降雨条件下土质边坡入渗深度的估算

管宪伟 钱财富（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230000 安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

降雨条件下土质边坡入渗深度的估算

管宪伟 钱财富
（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230000 安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

本文主要利用入渗流量相等的原理，基于达西定律和土体基本性质，提出了降雨条件下土质边坡入渗深度的估算方法，并通过实例计算与降雨对边坡滑动类型比较验证了计算方法的合理性。

降雨入渗 入渗深度 饱和区 渗透系数

据统计，降雨是土质边坡失稳的主要诱发因素之一。降雨诱发滑坡大致可以分为两种：一种是深层滑坡，降雨造成地下水位上升，孔隙水压力增加所致；另一种是浅层滑坡，降雨入渗导致边坡土体抗剪强度降低所致。

一般雨水渗透到坡体内部，引起渗流场的变化，从而使作用在土体上的动水荷载和静水荷载增大，土体抗剪强度降低。边坡土体的含水量增大，同时产生一定的渗流力，使边坡的稳定性降低，导致边坡产生滑动破坏。降雨破坏边坡过程：降雨—雨水边坡渗透—边坡土体重力增大、强度降低—稳定系数减小—局部失稳滑动—滑动破坏。所以对降雨土质入渗深度确定尤为重要，传统非稳定渗流计算方法比较繁琐，计算参数获取比较困难，本文通过估算的方法计算降雨后土层入渗深度，为降雨对边坡的稳定分析提供可靠支撑。

表1 边坡土质指标

表2 降雨边坡入渗深度估算表

1 降雨入渗机理

降雨入渗是一个非常复杂的过程，包括坡顶入渗、坡面入渗、顺裂隙入渗、裂隙向土体渗流和重力条件下土体内渗流等多种形态。

当降雨强度小于边坡土体渗透系数时，降雨很容易渗流到土体深部饱和区，直接补给地下水，而浅部土体难以达到较高的饱和度。当降雨强度大于边坡土体的入渗率时，一方面雨水使土体边坡浅层迅速达到饱和，坡面形成地表径流，对坡面造成冲刷；另一方面雨水渗透到坡体内部，引起渗流场的变化。降雨边坡入渗一般为降到边坡上的雨水，开始以非饱和状态垂直向下渗透，随着雨水的不断进入，非饱和土体逐渐饱和，变为饱和稳定渗流。非饱和渗流与饱和渗流一样，均符合达西定律：

式中：vi—水的达西流速；

kij—饱和渗透系数；

H—总水头。

水流运动在饱和区和非饱和区的主要区别在于渗透系数的不同。在饱和区，一般认为渗透系数为常数，而在非饱和区，渗透系数是和饱和度、基质吸力有关的一个关系式。在非饱和区，孔隙水压力为负值，而在饱和区为正值。

2 降雨土层入渗深度估算方法

降雨落入边坡后，一部分形成径流流出，一部分深入土质边坡中。边坡表面一开始为非饱和入渗，随着时间的推移，雨水的不断渗入逐渐变为饱和入渗。由降雨入渗机理可知非饱和渗流与饱和渗流一样，均符合达西定律。所以边坡单位时间渗流量q可按下式进行计算：

式中：q—单位渗流量；

k—饱和渗透系数；

i—水力比降。

雨水渗入使土体饱和，所以饱和土体的多少，主要取决于入渗量的多少。假设雨水随边坡入渗均为垂直向下。设入渗深度为H，单位时间内的渗流量按（2）式进行计算，按单

宽计算饱和土体体积为V：

土体饱和含水率为：

设土体饱和度为Sr，土体干密度为ρ，则土体完全饱和需要的渗入水量q为：

故入渗深度H估算公式为：

将（2）代入（6）中得单位时间入渗深度：

由式（7）可知入渗深度和渗透系数成正比，和干密度和孔隙比成反比。

3 计算实例

3.1 计算参数选择

为计算降雨入渗对边坡稳定性影响，此次选择计算边坡断面为1∶3，边坡高度为10m。边坡土质为中粉质壤土。具体土质指标见表1。

3.2 计算成果

根据工程实际，降雨后坡面一般不存在积水，为贴坡入渗，渗透水头和渗径基本相等，所以入渗计算水力坡降为1。现根据公式（7）计算降雨时间为1h、2h、4h、6h、12h和24h入渗深度，具体结果见表2。

由计算公式和计算成果可知，土质一定的边坡入渗深度和降雨时长成正比关系，降雨持续时间越长，入渗深度越大。

连续降雨24h入渗深度为77.5cm，仅边坡浅层受到降雨的影响，这和不考虑地下水位上升时，降雨引起边坡滑动为浅层滑动破坏的自然现象基本吻合。

4 结论

本文基于入渗流量平衡，提出了入渗深度和渗透系数成正比，及干密度和孔隙比成反比的估算降雨条件下边坡入渗深度的计算公式，并通过实例计算了不同降雨时长边坡入渗深度，为研究降雨对边坡稳定的影响提供可靠的分析依据