邊坡失穩過程中的非飽和滲流與應力場耦合效應分析

中圖分類號：U418.55 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025)16-0074-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.015

Analysis of Unsaturated Seepage and Stress Field Coupling Effect During Slope Instability

DENG Jing (The 2nd Geological Brigade of Sichuan， Chengdu 61Oooo， China)

Abstract:[Purposes] Based on the slope engineering case of Guangyuan Expressway in Sichuan Province，this study investigates the coupling efects of unsaturated-saturated seepage and stress field induced by rainfallinfiltration.[Methods] Soil-water characteristics and mechanical parameters were obtained through pressure plate and triaxial tests.The coupling control equations were established based on Richards'equation and Bishop's effective stress principle，and numerical simulations were implemented using the FLAC2D/TP-Flow framework.[Findings] The wetting front advanced to 2.2 m following a t0.5 relationship with infiltration time，with peak pore water pressure reaching nearly 1O kPa.Matrix suction reduction caused a 22% stiffness attenuation，while plastic zone strain reached O.O15.The safety factor decreased from 1.45 to 1.O5.Post-drainage and bolt reinforcement interventions elevated the safety factor to 1.42， with 68% and 65% reductions in displacement and seepage pressure，respectively. [Conclusions]This study achieves dynamic analysis of soil-water-stresstri-field coupling，providing precise numerical foundations for slope stability evaluationand engineering mitigation in high-rainfallregions.

Keywords: unsaturated sepage-stresscoupling; stress field redistribution; slope stability; numerical simulation

0 引言

邊坡穩定性受降雨入滲驅動的非飽和一飽和滲流與應力場動態耦合作用影響顯著。水分入滲驅動濕潤前緣演化，引發孔隙水壓力與基質吸力劇烈變化，導致有效應力分布重組及剛度衰減。我國有較多山區邊坡處于亞熱帶季風氣候區，極端降雨頻發且快速入滲效應突出，傳統基于飽和假定的穩定分析難以反映滲流演變與應力響應的交互機制[2-3]。本研究構建滲透一力學耦合數值模型并結合典型工程實例驗證，有助于揭示失穩演化機理，提升穩定性評估精度并指導防治對策設計。

1工程概況

本研究依托四川省廣元市昭化區至劍閣縣高速公路邊坡工程項目，其地處四川盆地北緣向秦巴山地過渡帶，為亞熱帶濕潤季風氣候區，距省道S301約 300m ，海拔為 650～675m 。邊坡開挖高度為 25m ，坡面傾角為 30^°～35^° ，設三級階梯式臺階，高差為 5m 、寬度為 3.5m 。巖體由砂頁巖互層構成，主控節理傾向NE，產狀 60^°∠80^° ，局部貫入泥巖薄弱帶，巖體完整度中等偏差。

該項目所在區域年均降雨量約為 1000mm ，降雨集中在6—8月，極端 24h 雨量可達 160mm ，暴雨頻次約2次/a。地下水位埋深 4～6m ，非飽和帶厚度約 10m 。破碎帶與基巖滲透系數分別為 8× 10^-7m/s 和 2×10^-6m/s ，土一水特征曲線呈現較強滯水性。

本研究通過在現場進行3孔鉆探(孔深 15m ）及DTH取樣，完成含水率、干密度、密實度測試，共布設12口孔隙水壓力計（埋深 2m，5m，8m 、8臺傾斜儀及1套自動雨量站，歷時12個月，監測濕潤前緣演化、孔隙水壓力與微小位移。監測資料表明，在累計降雨 120mm?24h 條件下，濕潤前緣由人滲 0.3m 迅速擴展至 2.2m ，孔隙水壓力從 -60kPa 上升至 8kPa ，應力場出現明顯重分布和強度退化趨勢。

2非飽和滲流一應力場耦合模型構建

2.1土一水特征曲線與滲透性函數的確定

本研究利用壓力板儀來獲取樣本不同吸力水平下的含水率，采用vanGenuchten模型進行擬合[4]。

非飽和導水系數應用Mualem-vanGenuchten形式，各參數匯總見表1。

表1土一水特征與滲透函數參數

2.2 非飽和滲流控制方程

該模型采用Richards方程描述非飽和區水力演化，具體見式（1)。

式中： Φ_t 為時間，s；V為空間梯度算子； θ 為體積含水率； K(h) 為導水系數， m/s;h 為孔隙水頭， m;z 為重力勢， m 。

本研究中數值離散采用有限元法，時間步長設為 Δt=360s ，以滿足數值穩定。坡面滲流邊界通過監測降雨量 I=120mm/24h 換算成通量 q= 1.39×10^-6m/s 施加。

