降雨入滲對邊坡穩定性的影響研究

趙晉乾

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

降雨(特別是暴雨或長時間的降雨)是影響邊坡的穩定性、導致邊坡失穩的主要因素,降雨入滲使得邊坡體非飽和區的含水量增大,內聚力降低,孔隙水壓力增大,基質吸力降低,出現暫態飽和區及暫態水壓力,基質吸力的下降使得邊坡土體非飽和區抗剪強度降低[1],從而導致邊坡體強度降低,水壓力升高,最終降低邊坡的穩定性,嚴重威脅著邊坡附近的人民的生命與財產安全。因此,定量分析不同降雨強度下邊坡滲流場,對客觀評價各類工程邊坡在降雨條件的穩定性具有重要的意義。

1 降雨入滲過程

降雨入滲過程是地下水隨時間與空間變化的飽和至非飽和運動過程,是水在下滲過程中不斷驅替空氣而飽和孔隙的過程[2]。雨水滲入邊坡到達潛水面經歷了一個飽和～非飽和的滲流過程[3]，以浸潤線為界,水分的增加主要發生在界線以內,表現為土體由非飽和變為飽和。雨水入滲過程中,典型含水率分布剖面可以分為4個區,即表層有一薄層為飽和帶,以下是含水率變化較大的過渡帶,其下是含水率分布較均勻的傳導層,以下是濕潤程度隨深度不斷增加而減小的濕潤層,該層濕度梯度越向下越陡,直到濕潤峰,詳見圖1。

圖1 降雨入滲過程中含水量剖面

雨水滲入邊坡體的強度主要取決于降雨的方式、降雨強度、降雨的持續時間、邊坡的坡度及滑體的滲水性能[4]等。

(1)如果邊坡表層土體滲透系數較大,大于外界的降雨強度,則入滲強度主要決定于外界的降雨強度,在入滲過程中邊坡表面含水率隨雨水的入滲而逐漸提高,直至達到一個穩定值；

(2)如果邊坡表層土體的滲透系數小于外界的降雨強度,邊坡體的入滲能力就取決于邊坡巖土體的滲透系數,隨著降雨時間的持續,形成地表徑流。

這2種情況可能存在于降雨入滲過程的不同階段,如果在穩定的降雨強度下,開始時降雨強度小于邊坡體的入滲能力,入滲率等于降雨強度；但經過一定時間后,邊坡體入滲能力下降,降雨強度大于邊坡體入滲能力,此時產生地表徑流。

2 邊坡降雨入滲的滲流場模擬

2.1 模型概況

選取一鐵路邊坡為例,邊坡坡體形態為凹形,北東向展布,坡角約15°～45°,為一順傾向斜坡(圖2)。邊坡坡區屬低山丘陵剝蝕地貌,地表覆蓋層主要由第四系全新統崩坡積層(Q4dl+el)黏性土夾碎石土組成,下伏三迭系中統(T2b)巴東組淺灰色灰巖夾泥質灰巖層；構造上處于楊柳青向斜與硐村背斜之間,巖層呈單斜構造；斜坡體上沖溝較發育。

圖2 邊坡剖面示意

2.2 模型的建立

選取該邊坡其中平行于變形方向的一個剖面來建立模型,按有限單元法計算要求,依據該邊坡具體邊界條件及精度要求來考慮網格的疏密程度,具體有限元網格剖分如圖3所示,總共有750個節點和1 450個單元。

圖3 邊坡的離散化模型

2.3 邊界條件

降雨入滲引起邊坡滲流場的變化,邊界條件如下。

(1)模型兩側：地下水位以上邊界按零流量邊界處理,地下水位以下為第一類邊界條件(Dirichlet條件)[5]即給定水頭邊界。

(2)入滲邊界：邊坡表面即入滲邊界,取為第二類邊界(Neumann邊界)即流量邊界。當孔隙水壓力小于零時為流量邊界,反之則變為水頭邊界。如果降雨強度小于表層土體滲透性,按流量邊界處理,其數值等于降雨強度,如果降雨強度大于表層土體滲透性,一部分雨水沿坡面流失,會在坡面形成一薄層水膜,此時可按給定水頭邊界處理。由于水膜很薄,計算中取水頭值等于地表高程。

(3)模型底面：假設為不透水邊界。

2.4 參數的選取

滲流場的有限元模擬用到的參數主要是滲透系數函數和土水特征曲線[6],土水特征曲線表明有多少水由于基質吸力克服重力而被保持在土壤中,反映了土體的持水能力,而非飽和滲透系數函數則反映土體在非飽和區導水的快慢[5]。這兩個參數是表述土體非飽和滲流特性的重要參數。邊坡的非飽和滲透系數通過現場坑測得到,粉質黏土夾碎石的滲透系數Ksat=2.4×10-4m/s,通過室內試驗得到粉質黏土夾碎石的含水量為20%。模型所涉及土層的滲透性函數,土水特征曲線采用間接方法(利用少量的試驗數據根據相應的數學模型)來獲得。如圖4、圖5所示。

