間歇性降雨條件下非飽和土邊坡降雨入滲的變化規律

朱志廣，楊宇，肖成明，盧利坤

（1.廣西交通職業技術學院；2.廣西路建工程集團有限公司 廣西南寧 530023）

0 引言

邊坡失穩形成滑坡災害不僅影響到經濟建設的發展，而且嚴重威脅人們的生命財產安全。絕大多數的滑坡是發生在降雨期間或降雨之后，降雨成為誘發邊坡失穩產生滑坡的重要影響因素，目前，國內外學者對降雨條件下邊坡穩定性的影響開展了一系列的研究，基本上單方面考慮降雨強度、降雨次數、降雨時長等方面進行研究分析，實際上，降雨過程是一個復雜多變的過程，存在降雨強度動態變化、降雨停歇的交替變化的一個多變過程[1-5]，本文在收集詳細的氣象數據資料基礎上，分析實際降雨環境的間歇性降雨類型，采用Geo-Studio 軟件中的SEEP/W 模塊模擬實際間歇性降雨工況下，非飽和土邊坡降雨入滲的變化規律，對降雨條件下非飽和土體滲流分析具有重要的實踐意義。

1 非飽和土邊坡降雨入滲基本理論

降雨入滲是非飽和土典型的滲流問題，降雨入滲量的多少直接影響土體的含水量的變化，從而導致土體強度的降低，對于非飽和土而言，儲存在孔隙中的水的體積很大程度上依賴于孔隙水的負壓，非飽和土的基質吸力定義為空氣壓力和水壓力的差值，基質吸力對非飽和土的力學性質具有重要影響，非飽和土的基質吸力隨著含水量的變化而變化，含水量和基質吸力的關系曲線稱為體積含水量函數，體積含水量函數描述了當土體排水時，空隙保持了多少比例或者體積的孔隙水。刻畫體積含水量函數的3 個主要特征量為：空氣進入值（記為AEV），從負到正的孔隙水壓力范圍內的函數斜率（用mw表示）以及殘余含水率或飽和度（θ或者Sr）。Van Genuchten通過對體積含水量函數的研究，得出非飽和土體含水量與基質吸力之間的冪函數形式的關系式，其表達式如下：

式中：θ—體積含水量；θs—飽和體積含水量；θr—殘余體積含水量；ψ—負孔隙水壓力；α、n、m—曲線擬合參數。

飽和土的滲透系數可以通過做試驗測得，但對于非飽和土的滲透系數測定卻是一個相當復雜的過程，因為土體孔隙中含有氣體，水的滲流路徑需要繞過氣體孔隙而變得更加曲折，也導致土的導水能力減小，滲透系數降低，因此，土體中水的滲透能力依賴于土體中現有含水量，而土體現有含水量可以通過體積含水量函數來表征，Van Genuchten 通過體積含水量函數提出了描述水力滲透系數作為土介質的基質吸力的函數形式：

式中：k(θ)—非飽和土滲透系數；ks—飽和土滲透系數；其余參數同前。

2 工程模型建立

選取南寧市非膨脹性黏土作為研究對象，采用Geo-Studio 軟件中的SEEP/W 模塊建立模型，模型的幾何尺寸設置為邊坡高度10 m，坡比為1∶1.0，為了控制邊界對邊坡的影響，計算的邊坡模型坡坡腳、坡頂都延申了3倍的邊坡高度即30 m[3]，模型總長70 m，模型總高度30 m，模型網格劃分長度為1 m，采用四邊形或三角形的網格劃分模式，網格劃分得節點1830個，1736個單元。

邊界條件：初始分析時采用穩態分析，設置左側地下水位高度為16 m，右側地下水位高度為12 m，在左右兩側地下水位以上部分及模型底部邊界設置為零流量邊界，在瞬時滲流分析時，坡面設置為各個降雨工況，采用單位流量，具體模型與邊界條件見圖1。

圖1 降雨分析邊坡模型

為了研究在實際間歇性降雨條件工況下，邊坡土體雨水入滲的變化規律，分別在坡頂、斜坡中部、坡腳地面以下每間隔1 m 設置觀測點，共計9 個觀測點，觀測點布設位置具體見圖1和表1。

表1 觀測點布設表

參數選取：根據土工室內變水頭試驗測得飽和土滲透系數為ks=4.3×10-7m/s，根據經驗取土體的飽和含水量θs=0.4，殘余體積含水量θr=0.078，本文采用Van Genuchten 模型估算非飽和土水力滲透系數與基質吸力的函數曲線，體積含水量與基質吸力關系曲線見圖2，非飽和土水力滲透系數與基質吸力的關系曲線見圖3。

