降雨入滲條件對邊坡穩(wěn)定性影響分析★

李 棟，平 揚(yáng)

(1.深圳市龍崗區(qū)水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000； 2.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)，廣東 深圳 518000)

1 概述

降雨是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素，90%地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生都與降雨有關(guān)。這主要是由于降雨會(huì)導(dǎo)致邊坡內(nèi)部土體含水量增高，改變土體的強(qiáng)度參數(shù)，使土體的有效應(yīng)力變小，同時(shí)，雨水會(huì)增大邊坡向下的滑動(dòng)力，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生[1-5]。因此，分析比較不同降雨條件對邊坡滲透特性和穩(wěn)定性的影響是十分有必要的。

降雨入滲是誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要原因之一[6]。影響降雨入滲的直接因素主要有降雨類型、降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)等，間接因素主要指土體本身的性質(zhì)。Rubin[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，在不同降雨強(qiáng)度的作用下，入滲率最后都會(huì)趨于一個(gè)相同的值，但是這個(gè)過程并沒有重合，說明了在不同降雨強(qiáng)度的作用下，入滲率的發(fā)展變化形式具有一定的相似性。在此之后，Smith和Parlange[8]發(fā)現(xiàn)地面積水時(shí)間對降雨強(qiáng)度存在一定影響，其間關(guān)系具體表現(xiàn)在降雨強(qiáng)度越大，地面積水時(shí)間就越長，即地表越早開始積水。隨后，Mein和Larson[9]對Green-Ampt入滲模型進(jìn)行了改進(jìn)，指出入滲率的算法在地面積水前后是不相同的。劉子振[4]考慮到基質(zhì)吸力和滲流力對非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性的影響，基于極限平衡條分法，推導(dǎo)了一個(gè)用來評價(jià)黏土邊坡飽和-非飽和滲流的計(jì)算公式。隨著社會(huì)進(jìn)步，人們開始越來越多地使用計(jì)算機(jī)，這使得數(shù)值分析方法成為了一種實(shí)用且高效的研究手段。孫勇帥[10]利用數(shù)值模擬軟件Geo-studio，改變降雨強(qiáng)度、坡度比等參數(shù)，計(jì)算得到其邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比。蔣中明[11]等通過編寫FISH函數(shù)對FLAC3D軟件中針對非飽和滲流計(jì)算的功能進(jìn)行了完善，證明了自編FISH函數(shù)實(shí)現(xiàn)邊坡三維非飽和滲流計(jì)算的可靠性。由此可見，降雨對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響，其主要與降雨入滲有著密切的聯(lián)系，分析滲流場與滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系有助于更好的認(rèn)識(shí)邊坡失穩(wěn)的本質(zhì)。

本文以飽和-非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，采用二維數(shù)值模擬軟件Geo-studio建立了簡單均質(zhì)邊坡模型。利用SEEP/W模塊對降雨邊界進(jìn)行了不同的假設(shè)，通過分析降雨邊坡滲流場，總結(jié)了在不同降雨強(qiáng)度以及降雨類型下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

2 降雨入滲對滑坡穩(wěn)定性影響分析

2.1 邊坡降雨入滲過程

在降雨入滲的過程中，邊坡土體的強(qiáng)度參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，巖土體本身的抗剪強(qiáng)度會(huì)降低。隨著雨水逐漸深入邊坡巖土體中，土體入滲率逐漸減小，孔隙水壓力變大，土體中將會(huì)出現(xiàn)一部分暫態(tài)飽和區(qū)，這對邊坡的穩(wěn)定性是不利的。如圖1所示，土體地表開始有積水入滲時(shí)，典型含水率分布剖面可分為四個(gè)區(qū)，分別為飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)和浸水區(qū)。

飽和區(qū)中水分位于土體中的各個(gè)部分，而且每個(gè)部分都是飽和均勻的；過渡區(qū)深度越深，滲入到土體中的雨水量就越小；傳導(dǎo)區(qū)土體含水率幾乎不隨著深度的變化而變化；濕潤區(qū)土體隨著深度的增加，其含水率接近初始值；濕潤區(qū)干燥的土體和濕潤的土體形成了一個(gè)接觸面。

2.2 非飽和土中水分運(yùn)動(dòng)基本方程

非飽和土是一種三相土，與飽和土存在一定區(qū)別，非飽和土中不僅有固相和液相，還有氣相。正是由于氣相，非飽和土的性質(zhì)與飽和土相比就顯得更加復(fù)雜。

飽和土的達(dá)西定律為：

(1)