2.3有效應力原理與應力一滲流耦合機理基于Bishop有效應力的表達式見式（2)。

式中： σ^′ 為有效應力， kPa;σ 為總應力， kPa;u_a 為大氣壓力取零基準， kPa;u_w 為孔隙水壓力， kPa;X (h) 為吸力系數，取 Se^m ，吸力系數指數 m=0.6

由式(2)可知，吸力增加帶來附加有效應力，土體強度與剛度得到強化；滲流過程造成 u_w 上升， σ^′ 重分布可能觸發局部破壞。

2.4耦合控制方程與本構關系

耦合系統由平衡方程與Richards方程雙向作用[5]，具體見式(3)。

??σ+ρg=0

式中： ??σ 為應力張量散度； ρ 為土體密度，kg/m³ g 為重力加速度，取 9.81m/s² ;其他同上。

本構關系選用小應變線彈性模型并引入含水率依賴的彈性模量進行修正，該模型能夠反映含水率變化對土體剛度的調節作用，具體見式(4)。

式中： E(θ) 為含水率 θ 下的彈性模量， MPa;E_s 為彈性模量，取 150MPa;p 為模量修正指數，取0.7；G 為剪切模量， MPa;ν 為泊松比。

本研究分析域為二維截面，高 25m 長 40m 底部與側面形成立體約束，水流邊界均為不透水；坡面施加等效降雨通量。初始孔隙水頭沿深度按靜水分布計算。SWCC曲線與試驗點擬合精度如圖1所示，初始孔隙水壓力分布如圖2所示。

圖1非飽和土SWCC曲線與試驗點擬合精度

圖2初始孔隙水壓力分布

3耦合模型數值實現與驗證

本研究采用FLAC2D與TP-Flow耦合求解框架，來實現非飽和滲流與應力場雙向交互。

3.1 模型幾何及網格劃分

本研究網格采用四邊形單元，并在滑動面附近進行局部加密。網格總節點數約8000，總單元數約7500。邊界約束條件按剛性嵌固處理，坡面按降雨入滲通量處理，底部與側面設不透水條件。

3.2 參數校核與敏感性分析

材料參數基于上述試驗結果，本研究針對關鍵參數開展敏感性分析。參數變動范圍為 ±10% ，監控項為滑坡尖端最大水平位移。各參數靈敏度分析結果見表2。由表2可知， K_s 對失穩進程貢獻最大，滲流路徑與濕潤前緣速率高度敏感。SWCC曲線參數 α 與 n 影響滲流場分布，對應力重分布亦有明顯影響。

表2參數敏感性分析結果

3.3數值結果與現場監測數據對比

模擬結果提取3口埋深分別為5、8和 12m 的孔隙水壓力計時程，與現場12個月監測數據進行對比。入滲峰值時序如圖3所示。由圖3可知，孔隙水壓力最大偏差不超過 0.15kPa ；滑坡尖端水平位移模擬值為 12.3mm ，比現場傾斜儀測得的 13.1mm 誤差低 7% ，對比結果見表3。

圖3入滲峰值時序表3數值與監測結果對比

4邊坡失穩過程中的耦合效應分析

4.1降雨入滲一濕潤鋒演化特征

Richards方程模擬結果顯示，濕潤前緣深度 h_f 隨時間 Φ_t 演進呈 t^0.5 關系 R²=0.98 )。在降雨強度為120mm/24h 條件下， ^2h 時 h_f=0.45m，4h 時 h_F 1.05m，8h 時 h_f=1.75m，12h 時 h_f=2.20m 。人滲速率由初期的 0.225m/h 逐漸衰減至末期的 0.063m/h 毛細力驅動向內部擴散主導濕潤前緣遷移。

4.2非飽和一飽和滲流場時空分布

滲流場等壓面隨入滲時間 Φ_t 向深部和內側推進。6h時，飽和區厚度（即濕潤前緣深度） )h_f≈1.5m ，非飽和帶厚度約 8.5m;12h 時，飽和區 h_f≈2.2m ，非飽和

