降雨入渗对边坡稳定性的影响研究

赵晋乾

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

降雨(特别是暴雨或长时间的降雨)是影响边坡的稳定性、导致边坡失稳的主要因素,降雨入渗使得边坡体非饱和区的含水量增大,内聚力降低,孔隙水压力增大,基质吸力降低,出现暂态饱和区及暂态水压力,基质吸力的下降使得边坡土体非饱和区抗剪强度降低[1],从而导致边坡体强度降低,水压力升高,最终降低边坡的稳定性,严重威胁着边坡附近的人民的生命与财产安全。因此,定量分析不同降雨强度下边坡渗流场,对客观评价各类工程边坡在降雨条件的稳定性具有重要的意义。

1 降雨入渗过程

降雨入渗过程是地下水随时间与空间变化的饱和至非饱和运动过程,是水在下渗过程中不断驱替空气而饱和孔隙的过程[2]。雨水渗入边坡到达潜水面经历了一个饱和～非饱和的渗流过程[3]，以浸润线为界,水分的增加主要发生在界线以内,表现为土体由非饱和变为饱和。雨水入渗过程中,典型含水率分布剖面可以分为4个区,即表层有一薄层为饱和带,以下是含水率变化较大的过渡带,其下是含水率分布较均匀的传导层,以下是湿润程度随深度不断增加而减小的湿润层,该层湿度梯度越向下越陡,直到湿润峰,详见图1。

图1 降雨入渗过程中含水量剖面

雨水渗入边坡体的强度主要取决于降雨的方式、降雨强度、降雨的持续时间、边坡的坡度及滑体的渗水性能[4]等。

(1)如果边坡表层土体渗透系数较大,大于外界的降雨强度,则入渗强度主要决定于外界的降雨强度,在入渗过程中边坡表面含水率随雨水的入渗而逐渐提高,直至达到一个稳定值；

(2)如果边坡表层土体的渗透系数小于外界的降雨强度,边坡体的入渗能力就取决于边坡岩土体的渗透系数,随着降雨时间的持续,形成地表径流。

这2种情况可能存在于降雨入渗过程的不同阶段,如果在稳定的降雨强度下,开始时降雨强度小于边坡体的入渗能力,入渗率等于降雨强度；但经过一定时间后,边坡体入渗能力下降,降雨强度大于边坡体入渗能力,此时产生地表径流。

2 边坡降雨入渗的渗流场模拟

2.1 模型概况

选取一铁路边坡为例,边坡坡体形态为凹形,北东向展布,坡角约15°～45°,为一顺倾向斜坡(图2)。边坡坡区属低山丘陵剥蚀地貌,地表覆盖层主要由第四系全新统崩坡积层(Q4dl+el)黏性土夹碎石土组成,下伏三迭系中统(T2b)巴东组浅灰色灰岩夹泥质灰岩层；构造上处于杨柳青向斜与硐村背斜之间,岩层呈单斜构造；斜坡体上冲沟较发育。

图2 边坡剖面示意

2.2 模型的建立

选取该边坡其中平行于变形方向的一个剖面来建立模型,按有限单元法计算要求,依据该边坡具体边界条件及精度要求来考虑网格的疏密程度,具体有限元网格剖分如图3所示,总共有750个节点和1 450个单元。

图3 边坡的离散化模型

2.3 边界条件

降雨入渗引起边坡渗流场的变化,边界条件如下。

(1)模型两侧：地下水位以上边界按零流量边界处理,地下水位以下为第一类边界条件(Dirichlet条件)[5]即给定水头边界。

(2)入渗边界：边坡表面即入渗边界,取为第二类边界(Neumann边界)即流量边界。当孔隙水压力小于零时为流量边界,反之则变为水头边界。如果降雨强度小于表层土体渗透性,按流量边界处理,其数值等于降雨强度,如果降雨强度大于表层土体渗透性,一部分雨水沿坡面流失,会在坡面形成一薄层水膜,此时可按给定水头边界处理。由于水膜很薄,计算中取水头值等于地表高程。

(3)模型底面：假设为不透水边界。

2.4 参数的选取

渗流场的有限元模拟用到的参数主要是渗透系数函数和土水特征曲线[6],土水特征曲线表明有多少水由于基质吸力克服重力而被保持在土壤中,反映了土体的持水能力,而非饱和渗透系数函数则反映土体在非饱和区导水的快慢[5]。这两个参数是表述土体非饱和渗流特性的重要参数。边坡的非饱和渗透系数通过现场坑测得到,粉质黏土夹碎石的渗透系数Ksat=2.4×10-4m/s,通过室内试验得到粉质黏土夹碎石的含水量为20%。模型所涉及土层的渗透性函数,土水特征曲线采用间接方法(利用少量的试验数据根据相应的数学模型)来获得。如图4、图5所示。