圖2 體積含水量與基質吸力關系曲線

圖3 水力滲透系數與基質吸力的關系曲線

3 間歇性降雨工況設置

我國氣象部門把降水強度定義為某一時間段降下水量的多少，通常計量時段常取為12 h或24 h為一個時段，根據降水量的多少，可將降雨劃分為：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六個等級[3]，劃分標準見表2。

表2 降雨強度分級標準

南寧為典型的亞熱帶季風氣候區，日照充足，雨量充沛，氣候濕熱，夏長冬短，降雨一般多集中在5 月至8 月間，約占全年降雨量的65%，本文收集了南寧市近3 年5-7 月份的降雨數據（見表3）。本文選取降雨強度較高、持續時間較長的典型間歇性降雨作為本次模擬的工況，分別選取大雨-中雨集中型降雨工況（2020 年5 月）、間歇性中雨-小雨型降雨工況（2021 年6 月）、突發大暴雨型降雨工況（2021年7月）、間歇性小雨-暴雨-中雨型降雨工況（2022 年5 月）的降雨數據作為模擬降雨的邊界條件，該4個月份的詳細降雨數據趨勢見圖4-圖7。

表3 2020-2022年5-7月份詳細降雨數據

圖4 2020年5月降雨分布（大雨-中雨集中型）

圖5 2021年6月降雨分布（間歇性中雨-小雨型）

圖6 2021年7月降雨分布（突發大暴雨型）

圖7 2022年5月降雨分布（間歇性小雨-暴雨-中雨型）

4 計算結果分析

4.1 初始穩態結果分析

在進行降雨入滲瞬態分析前，需要進行初始穩態滲流分析，各降雨工況初始穩態分析結果如圖8所示，根據圖8 可以得出，在初始穩態滲流分析中，邊坡內部土體含水量隨著高度的增加而降低，坡頂的土體含水量會比坡腳的低，但位于斜坡的土體，受斜坡坡度的影響，斜坡土體含水量偏低。

圖8 各觀測點穩態分析體積含水量圖

4.2 各降雨工況滲流分析

在SEEP/W 模塊設置降雨邊界條件時，采用樣條數據點函數根據表2中相應月份每天的降雨數據輸入到降雨邊界中，分別模擬“大雨-中雨集中型降雨工況（2020 年5 月）、間歇性中雨-小雨型降雨工況（2021年6月）、突發大暴雨型降雨工況（2021年7月）、間歇性小雨-暴雨-中雨型降雨工況（2022 年5月）”等4種工況下邊坡不同部位（9-17號觀測點）土體含水量的變化情況，模擬具體結果見圖9-12。

圖9 大雨-中雨集中型降雨工況體積含水量變化圖

圖10 間歇性中雨-小雨型降雨工況體積含水量變化圖

分析圖9-12 土體含水量的變化情況。可以得出以下結論：

（1）通過對不同間歇性降雨工況分析可以看出，土體含水量變化曲線基本與降雨強度分布相一致，尤其對暴雨情況響應顯著（如圖11所示），2021年6月前20天基本為間歇性小雨，土體體積含水量增長不明顯，到21日突發大暴雨，土體含水量迅速增長。

圖12 突發大暴雨型工況體積含水量變化圖

（2）通過對比不同深度的觀測點體積含水量變化情況可知，距離地表越近的土體，受降雨影響變化越明顯，體積含水量變化越大，越往邊坡土體深處，含水量變化越小，對降雨的響應程度越小。

（3）綜合邊坡坡頂、斜坡、坡腳土體含水量的變化情況可知，距離地表以下同一深度內，斜坡土體體積含水量大于坡頂和坡腳土體，受降雨影響程度大于坡頂和坡腳。

5 結論

本文收集了南寧2020-2022年5-7月份的詳細降雨氣象數據，在此基礎上，采用Geo-Studio軟件中的SEEP/W模塊分別模擬“大雨-中雨集中型降雨工況（2020 年5 月）、間歇性中雨-小雨型降雨工況（2021 年6 月）、突發大暴雨型降雨工況（2021 年7月）、間歇性小雨-暴雨-中雨型降雨工況（2022年5月）”等4 種工況下邊坡不同部位（9-17 號觀測點）土體含水量的變化情況，總結得出非飽和土體降雨入滲的規律：邊坡內部土體含水量變化曲線基本與降雨強度分布相一致，且對暴雨響應較為明顯，距離地表越近的土體，受降雨影響變化越明顯，越往邊坡土體深處，含水量變化越小，對降雨的響應程度越小，距離地表以下同一深度內，斜坡土體體積含水量大于坡頂和坡腳土體，受降雨影響程度大于坡頂和坡腳。