帶厚度降至 7.8m 。滲透系數梯度在濕潤鋒附近發生顯著變化，由 1.2×10^-6m/s 提升至 5.6×10^-7m/s ，形成導流通道并影響滲流路徑。

4.3滲透荷載對應力場的影響與應力重分布

孔隙水壓力增加產生額外滲透荷載 Δu，5m 深處峰值 Δu≈9.8kPa 。Bishop有效應力公式 σ^′=σ-u_w (1-x)+? 計算得 _x≈0.76 ，導致局部有效應力減小Δσ^′≈-7.4kPa 。 8h 后塑性區沿坡面向坡腳擴展1.2m ，最大剪應力一塑性應變區內應變達0.015。

4.4滯水層、孔隙水壓力及基質吸力變化

當濕潤前緣擴展至坡面淺層深度為 0～0.3m 時，坡面淺層形成滯水層，孔隙水壓力由 -60kPa 回升至 -12kPa ，基質吸力 ψ=-(u_?-u_w) 由 60kPa 降至12kPa 。吸力下降使剛度 E(θ) 由初始 150MPa 降至 117MPa ，導致變形模量衰減 22% 。

4.5滑動面發育機理與穩定性演化

通過對應力一滲流耦合演化過程中塑性應變場進行分析，可知塑性應變集中帶標示潛滑動面，自坡腳向坡頂的水平距離設為 x ，則起始于坡腳 x≈22m 處， 8h 后延伸至 x≈19m，12h 后塑性厚度達 1.2m 。有限差分穩定性分析(FEM-FOS)表明，初始安全系數 FoS=1.45，8h 后 FoS=1.25，11h 時降至1.1，臨界失穩時刻約 11.2h ，對應 u_ν≈8.5kPa，ψ≈12kPa 。滑動面呈逆V形圓弧，受滲流耦合作用影響，其頂點和深度隨滲流進程不斷變化，形成最終失穩破壞模式。

5工程應用與防治對策

5.1排水與滲流控制措施設計

在該邊坡頂部設置截水溝，斷面寬 2.0m ，高0.5m ，縱坡 2% ，長 40m ，用于截流地表徑流。坡體內部布置鉆孔排水帷幕，采用直徑 100mm 鉆孔管，埋深 4m ，間距 5m ，排水能力為 8.5L/s 。管內填充透水沙礫，外包濾水層防正堵塞。在潛滑帶處增設水平排水管，管徑為 80mm ，間距 3m ，管端設單向正水閥，以確保孔隙水壓及時釋出。

5.2邊坡加固技術方案

本研究采用預應力錨桿與土釘墻組合方案進行加固。錨桿直徑為 25mm ，長度為 6m ，傾角為15^° ，網格間距為 2m×2m ，張拉力為 150kN ；土釘直徑為 22mm ，長度為 4m ，傾角為 12^° ，間距為 1.5m× 1.5m 。噴錨支護采用纖維抗裂混凝土，厚 150mm ，配筋 φ8mm@200mm ；坡腳處修筑C30擋墻，墻高 2.0m 頂寬 0.4m ，配筋主筋 φ16mm@200mm ，以限制滑體底部變形。

5.3在線監測與預警體系

為了監測加固邊坡的動態響應，系統集成自動雨量站、孔隙水壓力計與電子傾斜儀，并將所測數據實時上傳監測平臺。預警閾值設為： 24h 降雨 ? 100mm ；任一孔隙水壓力突增至 >6kPa ；相鄰兩次傾斜速率 >2mm/h 。平臺采用工業無線通信與GPRS備份網絡，觸發預警后通過短信與郵件下達三級響應指令。

5.4 應用效果評估

截水溝、排水帷幕及預應力錨桿加固工程施工完成后的監測結果見表4。長期運行中滯水層厚度穩定在 0.3m 以內，塑性應變區未出現新的擴展。所有預警條件均能在 2h 內響應，系統運行可靠。

表4處置前、后監測結果

6結語

本研究基于四川廣元高速公路邊坡工程實例，系統揭示了降雨入滲驅動下非飽和一飽和滲流與應力場的雙向耦合機理。通過壓力板與三軸試驗確定土一水特征與力學參數，依托Richards方程與Bishop有效應力原理構建耦合控制方程，并采用FLAC2D/TP-Flow實現滲透一力學交互分析。研究成果驗證了耦合模型的可靠性，所提技術路線與治理方案對類似復雜地質邊坡具有推廣價值，為后續類似工程三維及多場耦合分析奠定了基礎。

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