图4 土体的渗透函数和土水特征曲线

图5 基岩的渗透函数和土水特征曲线

2.5 数值模拟结果分析

雨水渗入边坡体的强度主要取决于降雨的方式、降雨强度、降雨的持续时间、边坡的坡度及边坡岩土体的渗水性能等[7]。本文主要从降雨强度分析降雨入渗对边坡渗流场的影响,根据当地气象部门资料,发生暴雨时,选取降雨强度为3.6 mm/h和18 mm/h作为计算边界条件,小于边坡的入渗能力。由降雨相关统计资料可知,日降雨量是降雨集中在4～6 h内,本文选取降雨持时6 h进行分析。采用geo-studio有限元软件对本模型在假设的边界条件下进行渗流场模拟,确定不同降雨强度在降雨持时6 h的孔隙水压力等值线图,如图6、图7所示。

图6 降雨强度为3.6 mm/h在降雨时间t=6 h的孔隙水压力等值线(单位：kPa)

图7 降雨强度为18 mm/h在降雨时间t=6 h的孔隙水压力等值线(单位：kPa)

从图6和图7得知,在相同的降雨时间内,随着降雨强度的加大,一方面覆盖层含水量增大,浸润线上升,非饱和区越小；另一方面饱和区水流速度越大,其向下伏基岩渗透速率与渗透强度都逐渐激增,导致覆盖层与基岩的孔隙水压力增加与抗剪强度降低,使边坡由稳定状态逐渐向临界状态、欠稳定状态演化,最终导致边坡加剧失稳。

3 边坡降雨入渗的稳定性分析

采用非饱和土抗剪强度理论,将以上计算的孔隙水压力等值线图导入改进的极限平衡法[8]进行稳定性计算,其中,覆盖层的黏聚力c=25 kPa,内摩擦角φ=12°,天然重度γ=20.5 kN/m3,饱和重度γsat=20.8 kN/m3,其计算结果见表1。

表1 不同降雨强度下的稳定性系数(t=6 h)

在边坡稳定性计算中,一般选取安全系数1.15作为临界安全系数,安全系数大于1.15的边坡处于稳定状态,小于1.15的边坡处于欠稳定状态。从表1数据得知,天然状态下,该边坡处于稳定状态；在降雨强度为3.6 mm/h时,降雨持续6 h边坡安全系数在1.15附近,处于临界稳定状态；在降雨强度为18 mm/h时,降雨持续6 h安全系数小于1.15,边坡处于欠稳定状态,产生塑性变形与滑动。边坡趋于不稳定。降雨强度越大,历时越长,安全系数降低幅度越大。

4 结论

降雨强度是影响边坡稳定的重要因素之一。边坡在降雨强度为3.6 mm/h工况下的安全系数较天然工况下降低了0.33,在降雨强度为18 mm/h工况下的安全系数较降雨强度为3.6 mm/h工况下降低了0.21。非饱和岩土体的边坡在雨水入渗的情况下,随着降雨强度的加大,一方面覆盖层含水量增大,浸润线上升,非饱和区越小,岩土体的重度增加,加大边坡的下滑力；另一方面孔隙水压力增大,基质吸力减小,抗剪强度又因含水率增加而急剧下降,边坡的抗滑力下降,两方面的共同作用使边坡安全系数也随之减小,进而诱导边坡发生塑性变形。当降雨持续到一定时间时,处于临界状态的边坡产生滑动或蠕滑。

[1] 莫伟伟.库水位涨落及降雨条件下库岸边坡水岩作用及稳定性分析[D].武汉:长江科学院，2007.

[2] 荣 冠,张 伟,周创兵.降雨入渗条件下边坡岩体饱和非饱和渗流计算[J].岩土力学,2004,26(10):1545-1549.

[3] 戚国庆.降雨诱发边坡机理及其评价方法研究[D].成都：成都理工大学,2004．

[4] D.G Fredlund,H.Rahardjo合著.非饱和土土力学[M].陈仲颐，等，译.北京:中国建筑工业出版社，1997.

[5] 刘艳华,龚壁卫,苏鸿.非饱和土的土水特征曲线研究[J].工程勘察，2002(3)：8-11.

[6] 陈浩等.GeoStudio软件在土坡饱和—非饱和渗流分析中的应用[J].四川建筑，2008，28(6).

[7] 帅红岩.三峡库区晒盐坝边坡在暴雨和库水位下降条件下稳定性影响分析[D].成都：成都理工大学,2010.

[8] 毛昶熙,李吉庆,段祥宝.渗流作用下土坡圆弧滑动有限元计算[J].岩土工程学报,2001(11):659-665.