降雨入滲對渣土堆積體邊坡穩定性的影響

孫世國，方曉楠，何 健，鄧王倩

(北方工業大學 土木工程學院，北京 100144)

堆積體邊坡由于具有結構松散、強度低、滲透性高等特點，在外界不利因素影響下極易發生邊坡失穩，給人民的生命財產安全造成極為惡劣的影響。大量的邊坡失穩案例表明，滑坡產生的主要誘因之一是降雨[1]。目前國內外有許多學者研究了降雨對堆積體邊坡的影響。如馬陸江[2]等從可靠度的角度研究了不同降雨強度下的排土場邊坡穩定性。張書華[3]研究了降雨條件下不同體積含水率對壓力水頭的影響。王維早[4]通過離心模型試驗剖析了堆積體邊坡滑動失穩機制。雷小芹[5]認為細顆粒遷移所引發的土體滲透性、強度的變化會降低堆積體邊坡穩定性。鄧喜[6]研究了短時間強降雨、長時間弱降雨兩種工況作用下的邊坡入滲規律。

目前大多數研究主要集中在露天渣土堆積體上，對于高陡高速公路堆積體邊坡的研究卻少見。因此，本文以赤峰市某高速公路堆積體邊坡為研究目標，確定了與當地實際情況相符合的降雨強度與時長，并利用數值模擬對堆積體邊坡在不同降雨條件下的入滲特征、穩定系數變化、危險滑面的演化規律進行分析，經研究得出的結論對同類工程邊坡穩定性分析提供參考。

1 非飽和滲流基本理論

當土體為各向異性時，根據三維達西定律和質量守恒定律可知，非飽和滲流的基本微分方程如式(1)所示。

(1)

式中：H表示總水頭；ki(θ)表示i方向的滲透系數；θ表示體積含水率；T表示時間。

在非飽和土中，體積含水量的變化僅由應力變化所控制。且對于它以及飽和土而言，其應力狀態都可以用(σ-ua)和(ua-uw)這兩個應力變量來表征，其中，σ表示總應力，ua表示孔隙氣壓力，uw表示孔隙水壓力。在假設不考慮土體加載或卸載的情況下，即土體總應力不變，也不考慮孔隙氣壓力的變化時，體積含水量的變化單單只受到孔隙水壓力的影響。此時兩者之間的關系如式(2)所示。

(2)

式中：mw表示土水特征曲線斜率。

總水頭如式(3)所示。

(3)

式中：γw表示水的容重；Z表示位置水頭。

將式(3)代入式(2)，可得：

(4)

其中：z為常數。

將式(4)代入式(1)，可得瞬態非飽和滲流微分方程如式(5)所示。

(5)

2 非飽和土的降雨入滲特點

邊坡土體大都是以非飽和的形式存在。非飽和土的降雨入滲實際上就是巖土體在雨水滲入過程中由非飽和狀態向飽和狀態逐步演化的過程[7]。依據巖土體飽和度的不同，自上而下可分為四個區域，最上部為飽和區，該區域最先與雨水接觸，很快區域內的孔隙會完全被水占據，達到飽和狀態；其次是過渡區，該區域越接近表層巖土體，含水率是逐漸增長的，但還未達到飽和；再次為傳導區，該區域內的含水率增長較少，飽和度相對穩定；最下部的為濕潤區，該區域由于接觸到地下水，當深度在逐漸減小時，飽和度反而迅速提升。

非飽和土體的雨水入滲反映了降雨強度與巖土體滲透性的關系[8]。當巖土體滲透性較高時，雨水入滲巖土體的強度由降雨強度決定；而當降雨強度較高時，部分雨水會轉化為地表徑流流走，在巖土體表層區域形成飽和區，導致滲透性降低[9]。當降雨時長在不斷增加時，更多的巖土體進入到飽和的狀態，此時整個邊坡的入滲率會明顯下降。

3 不同降雨條件下堆積體邊坡滲流模擬分析

3.1 工程概況及模型建立

該高速公路起于赤峰市，終于通遼，路線全長450km，其中K45段穿過赤峰市雞冠山礦區堆積體。該礦區地處中溫帶，屬于半干旱大陸性季風氣候，年平均降雨量在400～500mm，降雨主要集中在7月份，最大降雨量達140mm/d。堆積體由花崗巖、輝綠巖和流紋巖組成。堆積體下部為粉質黏土、粉土和巖石碎屑，下部基巖主要是安山巖。本文中的滲流模型選取堆積體坡角最大的剖面為標準剖面，經適當簡化后的模型長為328m，高度為145m，坡角39度。模型主要土層由上到下依次為堆積體、粉質黏土和安山巖。進行滲流分析時，將邊坡體的左右兩邊和底部設置為不透水邊界，邊坡頂面、坡面及坡底表面設置為流量邊界，流量大小即為降雨強度[10]。地下水位線在坡高60m處，利用Geo-studio軟件中的Seep模塊建立的二維模型如圖1所示。

圖1 SEEP/W降雨模型圖

3.2 參數的選取及降雨方案的設計

根據施工現場勘查報告和室內試驗，選取邊坡巖土體的物理力學參數如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數

