲深度僅有0.6 mm。因此短時降雨的雨水入滲量較小,淺層土壤先達到飽和狀態,濕潤峰位置較淺。在長期降雨后,雖然降雨量較小,但雨水入滲量大,入滲深度增加到0.79 m,達到較高飽和度的土層深度增大,會出現較大范圍較深層得邊坡失穩情況。

表3 不同工況下降雨入滲深度及穩定性安全系數

4.3.2 降雨強度的影響

降雨強度和降雨時長是影響邊坡穩定性的主要因素,為了探究這兩個因素對非飽和土邊坡的穩定性影響規律,設置相同降雨時長和不同降雨強度作用在邊坡上,觀測滑動面的變化情況,具體工況安排見表4。結果表明邊坡的最大入滲深度與降雨強度呈正比,降雨強度越大,雨水入滲越深。邊坡的穩定性系數與降雨強度呈反比,降雨強度越大,邊坡越容易出現失穩的現象。邊坡的滑動面深度和寬度與降雨強度呈正比,降雨強度越大,滑動面面積越大。浸潤鋒處于粉質黏土層時,發生滑動的位置在浸潤鋒前段；當雨水繼續入滲,浸潤深度處于土-巖結合和界面時,邊坡的滑動主要源于基巖界面,雨水入滲在巖石的表面形成水膜,起到潤滑的作用,加速了邊坡土體的滑動,促進里邊坡的失穩發生。

表4 不同工況下降雨入滲深度及穩定性安全系數

5 結論

（1）雨水的入滲會是濕潤鋒以上土層的含水率上升,導致土體自身重力增大,基質吸力減小,粘聚力下降,致使土體的抗剪強度降低。

（2）短期降雨容易發生淺層的邊坡失穩情況,因為短期降雨的降雨強度大,雨水的入滲速率遠小于降雨強度,大量的雨水從坡面徑流排出,平均入滲深度很小。

（3）長期降雨的降雨量較小,但雨水入滲量大,入滲深度增加,達到較高飽和度的土層深度增大,會出現較大范圍較深層的邊坡失穩情況。

（4）邊坡的穩定性系數與降雨強度呈反比,降雨強度越大,邊坡越容易出現失穩的現象。