论水因素对堆积体边坡稳定的影响

郝 鹏

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

论水因素对堆积体边坡稳定的影响

郝 鹏

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

结合非稳定渗流理论，从暴雨与水位骤降两个角度，分析了水因素对堆积体边坡的影响，力图找出两者对于堆积体边坡稳定性影响的机理和程度，为边坡的治理工程提供一定的依据。

水因素，堆积体边坡，暴雨，水位骤降

0 引言

堆积体边坡是由一定固结程度的土、石混合物组成，其内部还包含水和气体，是一种包含固、液、气三相的复杂结构。其中对稳定性影响较大的两相为固体和液体，固体即堆积体岩土体本身的特性，液体即水因素的影响。水因素影响的工况主要包括降雨、蓄水、水位变化等，其中降雨中的暴雨以及水位变化中的水位骤降对于堆积体边坡的稳定影响甚大，本文将就这两个因素浅论水因素对堆积体边坡稳定的影响。

1 非稳定渗流理论

堆积体边坡岩土体在降雨的过程中，经历了一个由非饱和到饱和的过程，在水位骤降的过程中，水位变幅区经历了一个由饱和到非饱和的过程，本质上都是一个非稳定渗流过程。

非稳定饱和—非饱和渗流理论分析需要建立基本微分方程，在分析过程中假定不考虑土体颗粒骨架及内部液体和气体压缩作用，主要依据包括：

1)地下水运动连续性方程：

(1)

2)Darcy定律：

(2)

通过式(1)，式(2)可推导出渗流基本微分方程为：

(3)

2 暴雨对堆积体边坡的影响

1)饱和入渗深度的影响。根据Pradel和Raad(1993)提出的经验方法[5]，计算暴雨饱和入渗深度方法如下：

要使土体饱和浸润到深度zw，必须满足两个条件：a.界限降雨强度Imin大于土的入渗速度vi；b.降雨的时间足够长以使土体浸润至深度zw，即临界降雨持续时间Tmin≥Tw。

(4)

(5)

其中，θs为土体的饱和体积含水量，θ0为实测体积含水量；k为土体湿润区域的渗透系数；S为土体浸润锋面的毛细吸力，m。

根据某工程经验，残坡积粘土夹碎石渗透系数为5×10-4cm/s～10×10-4cm/s，崩坡积碎块石、块石夹粘土渗透系数为1×10-3cm/s～5×10-3cm/s，孤、块碎石渗透系数为1×10-1cm/s～5×10-1cm/s，θs=0.4，θ0=0.1，S=1 m。

根据气象国家标准GB/T 28592—2012降水量等级规定，24 h降水量在250 mm及以上为“特大暴雨”，24 h降水量在100 mm～249.9 mm之间为“大暴雨”，24 h降水量在50 mm～99.9 mm之间为“暴雨”。分别采用24 h降雨量50 mm，100 mm，250 mm进行试算，单位小时最高暴雨强度考虑乘以0.38系数，计算不同土体渗透系数情况下暴雨饱和入渗深度情况。

经过试算，残坡积粘土夹碎石表面饱和深度约为0.25 m，碎块石、块石夹粘土和孤、块碎石基本不能在表面形成饱和区域。说明在渗透性较大的堆积体物质中很难形成饱和区域，在渗透性较小的堆积体物质中可以形成较薄的一层饱和区域。扩展到极端情况，例如半个月持续强降雨，在残坡积粘土夹碎石表面饱和深度约为0.32 m，碎块石、块石夹粘土区域表面饱和深度为1.2 m～6.3 m，其对于体积巨大的堆积体来说也不显著，因此入渗深度对于堆积体边坡稳定并不是暴雨的主要影响因素，主要因素是浅表层的稳定。

2)非饱和情况下与饱和情况下堆积体抗剪强度的区别。堆积体在非饱和情况下和饱和情况下抗剪强度有着较大的差别，堆积体内物质在饱和情况下颗粒之间的咬合和粘结就会削弱较多，导致摩擦系数和粘聚力均降低，这同时与岩土体非饱和情况下含水率有关系，含水率越低，非饱和情况和饱和情况下堆积体抗剪强度差别越大。土体初始体积含水率越小，土体越干燥，此种情况下土体初始渗透系数较低，降雨入渗到达滑动面的时间变长。当堆积体边坡初始含水率较小时，降雨需要较长时间方能到达滑动面，期间稳定系数基本保持不变，边坡与天然情况差别不大。当含水率增大后，土体的渗透系数也增大，降雨到达滑动面更快，当到达滑动面后，一是降低该处土体的抗剪强度，二是对滑动面以上的块体产生一个不断增加的扬压力，稳定系数会持续减小。通过对若干堆积体非饱和与饱和情况下抗剪强度的统计分析，饱和情况下相对非饱和情况下摩擦系数降低约10%～20%，粘聚力降低约30%～60%。通过前述入渗深度的影响，若内部某层土体渗透性较差，而表层土体渗透性较好，则会在渗透性较差的这层土体形成较薄的饱和区域，引起滑面抗剪强度较大程度的降低，同时渗透性较差的一般粘土含量较多，本身抗剪强度较低，更加剧了抗剪强度降低发生失稳的可能性。