根據赤峰市雞冠山當地近50年的降雨資料，并結合我國氣象部門劃分的降雨強度等級標準，設計小雨、大雨、暴雨三種不同的降雨工況，降雨時長為12h，其中這三種工況的降雨強度分別取9.9mm/d，49.9mm/d和99.9mm/d。

3.3 不同降雨條件下的孔隙水壓力變化分析

利用Seep/W模塊對建立的堆積體邊坡模型進行滲流分析，探討該邊坡降雨12h后的孔隙水壓力在小雨、大雨以及暴雨強度下的變化。圖2是降雨入滲前的初始孔隙水壓力分布。

圖2 堆積體邊坡初始孔隙水壓力

在持續降小雨12h后，根據圖3可以看出，坡頂處無積水條件，且降雨強度小，雨水能夠全部滲入到巖土體中，從而導致該位置淺表層處的孔隙水壓力發生了較為明顯的變化，由初始-800kPa增長到-250kPa，降雨入滲深度有3～4m左右。該堆積體邊坡坡度陡，大部分雨水會以地表徑流的形式流走，孔隙水壓力在坡面處增長較少，雨水入滲深度平均約為2～3m。由于坡腳處地勢平緩，坡頂和坡面處的徑流量會在坡腳處積聚，導致該位置處的入滲量較大。此時坡腳處的孔隙水壓力值由-100kPa增長至-50kPa；在持續降大雨12h后，由圖4可以看出，坡頂表層的孔隙水壓力增長到-100kPa，雨水入滲深度為5m，坡面處的降雨入滲深度為4m，坡腳處開始進入飽和狀態，且距離坡腳一定范圍內的巖土體其孔隙水壓力值也增長到了-50kPa；在持續降暴雨12h后，由圖5可以看出，坡頂與坡面0.5m范圍內的巖土體已經進入飽和狀態，且形成貫通趨勢，降雨入滲深度達到了5～6m。

圖3 12h小雨后堆積體邊坡孔隙水壓力

圖4 12h大雨后堆積體邊坡孔隙水壓力

圖5 12h暴雨后堆積體邊坡孔隙水壓力

4 不同降雨條件下堆積體邊坡穩定性分析

穩定性和安全系數會隨著降雨的不斷滲透呈現出動態的變化[11]。為了分析邊坡在不同雨強、降雨歷時條件下的穩定性系數變化情況，采用四種極限平衡法分別對該邊坡進行計算，取最小值為邊坡穩定系數。計算出的邊坡穩定系數與不同降雨條件下的關系圖如圖6所示。

圖6 不同降雨強度和時長下邊坡穩定性系數折線圖

從上圖中可以看出，當降雨時長在不斷增加時，不同降雨強度下的邊坡穩定性系數總體上呈現下降的趨勢。持續降雨3h后，小雨、大雨和暴雨邊坡穩定系數的下降幅度近似相同，約為2%左右。持續降雨6h后，暴雨邊坡穩定系數的下降幅度開始發生變化，由原來的2%增長至10%左右。持續降雨9h后，大雨和暴雨的邊坡穩定系數均出現顯著的下降，下降幅度最大達到了12%。可以看出，邊坡的失穩往往發生在強降雨的后期。長時間的強降雨導致邊坡入滲量增加，土體重度增大，基質吸力與抗剪強度逐漸降低，導致邊坡安全系數急劇下降，使邊坡發生滑坡破壞。

圖7 持續降雨12h后在三種強度下的邊坡危險滑移面

持續降小雨12h后，計算出的邊坡穩定性系數為0.937，小于《公路路基設計規范》中規定的安全系數1.1，此時滑坡現象隨時有可能出現，邊坡處于較危險的狀態，邊坡產生整體滑動，滑動面表現為圓弧狀，滑面深度為8～10m左右；當持續降大雨12h后，計算得到的邊坡穩定性系數為0.817，邊坡發生失穩破壞，滑面貫穿整個坡頂至坡腳，且滑面深度達到了10m左右；當持續降暴雨12h后，邊坡穩定性系數降為0.712，此時的滑面的深度最大達到了13m，并且滑面呈現出廣而深的特點。

5 結論

降雨極易導致堆積體邊坡發生失穩，為高速公路的安全運行帶來極大的風險。本文結合該地區近50年的降雨資料，利用Geo-studio軟件進行降雨條件下堆積體邊坡的入滲特征、 穩定系數變化、危險滑面的演化規律分析，為高速公路后期的正常運營提供有效的保障。主要得出以下結論：

(1)在持續降小雨12h后，雨水滲入表層土體但尚未達到飽和，入滲深度為3～4m；在持續大雨12h后，雨水即將接近飽和狀態，入滲深度約為5m，在持續降暴雨12h后，堆積體邊坡表層0.5m范圍內完全達到飽和，入滲深度達到了5～6m。

(2)隨著降雨時長的不斷增加，邊坡穩定性系數逐漸下降。在降小雨、大雨和暴雨12h后，邊坡的穩定系數分別下降至0.937、0.817和0.712。

(3)在持續降雨9h后，不同降雨強度下的邊坡穩定性系數急劇降低，此時邊坡極易發生滑坡破壞。

(4)隨著降雨強度的增加，邊坡危險滑移面會逐漸向巖土體內部延伸，并呈現出廣而深的特征。