降雨入滲作用下土質邊坡穩定性分析

2013-04-09 12:54:28姜朋明陳小健江蘇科技大學土木工程與建筑學院江蘇鎮江212003

長江大學學報(自科版) 2013年34期

縱崗，梅嶺，姜朋明，陳小健（江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇鎮江212003）

降雨是一種常見的天氣現象，也是眾多邊坡工程事故的重要誘發因素。降雨導致土體內部的孔隙水壓力發生變化，基質吸力減小，土體的抗剪強度降低發生滑坡事故。不同的降雨強度和降雨歷時對邊坡穩定性的影響程度也不同，因此研究各種雨況下的邊坡穩定性十分必要。西南地區作為我國滑坡事故的常發地帶，針對該地區的降雨特點，筆者對降雨入滲作用下的土質邊坡穩定性進行了研究，以便為滑坡的預防和治理提供參考??江蘇科技大學研究生創新計劃資助項目（2012－35）。。

1 飽和－非飽和滲流理論

在降雨條件下的邊坡滲流場的分析中，雨水的流動是典型的二維飽和－非飽和問題，達西定律仍然適用其滲流規律的描述。土體內非飽和－飽和滲流的控制方程形式為［1－4］：

式中，h為總水頭，m；kx和ky分別為x和y方向的滲透系數，m／s；w為含水層中流入或流出的水量，m3／s；mw為比水容量，m3／kg；ρw為水的密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；t為時間，h。

水頭邊界條件如下：

式中，k為總的滲透系數，m／s；n為水流外法線的方向向量。流量邊界條件如下：

式中，q為邊界上的流量，m3／s；Γ1、Γ2分別為水頭邊界和流量邊界的定解函數。初始條件為：

式中，h0為開始時刻的水頭，m；Ω為水體流過的區域，m2。所使用的土水特征曲線模型為V－G數學模型［5］：

式中：a、b、n 分別為擬合參數，k Pa；ψ 為基質吸力；θ為體積含水量；θs為飽和體積含水量；θr為殘余體積含水量；Se為飽和度。

該模型的土－水特征曲線如圖1所示。

2 非飽和土的抗剪強度理論

非飽和土的抗剪強度隨著土體含水量的變化而變化，其計算公式如下［4］：

圖1 土體吸濕過程中土－水特征曲線圖

式中，τf為非飽和土的抗剪強度，k Pa；c′為有效粘聚力，k Pa；φ′為有效內摩擦角，（°）；σ為總應力，kPa；ua為孔隙氣壓力，k Pa；uw為孔隙水壓力，k Pa；x為與飽和度有關的參數。

由于基質吸力的方向和有效應力的方向不一致，因而在計算摩擦力時不能簡單疊加。為此，以正應力與基質吸力作為變量對非飽和土的式（2）進行了如下修改［6］：

式中，τf為非飽和土的抗剪強度，k Pa；φb為與基質吸力有關的內摩擦角，（°）。

3 建立模型和確定計算方案

以某一均質邊坡作為研究對象，邊坡尺寸及網格劃分模型分別如圖2和圖3所示，采用ABAQUS有限元軟件進行模擬分析。邊坡的基本參數如表1所示。

表1 邊坡土體基本參數表

圖2 邊坡尺寸圖（單位：m）

圖3 計算網格模型圖

4 影響土質邊坡穩定性的因素分析

4．1 降雨強度

圖5所示為不同降雨強度下邊坡安全系數隨降雨歷時的變化圖。由圖5可以看出，降雨歷時一定時，隨著降雨強度的增加，邊坡的安全系數隨之減小；降雨強度越大，在相同的降雨時間內安全系數的降低幅度越大。這是因為在降雨強度小于土體入滲強度的情況下，降雨強度越大，雨水入滲量越多，基質吸力減小導致坡體安全性降低［7］。

4．2 降雨歷時

圖6所示為邊坡在不同降雨歷時條件下坡肩孔隙水壓力隨高程變化圖。從圖6可以看出，與降雨前相比，雨后邊坡的孔隙水壓力上升幅度大致相同；隨著降雨歷時的增加，孔隙水壓力增加較小，其主要原因是降雨強度不變且相對較小，雨量增加且全部滲入土體，沒有在邊坡上部區域形成暫態飽和區，所以孔隙水壓力變化較為均勻。

