考慮降水入滲和徑流的邊坡穩定性分析

付建利，路玉恒

(德州黃河河務局齊河黃河河務局，山東 德州 251100)

1 工程背景

某灌區內天然植草路塹邊坡發生破壞，斜坡主要由兩個臺階組成，破壞發生在上部臺階。根據近期的氣象遙測系統，距離研究地點10 km的自動氣象數據采集系統記錄了大量的融雪和降雨。此外，斜坡沿坡有排水系統以排出地表水流，但在邊坡失穩發生時，由于落葉、沉積物和積雪的堵塞，觀察到排水溝處有水溢出，經判斷是斜坡破壞的主要原因之一[1]。

2 模擬方法

本文針對此邊坡失穩現象進行了穩定性分析，并建立了用于邊坡穩定性評估的三維模型，進行了地表徑流和土壤水流分析，僅考慮實際路塹邊坡的上部臺階和具有溝渠堵塞點的溝渠系統。模型由土壤和草層兩部分組成，草層厚度為0.2 m。土壤的干密度為968 kg/m3，有效內聚力為1.0 kPa，有效摩擦角為32°，彈性模量為4.6 MPa，泊松比為0.3，飽和透水性為3.30×10-5m/s，飽和體積含水量為0.61 m3/m3。根據當地水文氣象資料測得的平均值，地下水位的初始條件設定為距地表5.0 m。地表徑流邊界條件采用流入邊界和流出邊界來模擬，在排水溝未堵塞的情況下，流入水量等于流出水量[2-5]。而在排水溝堵塞的情況時，流入水量值保持不變，流出流量值變為零。設置溝渠系統的側面和底部為零流量邊界。此外，排水溝的進水僅考慮了來自聚集區的徑流，沒有考慮來自坡頂的滲透水，坡頂設置為零流量邊界。水量定義為流入流量值，如式(1)：

Q1=(P+S)×A；Q2=αQ1

(1)

式中：Q1為流入流量值，m3/s；P為降雨量，m/s；S為融雪水量，m/s；A為計算面積，m2；Q2為流出流量值，m3/s；α為與堵塞率相關的參數，取0～1(1對應于水從溝渠系統排出的情況、沒有堵塞，0對應溝渠系統被堵塞并且水從側面流出的情況、完全堵塞)。

3 結果和討論

3.1 氣候條件和總流入水量

圖1為降雨量隨時間的變化，降雨主要集中在10～25 h時期，在18 h時降雨量最大，為6.72 mm/h。圖2為積雪深度隨時間的變化，積雪深度呈現逐漸下降的趨勢，在降雨發生后積雪深度明顯下降。圖3為總流入水量，總流入水量先增大后減小，在降雨發生后，總流入水量顯著增加，在18 h后隨著降雨量的減小以及積雪深度的持續減小反而呈現下降的趨勢。根據雪深和降雪量的數據估算融雪水量。從理論上講，積雪深度可以通過積雪模型來估計，使用平均氣溫來確定雨或雪的降水量。為了獲得更準確的結果，通常采用氣象監測數據，即測量的雪深和降雪數據來估計融雪量。通過考慮邊坡失穩前的降雨歷史資料進行初始滲流分析，以獲得邊坡破壞前一天時邊坡中的初始含水量分布。通過考慮地表徑流和土壤水流的耦合模型，以1 h為時間步長，對邊坡失穩時25 h內氣候邊界條件下的瞬態滲流進行分析，以自重計算模型的初始平衡條件。最后，結合孔隙水壓力和含水量分布進行邊坡破壞分析，計算邊坡的局部安全系數。

圖1 降雨量隨時間變化規律

圖2 積雪深度隨時間變化規律

圖3 總流入水量隨時間變化規律

3.2 溢流對邊坡穩定性的影響

本研究中僅考慮裸露土壤，評估溝渠堵塞引起的溢流對邊坡穩定性的影響，比較了邊坡失效時的表面流深度分布以及完全堵塞(α=0)和無堵塞(α=1)的情況下模擬結果。在溝渠完全堵塞的情況下，排水系統的溢流從邊坡表面的側面產生，此時降雨和融雪水無法通過排水溝順利排出。相反，溝渠中的水被完全排出時則不會堵塞溝渠。完全堵塞和無堵塞的兩種情況下邊坡的孔隙水壓力分布也呈現不同的結果，有溢流時，在斜坡地面以下較深的地方仍呈現出正向增加的孔隙水壓力。在沒有堵塞的情況下，地表淺層孔隙水壓力為正向增加，大部分深層斜坡區域仍是負孔隙水壓力。比較完全堵塞和無堵塞的情況下邊坡的局部安全系數的分布，在完全堵塞的情況下，大部分邊坡區域處于不穩定狀態，在溝渠堵塞點的橫截面不穩定深度接近2.2 m。相反，在沒有堵塞的情況中，盡管坡面上出現了較低的局部安全系數區域，但沿坡并沒有明顯的破壞區域[6-7]。

