降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性研究进展

刘 翠，徐文成

降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性研究进展

刘 翠1，徐文成2

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.河南省豫东水利工程管理局，河南 开封 475002）

降雨，特别是强度大、历时长的暴雨，是引起边坡失稳破坏的主要因素。降雨期间，雨水的大量入渗使边坡土体的饱和度增加，非饱和区基质吸力降低，土体抗剪强度下降。当降雨的强度和持续时间超过一定程度时，便可能导致边坡失稳。在讨论非饱和土强度理论和渗流理论的基础上，探讨了近年来关于非饱和土边坡稳定性研究的进展。

边坡稳定性；非饱和土；降雨入渗

0 引言

边坡的失稳破坏和降雨是人类生活中常见的事物，自然规律的作用成了两者紧密联系的桥梁。不管是自然形成的边坡，还是人工形成的边坡，降雨都会引起边坡失稳，进而发生滑坡。“十滑九水”是前人对引起滑坡灾害主要因素的精炼概括。

在传统土力学中，对降雨引起的边坡稳定性研究是基于饱和渗流理论，模拟降雨引起的潜水面升高，运用刚体极限平衡方法，计算潜水面升高后的边坡稳定性，并以此作为设计依据。在理论上，不能定量计算雨水入渗作用下土坡内部土体含水量的增加和基质吸力分布的变化对土体抗剪强度的影响。在进行土坡渗流计算和渗流作用情况下土坡稳定性的分析时，考虑较为简单，不能反映实际情况，计算结果存在较大误差等。事实上，边坡失稳与总降雨量的大小、日降雨强度以及降雨持续时间的长短、土体的含水率、土体的渗透能力和地下水等具有直接关系［1］。近年来，随着孔隙介质非饱和渗流和土体饱和渗流理论的发展，人们越来越清楚地认识到，雨季的土体滑坡等地质灾害与土体非饱和渗流密切相关，即降雨入渗会导致地下水位以上非饱和区孔隙水压力升高，渗流场瞬时变化，从而产生附加的水荷载，降低土体的力学强度指标。

鉴于此，本文在讨论非饱和土强度理论和渗流理论的基础上，总结了近年来关于非饱和土边坡稳定性研究的进展。

1 非饱和土抗剪强度和渗流的理论研究

1.1 非饱和土抗剪强度理论的发展

20世纪中叶以前，岩土工程界一直近似的应用饱和土的摩尔-库伦强度公式确定非饱和土的抗剪强度。但是，非饱和土的性质比饱和土的复杂。首先，水气交界面的表面张力使孔隙中的水与气具有不同的压力，并且孔隙水压常为负值；其次，孔隙气压力与负孔隙水压力的同时出现使土的有效应力不再等于粒间压力，从而使饱和土的有效应力原理在非饱和土力学中的可行性需要重新评价。因此，非饱和土的强度公式不能简单地从饱和土推广得到，而必须建立其特有的强度公式。20世纪中叶以后，随着非饱和土力学的复苏和深入，国内外许多学者通过实验研究非饱和土的抗剪强度，总结出了各自的非饱和土抗剪强度理论和公式，并逐渐应用于岩土工程实践。

目前，被工程界广泛接受的非饱和土强度公式是Fredlund等人提出的双变量抗剪强度公式［2］，即

式中：ua为孔隙气压力，kPa，一般认为孔隙气压力等于大气压，即ua＝0；uw为孔隙水压力，kPa；φb为由基质吸力（ua-uw）引起的抗剪强度增加速率，也就是随吸力变化的内摩擦角，°。

由公式（1）可以看出，非饱和土的抗剪强度主要与有效黏聚力和有效内摩擦角有关，同时，还受基质吸力影响。当土体接近饱和时，土壤水的基质吸力趋近于零，公式（1）变为饱和土的抗剪强度公式。在实际应用中，基质吸力的量测对测量技术和仪器的要求都很高，所以误差也较大。现在一般的做法是，根据实验测得的土水特征曲线来确定现场的基质吸力。

1.2 非饱和土渗流理论

在常规渗流分析中，主要考虑饱和区水的流动。然而，自然界中许多边坡的地表常常是非饱和的，由于降雨入渗或蒸发等自然作用，在饱和区和非饱和区之间存在连续的水流，因而不能满足流通量为零的条件。对此类边坡进行渗流分析时，不能仅仅考虑饱和土的情况，而应该将饱和区、非饱和区都考虑进去。

一般认为，在很多情况下，适用于饱和水流运动的Darcy定律也适用于非饱和土壤水分的运动。但与饱和土中渗流不同之处是，非饱和土的渗透系数不是常量，而是土体饱和度的函数。因此，有必要建立能应用于非饱和土的分析方法。根据多孔介质模型和多孔介质流体动力学原理，建立非饱和土的二维渗流数值模型［3］，如公式（2）所示。