非飽和土中水的流動(dòng)依然服從達(dá)西定律，只是由于空隙中氣的存在，水的流動(dòng)受到一定程度的阻礙。如圖2所示，在土體中取單元體進(jìn)行分析。

在穩(wěn)定滲流的情況下，單元體流進(jìn)流出的水量相等。

(2)

所以:

(3)

將達(dá)西公式代入式(3)，便可得到:

(4)

式(4)中的滲透系數(shù)不能提到微分符號(hào)的外面，這是由于非飽和土的Kw不是常量，所以上式展開后可表示為：

(5)

其中，Kw為非飽和土滲透系數(shù);hw為總水頭。

3 降雨滑坡數(shù)值仿真

3.1 模型介紹

采用Geo-studio數(shù)值仿真軟件建立一個(gè)均質(zhì)的土質(zhì)邊坡，邊坡土體的滲透性表現(xiàn)為各向同性，即各向的滲透系數(shù)相等。邊坡底面長100 m，坡頂寬40 m，斜坡的坡度比為1∶1，坡腳寬20 m。選取邊坡中部截面(x=41 m)作為分析截面，用來監(jiān)測在降雨作用下的邊坡內(nèi)部孔隙水壓力和體積含水量的變化規(guī)律。設(shè)置ah,gf為零流量邊界，ab,ef,hg代表不滲透水分的零流量邊界，bcde代表降雨入滲流量邊界。采用四邊形與三角形的組合網(wǎng)格劃分，模型示意圖如圖3所示。

邊坡土體選用的是摩爾-庫侖模型，邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法是極限平衡法。邊坡土體選取為中強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，干密度為2 050 kg/m3，黏聚力為57.25 kPa，內(nèi)摩擦角為32.42°，土體飽和滲透系數(shù)0.648 m/d，飽和含水量取值為0.3 m3/d，殘余含水量取值為0.1 m3/d。

3.2 模擬方案

3.2.1 降雨強(qiáng)度

根據(jù)氣象部門對降雨強(qiáng)度的規(guī)定，設(shè)置降雨工況如表1所示。為分別探究降雨過程中和降雨結(jié)束時(shí)不同降雨強(qiáng)度下邊坡滲流場和邊坡穩(wěn)定性的差異，降雨持時(shí)統(tǒng)一為5 d，對不同降雨強(qiáng)度影響下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

表1 不同降雨強(qiáng)度的工況

3.2.2 降雨類型

為了模擬不同降雨類型下的邊坡滲流特性，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)實(shí)際氣象部門的規(guī)定設(shè)置。在降雨持時(shí)為10 d，降雨總量為500 mm的情況下，選擇四種現(xiàn)實(shí)中常見且典型的降雨類型，分別包括平均型降雨、前鋒型降雨、中鋒型降雨和后鋒型降雨(見圖4)。該模擬設(shè)定的工況為降雨持時(shí)10 d，同時(shí)對停雨5 d的邊坡情況進(jìn)行了評價(jià)。

4 結(jié)果分析

4.1 降雨強(qiáng)度的影響

通過分析不同降雨強(qiáng)度下的邊坡穩(wěn)定性，得到的邊坡滑動(dòng)面位置以及安全系數(shù)如圖5所示。

從圖5可以看出，不同降雨強(qiáng)度下，5 d降雨結(jié)束后邊坡的安全系數(shù)各不相同。降雨強(qiáng)度為50 mm/d,100 mm/d和200 mm/d對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別是1.538,1.532和1.522。可見降雨強(qiáng)度越強(qiáng)邊坡安全系數(shù)越小，邊坡穩(wěn)定性越差，從而更易引發(fā)滑坡災(zāi)害。這是因?yàn)樵诮涤陼r(shí)長內(nèi)，整個(gè)邊坡只是接近飽和狀態(tài)而并未進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，所以降雨強(qiáng)度越大會(huì)導(dǎo)致更多的雨水滲入坡體內(nèi)部，對坡體的穩(wěn)定性造成不利影響。

圖6為三種降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化曲線圖。從圖6中可看出，降雨強(qiáng)度越大土坡安全系數(shù)的降低速率就越大。這是由于在土坡土體入滲率一樣的情況下，降雨強(qiáng)度越大，土坡表層的土體在相同時(shí)間內(nèi)就會(huì)吸收越多的雨水。邊坡表層的土體體積含水率迅速上升，基質(zhì)吸力也隨之消散，從而導(dǎo)致淺層滑坡。

