降雨條件下土質(zhì)邊坡入滲深度的估算

管憲偉 錢財(cái)富（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230000 安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

降雨條件下土質(zhì)邊坡入滲深度的估算

管憲偉 錢財(cái)富
（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230000 安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

本文主要利用入滲流量相等的原理，基于達(dá)西定律和土體基本性質(zhì)，提出了降雨條件下土質(zhì)邊坡入滲深度的估算方法，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算與降雨對(duì)邊坡滑動(dòng)類型比較驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。

降雨入滲 入滲深度 飽和區(qū) 滲透系數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，降雨是土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素之一。降雨誘發(fā)滑坡大致可以分為兩種：一種是深層滑坡，降雨造成地下水位上升，孔隙水壓力增加所致；另一種是淺層滑坡，降雨入滲導(dǎo)致邊坡土體抗剪強(qiáng)度降低所致。

一般雨水滲透到坡體內(nèi)部，引起滲流場(chǎng)的變化，從而使作用在土體上的動(dòng)水荷載和靜水荷載增大，土體抗剪強(qiáng)度降低。邊坡土體的含水量增大，同時(shí)產(chǎn)生一定的滲流力，使邊坡的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。降雨破壞邊坡過(guò)程：降雨—雨水邊坡滲透—邊坡土體重力增大、強(qiáng)度降低—穩(wěn)定系數(shù)減小—局部失穩(wěn)滑動(dòng)—滑動(dòng)破壞。所以對(duì)降雨土質(zhì)入滲深度確定尤為重要，傳統(tǒng)非穩(wěn)定滲流計(jì)算方法比較繁瑣，計(jì)算參數(shù)獲取比較困難，本文通過(guò)估算的方法計(jì)算降雨后土層入滲深度，為降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定分析提供可靠支撐。

表1 邊坡土質(zhì)指標(biāo)

表2 降雨邊坡入滲深度估算表

1 降雨入滲機(jī)理

降雨入滲是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，包括坡頂入滲、坡面入滲、順裂隙入滲、裂隙向土體滲流和重力條件下土體內(nèi)滲流等多種形態(tài)。

當(dāng)降雨強(qiáng)度小于邊坡土體滲透系數(shù)時(shí)，降雨很容易滲流到土體深部飽和區(qū)，直接補(bǔ)給地下水，而淺部土體難以達(dá)到較高的飽和度。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于邊坡土體的入滲率時(shí)，一方面雨水使土體邊坡淺層迅速達(dá)到飽和，坡面形成地表徑流，對(duì)坡面造成沖刷；另一方面雨水滲透到坡體內(nèi)部，引起滲流場(chǎng)的變化。降雨邊坡入滲一般為降到邊坡上的雨水，開始以非飽和狀態(tài)垂直向下滲透，隨著雨水的不斷進(jìn)入，非飽和土體逐漸飽和，變?yōu)轱柡头€(wěn)定滲流。非飽和滲流與飽和滲流一樣，均符合達(dá)西定律：

式中：vi—水的達(dá)西流速；

kij—飽和滲透系數(shù)；

H—總水頭。

水流運(yùn)動(dòng)在飽和區(qū)和非飽和區(qū)的主要區(qū)別在于滲透系數(shù)的不同。在飽和區(qū)，一般認(rèn)為滲透系數(shù)為常數(shù)，而在非飽和區(qū)，滲透系數(shù)是和飽和度、基質(zhì)吸力有關(guān)的一個(gè)關(guān)系式。在非飽和區(qū)，孔隙水壓力為負(fù)值，而在飽和區(qū)為正值。

2 降雨土層入滲深度估算方法

降雨落入邊坡后，一部分形成徑流流出，一部分深入土質(zhì)邊坡中。邊坡表面一開始為非飽和入滲，隨著時(shí)間的推移，雨水的不斷滲入逐漸變?yōu)轱柡腿霛B。由降雨入滲機(jī)理可知非飽和滲流與飽和滲流一樣，均符合達(dá)西定律。所以邊坡單位時(shí)間滲流量q可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q—單位滲流量；

k—飽和滲透系數(shù)；

i—水力比降。

雨水滲入使土體飽和，所以飽和土體的多少，主要取決于入滲量的多少。假設(shè)雨水隨邊坡入滲均為垂直向下。設(shè)入滲深度為H，單位時(shí)間內(nèi)的滲流量按（2）式進(jìn)行計(jì)算，按單

寬計(jì)算飽和土體體積為V：

土體飽和含水率為：

設(shè)土體飽和度為Sr，土體干密度為ρ，則土體完全飽和需要的滲入水量q為：

故入滲深度H估算公式為：

將（2）代入（6）中得單位時(shí)間入滲深度：

由式（7）可知入滲深度和滲透系數(shù)成正比，和干密度和孔隙比成反比。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 計(jì)算參數(shù)選擇

為計(jì)算降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，此次選擇計(jì)算邊坡斷面為1∶3，邊坡高度為10m。邊坡土質(zhì)為中粉質(zhì)壤土。具體土質(zhì)指標(biāo)見表1。

3.2 計(jì)算成果

根據(jù)工程實(shí)際，降雨后坡面一般不存在積水，為貼坡入滲，滲透水頭和滲徑基本相等，所以入滲計(jì)算水力坡降為1?，F(xiàn)根據(jù)公式（7）計(jì)算降雨時(shí)間為1h、2h、4h、6h、12h和24h入滲深度，具體結(jié)果見表2。

由計(jì)算公式和計(jì)算成果可知，土質(zhì)一定的邊坡入滲深度和降雨時(shí)長(zhǎng)成正比關(guān)系，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，入滲深度越大。

連續(xù)降雨24h入滲深度為77.5cm，僅邊坡淺層受到降雨的影響，這和不考慮地下水位上升時(shí)，降雨引起邊坡滑動(dòng)為淺層滑動(dòng)破壞的自然現(xiàn)象基本吻合。

4 結(jié)論

本文基于入滲流量平衡，提出了入滲深度和滲透系數(shù)成正比，及干密度和孔隙比成反比的估算降雨條件下邊坡入滲深度的計(jì)算公式，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算了不同降雨時(shí)長(zhǎng)邊坡入滲深度，為研究降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響提供可靠的分析依據(jù)