对于渗透系数各向异性的非饱和土体，一般主渗透方向与水平轴向是不一致的。此时，公式（2）应修改为公式（3）。

式中：kx、ky为沿 x和 y方向的渗透系数；kxx＝k1cos2α+k2sin2α；kyy＝k1sin2α+k2cos2α；kxy、kyx＝（k1-k2）cosαsinα；α为最大主渗透方向与水平轴向之间的夹角；k1、k2为最大、最小主渗透系数。

2 非饱和土边坡稳定性研究进展

目前，对于降雨诱发非饱和土边坡失稳的一般规律的研究主要采用归纳统计法和数值模拟法。归纳统计方法是通过气象部门在野外设立的观测站收集降雨的基本信息以及边坡失稳的数据，相互对照，再通过归纳统计分析探究降雨与边坡稳定性之间的关系，或者通过模拟实验的方法，在实验室内或野外建立实物模型，自行模拟降雨诱发边坡失稳的过程，寻求降雨和失稳存在的关系。数值模拟方法是以相对成熟可靠的理论分析为基础，配合大型的模拟软件建立起有限元理论模型，模拟降雨诱发边坡变形至失稳的整个过程，通过参数的变化定量分析降雨与边坡稳定性的关系。

2.1 归纳统计方法

归纳统计方法是目前研究降雨与滑坡规律的比较常用和实用的一种方法。该方法的优点是，可以通过当地的气象资料和灾害数据分析出一般关系，无需明确降雨诱发滑坡的机理和诱发过程，就可以用于本地或者类似条件地区的滑坡预测和防治。但是，这种方法不能明确滑坡机理和类型，具有一定的局限性。另外，它对历史资料的依赖性很大，历史资料的不健全也会增加其不确定性，影响分析效果。

黄玲娟等［4］（2002）通过对大量的降雨型滑坡分析得出：暴雨开始10～12 h后，开始出现滑坡；暴雨开始28～30 h后，出现大量滑坡，而且一些大型和巨型滑坡开始出现；当一次暴雨过程的累积降雨量为200～350mm，且日降雨量大于110mm时，常产生大型和巨型滑坡。

高华喜等（2007）研究了深圳市降雨与滑坡的历史资料，对区域性滑坡与降雨量进行了偏相关分析，对滑坡与降雨强度进行相关分析，对滑坡与降雨时间进行了系统地统计分析。研究结果表明：一次性降雨量达到或超过某一数值时，区域性滑坡就可以出现；暴雨，尤其是大暴雨，与滑坡的关系非常密切，相关系数达0.8以上，大暴雨或特大暴雨具有直接触发滑坡的作用；滑坡活动时间与季节性降雨相对应，季节雨量越多，滑坡亦越多。另外，滑坡活动时间与暴雨、大暴雨相吻合或略滞后，滞后时间一般不超过4 d，暴雨的当天及次日发生滑坡的可能性最大。

谢剑明等（2003）根据浙江省降雨的特点，将降雨分为台风降雨和非台风降雨，采用统计方法研究了区域性滑坡灾害与台风区和非台风区降雨量及降雨强度的相关性，并通过相关性分析确定了有效降雨量模型。最后，得出了浙江省区域性滑坡发生的临界降雨量和降雨强度阀值及其滑坡发生的滞后时间，并将滑坡灾害的空间易发性与降雨量和降雨强度相结合，确定了滑坡灾害的空间预警区划指标和等级［5］。

胡明鉴等［6］（2001）以蒋家沟流域滑坡堆积坡地进行降雨激发滑坡试验。试验反映了降雨前期雨量、临界雨量和滑坡发生后雨量是相互依赖，相互影响的［7］。日本Jagannath Jos h i（2001）等对日本福冈县阿波罗山国有林地降雨引起的31处滑坡的统计分析表明，42%的滑坡发生在凹坡，32%发生在直坡，26%发生在凸坡，径流流经地表裂隙两次以上的地点引发滑坡危险性更大，发生频率达45.2%［7］。

2.2 数值模拟方法

运用数值模拟的方法实现降雨渗流诱发边坡失稳的全过程是现在比较通用的研究方法。其最大的优点是，对历史资料和试验数据的依赖性不强，具有明确的动态过程变化。但是，对于实际情况的简化和理想化，数值模型与实际模型还存在一定的差异，致使所得的结果需要通过实际数据来支承。

