降雨對邊坡滲流特征及穩定性影響研究

摘 要：為研究大雨和暴雨工況下，昔格達土邊坡滲流場特性及邊坡穩定性。本文采用數值模擬軟件分析了降雨對邊坡土壤含水量及孔隙水壓力的影響規律。結果表明，降雨對邊坡坡頂、坡中及坡腳不同位置處的土體含水率和孔隙水壓力均有顯著的影響。由于降雨的軟化作用，土體容易形成軟弱滑動面，導致邊坡的穩定性降低或者整體失穩。降雨對邊坡有劣化作用，且對邊坡穩定性有滯后效應。因此，應加強雨后邊坡的變形監測，出現坡體大變形時須及時采用控制措施，保障邊坡安全。

關鍵詞：昔格達土邊坡；穩定性降雨；數值模擬

中圖分類號：U 416" 文獻標志碼：A

邊坡穩定性是山區基礎工程建設的重要工程問題。既有研究表明，影響邊坡穩定性的因素有很多，例如降雨、地質條件、地形地貌、地震及人類擾動等。其中，降雨因素被認為是影響邊坡穩定性的關鍵因素。針對邊坡穩定性，閆慧等[1]基于ABAQUS數值模擬系統地研究了降雨對路堤邊坡滲流規律及穩定性的影響。結果表明，降雨時間越長，邊坡滲透深度越大，邊坡穩定性越差。秦金橋等[2]基于流固耦合理論研究了雨對邊坡滲流場與穩定性的影響。結果表明，降雨強度越大，持續時間越長，邊坡的穩定性下降速率也越快。傅洪金等[3]依托福建省典型邊坡失穩工程案例，給出了降雨入滲和地下水滲流對邊坡穩定性的影響，得到了地下水的滲流場、軟化作用和浮托作用的變化規律。

昔格達土層邊坡多為層狀邊坡，但目前關于相關的邊坡穩定性研究比較少。本文以某地的土質滑坡為研究對象，基于數值模擬軟件，開展了降雨對邊坡穩定性的影響，最后采用Morgenstern-Price方法計算了邊坡的穩定性系數，本文的研究可為滑坡的加固及治理提供借鑒。

1 工程概況及數值模型

1.1 工程概況

某邊坡體現場調查發現滑坡縱向長度為80m，坡度20°，主滑方向為185°，剖面上陡下緩。鉆探資料顯示，坡體結構呈層狀分布，滑體為典型的基覆界面土層。上部滑體為坡殘積土，顏色為褐色-黃褐色，局部有塊碎石，厚度介于1m～4m。底部為第三系昔格達粉砂土，工程性質差。基巖為昔格達粉砂巖。滑坡典型剖面圖如圖1所示。

1.2 數值模型

根據典型剖面（圖1）建立數值計算模型。模型的邊界條件為約束模型底部3個方向的自由度，約束模型左右兩側邊界水平方向的位移。巖土體采用的破壞準則為摩爾-庫倫本構，具體計算參數見表1。此外，室內進行篩分試驗得到研究區滑坡土體的級配曲線，如圖2所示。根據土顆粒級配曲線擬合得到昔格達粉砂土-水特征曲線。

采用GEO-STUDIO中的SEEP/W模塊進行滲流分析。計算邊坡內部滲流場變化情況，分析不同位置孔隙水壓力及體積含水量等指標。此外，采用SLOPE/W模塊計算獲取邊坡內部基質吸力分布規律、邊坡的潛在滑動面分布形態以及穩定性系數變化規律。

2 試驗結果分析

2.1 含水率變化情況

圖3匯總得到了坡頂處體積含水量變化規律。結果表明，在暴雨工況下，當降雨持續48h時，監測斷面出現飽和區域，隨降雨持續進行，飽和區不斷擴大。當時間為96h時，降雨入滲深度可達3m深，飽和深度可達2m。當降雨停止后，雨水入滲持續進行，但飽和區開始出現減小的趨勢。當時間為168h時，雨水最大入滲深度為3.5m。此外，當降雨停止后，在高程為88m位置以上，相同深度位置的含水量隨時間增大而減小，而在高程88m位置以下相同深度位置的含水量隨時間增大而增大。此外，在大雨工況下，監測斷面的含水量變化規律基本與暴雨工況相同，但降雨入滲深度明顯減小，且隨時間增大，濕潤鋒深度增大。

圖4匯總得到了暴雨和大雨工況下，坡中間位置處土體體積含水量變化規律。結果表明，在暴雨工況下，當降雨小于48h時，滲流主要出現在坡面處，當降雨大于48h以后，降雨向下入滲。當時間為96h時，覆蓋層達到完全飽和狀態，最大入滲深度為1.5m，且土層分界面處附件含水量分布發生突變。降雨停止后，坡體深部的含水量明顯大于表層土體。由此可見，當降雨停止后，降雨仍然向下發生滲透，導致淺層土體含水量變小。當時間為168h時，土層分界面處殘積物含水量大于0.35，處于近飽和狀態。此外，在大雨工況下，降雨入滲深度明顯變小，當時間為96h（降雨結束）時，雨水沒有滲透至地層分界面處。當降雨結束后72h時，雨水入滲至土層分界面處，導致上下土層的力學性質發生顯著變化。雖然雨水入滲深度沒有明顯加深，但相同位置處的體積含水量仍有所升高。