圖7所示為不同降雨歷時條件下邊坡安全系數變化圖。從圖7可以看出，當降雨強度不變時，邊坡安全系數隨著降雨持續時間的增加而不斷減小。在開始的12h內，邊坡安全系數降低幅度最大，之后邊坡安全系數降低幅度明顯變緩。這是因為在降雨初期，土體的入滲能力大，雨水基本上全部滲入，隨著入滲量的增加，土體的入滲能力減小，使土體含水量增加的趨勢減慢，從而導致邊坡安全系數降低幅度變緩。

4．3 前期降雨過程

圖5 邊坡安全系數隨降雨歷時變化圖

圖6 不同降雨歷時下孔隙水壓力隨高程變化圖

不同前期降雨過程會對后期降雨入滲產生重要影響，這種影響主要體現在導致后期降雨初始條件的含水量發生變化（或初始壓力水頭分布不同），所以考慮前期降雨的影響就相當于考慮不同的邊坡初始含水量對降雨入滲的影響。為了解前期降雨對后期的影響，將前期的降雨過程進行了簡化處理，取前期降雨強度為10mm／h，持續時長為12h。

圖8所示為邊坡安全系數和前后期降雨時間間隔的關系，從圖8可以看出，隨著降雨時間間隔的增大，邊坡安全系數隨之下降。當時間間隔為18d時，安全系數降低到最小值，然后隨著時間間隔的增加，邊坡安全系數隨之增加。出現上述現象的原因如下：前期降雨結束后，邊坡土體內非飽和區的含水量增大，非飽和滲透系數隨著含水量的增大而增大，將此狀態作為后期降雨的初始狀態求解降雨入滲非飽和滲流問題時，邊坡的實際入滲能力較沒有前期降雨的情況下大的多。在前期降雨條件下的初期，雨水實際入滲量考慮前期降雨的較多。隨著時間的推移，土壤水逐漸下滲，抵達浸潤面后從飽和區流出，非飽和區含水量逐漸減少，飽和度降低，前期降雨的影響也逐漸減小。

圖7 邊坡安全系數隨降雨歷時變化圖

圖8 邊坡安全系數隨降雨時間間隔變化圖

4．4 土體滲透特性

土體的滲透特性會直接影響到水分的入滲速度。在相同邊界條件和降雨條件下，對于非飽和、非穩定滲流而言，不同滲流速度必然會導致瞬時滲流場分布的不同［8］。所以土體的滲透性對降雨條件下非飽和滲流場分布的影響起著十分重要的作用，從而也對邊坡的穩定性影響起著關鍵作用。

圖9所示為不同滲透系數條件下邊坡安全系數與降雨歷時關系圖。從圖9可以看出，在降雨歷時相同時，土體滲透系數越大，邊坡安全系數也越大。在降雨結束時，滲透系數越小，邊坡安全系數下降幅度越大。出現上述現象的原因如下：當滲透系數大于降雨強度時，邊坡的實際入滲的降雨量是由降雨強度來確定的。土體的滲透能力比較強，雨水全部滲入土體，并且通過土體滲入到較深部位的飽和區，并不會在淺部土體停留形成暫態的飽和區，對上部土體的孔隙水壓力幾乎不會造成太大的影響，上部土體的基質吸力幾乎沒有減小，仍保持原有的土體狀態。滲入到飽和區的雨水會導致地下水位面的升高或者通過飽和區流走，在這種情況下邊坡安全系數有所下降但幅度不大；當滲透系數小于降雨強度時，邊坡的實際入滲雨量則由土體的滲透特性來決定，此時降雨強度相對較大，土體上部的雨水來不及下滲，會導致上部土體快速接近飽和，上部土體基質吸力減小，土體的抗剪強度降低，穩定性降低的較快，因而在滲透系數相對較小的情況下，邊坡安全系數的下降幅度更大。

4．5 降雨類型

圖10所示為不同降雨類型條件下孔隙水壓力隨高程變化圖。從圖10可以看出，在短時強降雨條件下，表層的土體接近飽和狀態，其主要原因是此時的降雨強度大于土體的飽和滲透系數，水分在邊坡內部的運移很慢，在邊坡的上部形成暫態飽和區。在長時弱降雨條件下，上部土體遠遠沒有達到飽和，只是影響深度加大，也就是說如果一旦發生土體滑坡，長時弱降雨條件下的滑坡危害性會更大。