4.2 降雨類型的影響

對于不同降雨類型，土體空隙水壓力隨入滲時(shí)間的變化不同。邊坡中部監(jiān)測面不同深度的孔隙水壓力隨降雨類型和降雨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7可看出，在降雨初期(降雨2 d)，邊坡土體表層(深度2 m之內(nèi))孔隙水壓力大小排序?yàn)椋呵颁h型>平均型>中鋒型>后鋒型。在邊坡土體中部及深部(深度4 m以上)，孔隙水壓力幾乎無變化。這是由于降雨初期，降雨的影響范圍僅在邊坡表面，邊坡表層孔壓首先達(dá)到最大。因此，邊坡土體的孔隙水壓力僅在邊坡表面存在差異，而在邊坡土體深處幾乎無變化。

在降雨末期(降雨10 d)，邊坡土體表面的孔隙水壓力大小排序?yàn)椋汉箐h型>平均型>中鋒型>前鋒型。而在邊坡土體中部(深度5 m～7 m)，孔隙水壓力的大小排序?yàn)椋呵颁h型>中鋒型>平均型>后鋒型。在邊坡深處的位置(深度7 m以上)，四種降雨類型下的孔隙水壓力幾乎相同。

在降雨結(jié)束5 d后，邊坡表層土體的孔隙水壓力可按照大小排序?yàn)椋汉箐h型>平均型>中鋒型>前鋒型。而在邊坡土體中部(深度5 m～7 m)，孔隙水壓力的大小順序?yàn)椋呵颁h型>中鋒型>平均型>后鋒型。在土體深部的位置(深度7 m以上)，四種降雨類型下的孔隙水壓力幾乎相同，且變化規(guī)律與降雨10 d即降雨末期時(shí)邊坡表層土體的孔隙水壓力大小順序相同。

不同降雨類型與降雨時(shí)間下，邊坡安全系數(shù)的變化如圖8所示。可見隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，邊坡安全系數(shù)大致表現(xiàn)為隨降雨的進(jìn)行越來越小，并在降雨結(jié)束后保持不變。降雨過程中的邊坡穩(wěn)定性也與降雨類型存在著聯(lián)系。在降雨前期，不同降雨類型下的邊坡安全系數(shù)按照大小可以排序?yàn)椋汉箐h型>中鋒型>平均型>前鋒型；在降雨后期的安全系數(shù)大小排序?yàn)椋汉箐h型>平均型>中鋒型>前鋒型；降雨結(jié)束以后，這四種降雨類型作用下的邊坡安全系數(shù)趨向一個(gè)定值，這說明降雨結(jié)束之后降雨類型對邊坡穩(wěn)定性的影響是一致的。

5 結(jié)論

本文通過Geo-studio數(shù)值模擬軟件，研究了不同降雨強(qiáng)度、降雨類型以及滲流時(shí)間對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了土體內(nèi)孔隙水壓力的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)降雨強(qiáng)度的不同會(huì)導(dǎo)致邊坡滲流場與孔壓場的變化。在降雨過程中，降雨強(qiáng)度越大，邊坡安全系數(shù)下降的速率越大。降雨強(qiáng)度較小時(shí)，雨水有足夠的時(shí)間滲入到坡體內(nèi)部，使整個(gè)邊坡的孔壓場上升較為均勻。而降雨強(qiáng)度較大時(shí)，邊坡的孔壓會(huì)在短時(shí)間內(nèi)上升到一個(gè)較高水平，邊坡表面易形成暫態(tài)飽和區(qū)，邊坡穩(wěn)定性急劇下降。

2)在降雨前期，不同降雨類型的邊坡安全系數(shù)按照大小依次為：后鋒型>中鋒型>平均型>前鋒型；降雨后期的安全系數(shù)大小排序?yàn)椋汉箐h型>平均型>中鋒型>前鋒型；降雨結(jié)束后，不同類型降雨作用下的邊坡安全系數(shù)均隨著時(shí)間趨于某一定值。

3)在降雨初期，邊坡土體表層(深度2 m之內(nèi))孔隙水壓力按照大小依次為：前鋒型>平均型>中鋒型>后鋒型；深層的邊坡土體的孔隙水壓力幾乎無變化。在降雨結(jié)束時(shí)，邊坡土體表層的孔隙水壓力大小順序?yàn)椋汉箐h型>平均型>中鋒型>前鋒型；邊坡土體中部孔隙水壓力的大小順序?yàn)椋呵颁h型>中鋒型>平均型>后鋒型；邊坡土體深部孔隙水壓力幾乎無變化。降雨結(jié)束后與降雨結(jié)束時(shí)的孔隙水壓力變化順序相同。