匯總暴雨和大雨工況下，坡腳位置處土體體積含水量變化規律，結果表明，暴雨工況下，當降雨持續48h時，覆蓋層表面土體已經達到飽和，且雨水滲透至昔格達地層中，當降雨時間為96h時，降雨入滲至昔格達粉砂層3m深度處。由于入滲深度不同，導致在入滲深度范圍內土體的力學性質存在明顯差異。降雨過程中，覆蓋層達到飽和的時間非常短，當降雨停止后，土層面附近坡殘積土含水量約為0.35，證明雨停后層面附近處的含水量仍處于較高水平。

2.2 孔隙水壓力變化情況

匯總坡頂處孔隙水壓力變化規律如圖5所示。結果表明，坡頂處的滲流均發生在覆蓋層內，暴雨工況下，在雨水入滲深度范圍內，孔隙水壓力持續增大。當降雨停止后，孔隙水壓力分布表現出明顯的兩階段特征。1）在高程87m以下，土體孔隙水壓力逐漸消散。2）在高程87m以上，土體孔隙水壓力逐漸增大。此外，在大雨工況下，降雨入滲深度持續減小，且入滲完全發生在覆蓋層內。

匯總坡中部處孔隙水壓力變化，結果表明，暴雨工況下，降雨時間小于72h，降雨入滲會導致覆蓋層孔隙水壓力發生明顯變化。隨降雨持續進行，相同位置處的土體孔隙水壓力逐漸變大，當降雨時間為96h時，雨水入滲至昔格達土體1m深度位置。由于昔格達粉砂土飽和含水量小于上層坡殘積土，因此導致孔隙水壓力增長范圍變大。在大雨工況下，降雨未達到昔格達土層內，孔隙水壓力變化比較均勻，但持續增大，且均為正值。

匯總坡腳處孔隙水壓力變化規律，結果表明，暴雨工況下，覆蓋層厚度為1m范圍內的粉砂土達到飽和，層面附近的孔隙水壓力增大范圍變化顯著。由于土層間力學性質的差異性，當降雨停止后，坡體內孔隙水壓力隨高程分布存在分區現象。其中，覆蓋層中孔隙水壓力明顯減小，而昔格達粉土地層中，孔隙水壓力隨時間延長而變大。大雨工況下，孔隙水壓力隨降雨持續進行而增加，當時間為96h時，土體內部孔隙水壓力仍為負值，降雨結束時，由于雨水不斷入滲，孔隙水壓力逐漸轉變為正值。

2.3 邊坡破壞機理分析

匯總不同降雨工況下邊坡穩定性系數隨時間的變化規律。結果表明，在2種降雨工況下，邊坡的穩定性系數均隨時間延長均呈先變小后變大的趨勢。其中，在降雨期間，邊坡穩定性系數逐漸減小，表明降雨不斷入滲至邊坡不同深度處，是造成邊坡的穩定性有所差異的主要原因。當降雨時刻為24h～48h時，由于雨水入滲至土層分界面處，該區附近土體孔隙水壓力發生變化，此時邊坡的穩定性系數下降速度顯著增大。當降雨大于40h時，水分進入昔格達粉砂土后，滲透深度持續增大導致穩定性下降，由于粉砂土滲透性比上層坡殘疾土更差，因此，雨水入滲更慢，導致邊坡穩定性系數下降速率減小。雨水結束后，坡體內部的水分不能迅速排出，導致穩定性仍有所降低。當雨水停止120h后，邊坡的穩定性系數最小。隨后，由于雨水不斷排出坡體內部，導致邊坡穩定性逐漸提高。此外，由于降雨強度不同，暴雨工況下的邊坡穩定性明顯低于大雨工況下的邊坡穩定性。

3 結語

本文采用數值模擬軟件建立計算模型，系統地研究了降雨對昔格達土邊坡滲流場特征及穩定性的影響，得到如下結論。1）在降雨進行過程中，隨雨水向下入滲，水分逐漸在土體中積累。降雨停止后，雨水在一段時間內仍然會向下滲透，由于土層滲透性存在差異，因此導致坡殘積土和昔格達粉砂土中土體含水率及孔隙水壓力的分布規律有明顯不同。2）滑動面或者土層界面處的含水量及孔隙水壓力會發生突變，其中土層界面的土體處于較高的含水量狀態，而昔格達粉砂土由于降雨的軟化作用，容易形成軟弱滑動面，且在該面上，孔隙水壓力持續升高并延伸，導致邊坡的穩定性持續降低。3）降雨對邊坡有劣化作用，當降雨在雨停后一段時間內仍會繼續入滲，導致邊坡穩定性在雨停后仍會明顯下降，邊坡穩定性對降雨有滯后效應。4）根據本文的結果可知，由于降雨對邊坡穩定性的影響具有滯后性，實際工程中需要持續關注降雨后的一段時間內邊坡的穩定性，出現坡體大變形時須及時采用控制措施。

參考文獻

[1]閆慧，張晨陽.降雨對路堤邊坡滲流規律及穩定性影響分析[J].土工基礎，2022，36（5）：743-746，751.

[2]秦金橋，王大群.降雨對公路邊坡滲流場與穩定性影響研究[J].路基工程，2020（5）：120-125.

[3]傅洪金.降雨入滲和地下水滲流對邊坡穩定性的影響分析[J].福建交通科技，2016（3）：1-6.