圖4 土體的滲透函數和土水特征曲線

圖5 基巖的滲透函數和土水特征曲線

2.5 數值模擬結果分析

雨水滲入邊坡體的強度主要取決于降雨的方式、降雨強度、降雨的持續時間、邊坡的坡度及邊坡巖土體的滲水性能等[7]。本文主要從降雨強度分析降雨入滲對邊坡滲流場的影響,根據當地氣象部門資料,發生暴雨時,選取降雨強度為3.6 mm/h和18 mm/h作為計算邊界條件,小于邊坡的入滲能力。由降雨相關統計資料可知,日降雨量是降雨集中在4～6 h內,本文選取降雨持時6 h進行分析。采用geo-studio有限元軟件對本模型在假設的邊界條件下進行滲流場模擬,確定不同降雨強度在降雨持時6 h的孔隙水壓力等值線圖,如圖6、圖7所示。

圖6 降雨強度為3.6 mm/h在降雨時間t=6 h的孔隙水壓力等值線(單位：kPa)

圖7 降雨強度為18 mm/h在降雨時間t=6 h的孔隙水壓力等值線(單位：kPa)

從圖6和圖7得知,在相同的降雨時間內,隨著降雨強度的加大,一方面覆蓋層含水量增大,浸潤線上升,非飽和區越小；另一方面飽和區水流速度越大,其向下伏基巖滲透速率與滲透強度都逐漸激增,導致覆蓋層與基巖的孔隙水壓力增加與抗剪強度降低,使邊坡由穩定狀態逐漸向臨界狀態、欠穩定狀態演化,最終導致邊坡加劇失穩。

3 邊坡降雨入滲的穩定性分析

采用非飽和土抗剪強度理論,將以上計算的孔隙水壓力等值線圖導入改進的極限平衡法[8]進行穩定性計算,其中,覆蓋層的黏聚力c=25 kPa,內摩擦角φ=12°,天然重度γ=20.5 kN/m3,飽和重度γsat=20.8 kN/m3,其計算結果見表1。

表1 不同降雨強度下的穩定性系數(t=6 h)

在邊坡穩定性計算中,一般選取安全系數1.15作為臨界安全系數,安全系數大于1.15的邊坡處于穩定狀態,小于1.15的邊坡處于欠穩定狀態。從表1數據得知,天然狀態下,該邊坡處于穩定狀態；在降雨強度為3.6 mm/h時,降雨持續6 h邊坡安全系數在1.15附近,處于臨界穩定狀態；在降雨強度為18 mm/h時,降雨持續6 h安全系數小于1.15,邊坡處于欠穩定狀態,產生塑性變形與滑動。邊坡趨于不穩定。降雨強度越大,歷時越長,安全系數降低幅度越大。

4 結論

降雨強度是影響邊坡穩定的重要因素之一。邊坡在降雨強度為3.6 mm/h工況下的安全系數較天然工況下降低了0.33,在降雨強度為18 mm/h工況下的安全系數較降雨強度為3.6 mm/h工況下降低了0.21。非飽和巖土體的邊坡在雨水入滲的情況下,隨著降雨強度的加大,一方面覆蓋層含水量增大,浸潤線上升,非飽和區越小,巖土體的重度增加,加大邊坡的下滑力；另一方面孔隙水壓力增大,基質吸力減小,抗剪強度又因含水率增加而急劇下降,邊坡的抗滑力下降,兩方面的共同作用使邊坡安全系數也隨之減小,進而誘導邊坡發生塑性變形。當降雨持續到一定時間時,處于臨界狀態的邊坡產生滑動或蠕滑。

[1] 莫偉偉.庫水位漲落及降雨條件下庫岸邊坡水巖作用及穩定性分析[D].武漢:長江科學院，2007.

[2] 榮 冠,張 偉,周創兵.降雨入滲條件下邊坡巖體飽和非飽和滲流計算[J].巖土力學,2004,26(10):1545-1549.

[3] 戚國慶.降雨誘發邊坡機理及其評價方法研究[D].成都：成都理工大學,2004．

[4] D.G Fredlund,H.Rahardjo合著.非飽和土土力學[M].陳仲頤，等，譯.北京:中國建筑工業出版社，1997.

[5] 劉艷華,龔壁衛,蘇鴻.非飽和土的土水特征曲線研究[J].工程勘察，2002(3)：8-11.

[6] 陳浩等.GeoStudio軟件在土坡飽和—非飽和滲流分析中的應用[J].四川建筑，2008，28(6).

[7] 帥紅巖.三峽庫區曬鹽壩邊坡在暴雨和庫水位下降條件下穩定性影響分析[D].成都：成都理工大學,2010.

[8] 毛昶熙,李吉慶,段祥寶.滲流作用下土坡圓弧滑動有限元計算[J].巖土工程學報,2001(11):659-665.