有效飽和度、孔隙水壓力、局部安全系數和徑流速度隨時間的變化如圖4～圖7所示。由圖4、圖5可知，水的滲透會導致有效飽和度和孔隙水壓力的增加，從而導致未飽和土壤的吸水性減小，并最終降低局部安全系數，如圖6所示。由圖4可知，在α=1的情況下，排水溝渠內無堵塞，有效飽和度相對較穩定，在0.5～0.6范圍內逐漸上升。在α=0的情況下，排水溝渠內堵塞嚴重，在降雨7 h后快速上升并穩定在1.0。由圖5可知，孔隙水壓力隨時間的變化規律與有效飽和度較為相似，在α=1的情況下，孔隙水壓力在-8.0～-5.0 kPa范圍內逐漸上升，恒為負值。在α=0的情況下，排水溝渠內堵塞嚴重，孔隙水壓力快速上升最終出現了正值的孔隙水壓力。由圖6可知，局部安全系數均隨時間的增加而下降，但在溢流導致溝渠堵塞的情況下，有效飽和度和孔隙水壓力的增加以及局部安全系數的減少更為顯著。由此可知，溝渠堵塞增加了邊坡破壞失穩的風險，溢流是導致邊坡失穩的關鍵因素，在實際工程中應重視溢流對邊坡穩定性的影響。經計算，沿坡面的邊坡臨界侵蝕速度為0.26 m/s，圖7顯示了完全堵塞情況下邊坡的徑流速度，徑流速度超過了臨界侵蝕速度，最終導致邊坡的侵蝕破壞，影響邊坡的穩定性。溝渠堵塞情況下，溢流滲透到邊坡中，土壤的含水量急劇增加導致邊坡加速破壞。當排水系統工作性能良好時，在實際情況下邊坡基本可以保持穩定性。

圖4 有效飽和度隨時間變化規律

圖6 局部安全系數隨時間變化規律

圖7 徑流速度隨時間變化規律

3.3 草層對邊坡穩定性的影響

地表草層在邊坡穩定性分析中起著重要作用，利用植物根系等進行生態防護是環境友好的邊坡防護方案之一，可以增加降雨引起的淺層土壤邊坡的穩定性。與裸露土相比，植被土具有明顯不同的滲透性能和力學性能。相較于裸露土，在植被土壤中有更高的持水能力和更低的滲透系數。同時，植被根系具有固定土壤顆粒的作用，減弱邊坡表面侵蝕程度，植被根系穿過潛在的破壞面可提高邊坡穩定性。有學者進行了滲透性試驗對比草地和裸露土壤的飽和滲透系數的區別，圖8為不同根系體積比的草地和裸露土壤的飽和滲透系數比值[8]。由圖8可知，在根系體積比為0.002 m3/m3時，飽和滲透系數比值為1.03。飽和滲透系數比值隨根系體積比的增加而逐漸降低。

圖8 不同根系體積比下飽和滲透系數比值變化規律

由圖8可以看出，隨著根系體積比的增加，由于更多的根系堵塞了土壤孔隙，草地土壤的滲透性減小。本研究中的邊坡破壞發生在10月底，考慮到春季的草類植物的生長，假定草齡為8個月。根據圖8的草層飽和滲透系數，為評價Ks(正負樣本分隔程度的評價指標)值的影響，在考慮草齡效應的情況下，在模擬中采用0.25和0.50的比例。根據草齡校準草層的有效內聚力，4個月草層的有效內聚力為4.2 kPa，8個月草層的有效內聚力為8.1 kPa，曼寧系數值取為0.3 s/m1/3。為了簡化，其他參數設置與裸露土相似。所有模擬都是在溝渠堵塞條件下進行的。

分析有草層的邊坡孔隙水壓力和局部安全系數的分布，與僅考慮裸露土壤的情況相比，草層有效地阻礙了滲透，并減少了濕潤土層的深度。相應地，破壞規模顯著減小，模擬結果證明了草層對邊坡具有保護作用。在理論上，不同草齡均具有一定的保護作用。當采用0.25的比率時，模擬滑面比實際滑面淺。由于根部腐爛導致大孔隙的形成，在一定程度上導致滲透性的增加?？紤]到破壞時間在秋季，部分根系可能會腐爛，導致根系體積比降低，從而增加飽和滲透系數比?？紤]根腐效應時，模擬的破壞深度為1.5 m，大致達到實際滑面，但此時忽略了溢流引起的侵蝕效應。

4 結 論

(1)溝渠堵塞引起的徑流外溢對邊坡穩定性有不利影響，在溢流導致溝渠堵塞的情況下，有效飽和度和孔隙水壓力的增加以及局部安全系數的減少更為顯著。堵塞情況下邊坡的徑流速度超過了臨界侵蝕速度，最終導致邊坡的侵蝕破壞。溢流是導致邊坡失穩的關鍵因素。

(2)草層通過限制地表入滲和增強土壤強度，可以增加降雨引起的淺層土壤邊坡的穩定性。飽和滲透系數比值隨根系體積比的增加而逐漸降低。同時，草層的性質受到草齡和根部腐爛等多種因素的影響，可能會產生相反的影響。

(3)通過考慮土壤、草層等不同材料對滲透和徑流的影響，本研究可以為強降水條件下的邊坡穩定性和防護方法提供有價值的信息。