吴宏伟［8］（2011）结合边坡极限平衡，用伽辽金有限单元法模拟边坡降雨入渗，并进行了相对系统的参数研究。通过研究发现，降雨入渗条件下，土中的基质吸力是降低边坡稳定性系数的主要因素；降雨强度、降雨历时与雨型对边坡稳定性系数有不利影响；边坡表面的防渗保护层对边坡的稳定性有积极作用；土体的各向异性渗透系数比是一个敏感的影响因素。同时，它还区分了降雨强度和饱和渗透系数对边坡的共同作用。

吴俊杰等［9］（2004）先对某地非饱和土进行试验研究，获得土水特征曲线。在此基础上，建立降雨入渗的边坡模型。然后，用计算机程序计算出不同降雨和边坡参数情况下边坡的安全系数，并进行比较分析。结果表明：基质吸力对于土坡稳定性有显著的影响；非饱和区基质吸力分布也会影响边坡稳定。另外，还要考虑吸力摩擦角的影响。

朱文彬等（2002）采用有限元对降雨条件下土体滑坡进行了数值分析，将Duncan-Chang模型引入饱和—非饱和土的本构关系模型，建立了饱和—非饱和土统一的非线性弹性模型，编制了饱和非饱和土的二维有限元程序。通过程序分析了边坡在降雨发生后不同时期的应力分布、塑性区分布和边坡的安全系数。其结果表明：在降雨前，边坡不存在塑性区或只在坡脚处非常小的范围内存在塑性区。随着降雨时间的延续，塑性区的范围不断向边坡内部延伸扩展，稳定系数Fs＝1等值线也不断向边坡内部移动，Fs＜l的区域不断扩大，一直达到边坡上部地面，最后形成潜在滑裂面而导致边坡失稳破坏。他们还估计了边坡破坏的时间，此计算时间与实际滑坡发生的时间基本一致［10］。

Shimada等（1995）在考虑降雨强度和岩土类型的情况下，用G alerk in有限元法模拟二维渗流，采用刚体弹簧模型进行边坡稳定性数值分析。计算结果表明：较高的降雨强度可以显著降低模型边坡的安全系数；渗透性函数对模型边坡安全系数的降低只有较小影响；在岩土的水分保持曲线靠近饱和一端，基质吸力的较小改变可引起模型边坡安全系数的大幅度降低［11］。

Ng等（1997）用有限元法研究了各种降雨事件和初始条件对暂态渗流和边坡稳定性的影响。研究结果表明，雨水入渗引起基质吸力的减小和土渗透性的增大，并在主要地下水位以上出现上层滞水水位。安全系数不仅受到降雨强度、初始地下水位和各向异性渗透比的控制，而且还取决于先期降雨的持续时间［12］。

3 结语

目前，关于降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性研究已有了相当的水平和规模。鉴于各种分析方法还存在一定的局限性，对非饱和土边坡在降雨入渗情况下的稳定性研究还需要进一步深入，其中研究的难点一直是非饱和土坡中的基质吸力或含水量因降雨而发生的变化情况。只要求得了非饱和土坡中基质吸力或含水量的分布，就可以用技术比较成熟的极限平衡法或有限单元法对边坡稳定性进行分析，得到安全系数的变化过程及规律，最终达到对降雨影响下的土质边坡的稳定性进行较准确的评价。鉴于此，笔者将运用Geo-slope软件从以下几个方面模拟降雨对边坡稳定性的影响：（1）建立了边坡的数值模型，分析不同降雨强度、持续时间、雨型对边坡稳定性的影响；（2）分析不同的降雨强度、持续时间条件下，降雨过程中边坡的饱和度分布，剪应变增量和塑性区的变化；（3）重点研究强降雨条件下，边坡监测点的位移随边坡高程的变化以及监测点的位移随降雨持时的变化。同时，研究边坡的安全系数随降雨持时的变化。

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[责任编辑 杨明庆]

Research on Unsaturated Soil Slope Stability under the Conditions of Rainfall Infiltration

LIU Cui1,XU Wen-cheng2
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China; 2.Eastern Water Conservancy Bureau of Henan Province，Kaifeng 475002,Henan,China)

Rainfall,especially the long-lasting heavy rainstorm,is a major cause of instability and failure of slope.During the rainfall,a large number of rain infiltrations will cause the slope soil saturation increases,the matrices suction of non-saturated region reduces and the soil shear strength decreases.When the rainfall intensity and duration exceeds a certain extent,it may lead to slope instability.Based on the discussion of unsaturated soil strength theory and percolation theory,the progress of unsaturated soil slope stability research in recent years was discussed.

Slope stability;unsaturated soils;rainfall infiltration

TU457

A

1008-486X（2015）03-0024-04

2015-01-15

2014年黄河水利职业技术学院科研基金资助项目：降雨影响下的边坡稳定性分析（2014QNKY016）。

刘 翠（1983-），女，河南南阳人，助教，硕士，主要从事工程地质方面的教学和科研工作。