3)堆积体内部扬压力作用的影响。堆积体多数呈现明显的分层构造，不同层渗透系数不同会对扬压力分布产生重要的影响，特别是存在一层连续的渗透系数较小的、相对封闭的接地下水位线的物质，意大利瓦依昂滑坡就是一个典型的例子。瓦依昂库区左岸滑坡堆积体内部有一层连续的粘土构造，一直延伸至库区内，因此暴雨时就相当于形成了一道帷幕，粘土层底部降雨入渗无法穿过粘土层，使得粘土层下部水头不断增加，扬压力不断增大。在许多堆积体边坡中存在类似的一层粘土含量较多的土层，如果底部被水库之类的水体封闭，暴雨所产生的高扬压力对于堆积体边坡的稳定影响就非常巨大。

3 水位骤降对于堆积体边坡的影响

水位骤降时，外面的水位降低了，堆积体内部水未来得及排出去，这个水位暂时和水位未骤降时相同；堆积体内部的水位高，向水位低的河水方向渗流，渗流产生渗流力，渗流力的方向与渗流的方向相同。最主要的因素就是这个渗流力对堆积体边坡不利。

1)水位骤降速度的影响。对于有调节性能的水库来说，经常会发生水位变化，在某些情况如放空等，水位会发生快速变化，在水位发生快速变化时，堆积体内部和外部的水头差会加大，渗流速度加快，因此渗流力也会加大，对于边坡稳定影响较大，但对于堆积体的影响主要集中在水位变化区域，且随着内部水位的逐渐下降，其边坡稳定安全系数会回升。因此水位骤降速度单因素对堆积体整体稳定影响有限。黄河李家峡水库坝前Ⅰ号、Ⅱ号滑坡通过控制水位的方式最终实现了堆积体的稳定。

2)堆积体不同层间渗透系数差别的影响。同暴雨情况类似，如果存在一层连续封闭的渗透系数较小层，一般为粘土含量较多层，在水位骤降时，这一层下部扬压力仍然为水位降低前的水头，且很难消散，堆积体表面水压力迅速减小，这种情况持续时间很长，对堆积体边坡稳定的影响较大。

4 结语

通过分析，暴雨和水位骤降对于堆积体边坡稳定有重要的影响，其中暴雨对入渗深度的影响对于堆积体边坡稳定影响有限，主要在于浅表层的影响；暴雨入渗有限的饱和深度里如果包括滑面，其抗剪强度饱和情况下相比非饱和情况降低较多；堆积体内部若存在连续封闭的渗透系数较小层，暴雨时扬压力会急剧增加，对堆积体稳定影响巨大。水位骤降对于堆积体稳定的影响主要集中在水位变化区域，水位骤降速度对于堆积体整体稳定影响有限。水位骤降影响较大的情况和暴雨类似，就是一层连续封闭的渗透系数较小土层的存在，会引起长时间的内外水头差。

综上所述，若堆积体边坡内部较深处存在一层连续封闭的渗透系数较小土层，一般为粘土含量较多的土层，且上部均为渗透系数较大的土层或存在渗透通道，水因素无论是暴雨还是水位骤降都会对堆积体边坡稳定产生巨大的影响。

[1] 陈祖煜.土质边坡稳定分析：原理·方法·程序[M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[2] 张书华，张海龙，赵中华.降雨条件下体积含水率对堆积体边坡渗流特性的影响研究[J].工程地质学报，2015,23(5):827-834.

[3] 贾苍琴，黄茂松，王贵和，等.水位骤降对土坡稳定性的影响因素[J].同济大学学报(自然科学版)，2008，36(3)：99-100.

[4] 陈建余.非稳定饱和—非饱和渗流场数值计算关键技术及其应用研究[D].南京：河海大学博士学位论文，2003.

[5] 陈晓斌，徐望国，刘小平.降雨入渗对粗粒土路堤变形与稳定性的影响[J].中南大学学报(自然科学版)，2011,42(3)：128-129.

On influence of water factor on slope stability of accumulation

Hao Peng

(GuiyangSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerConstructionGroup,Guiyang550081,China)

Combining with the unstable transfusion theory, the paper analyzes the influence of the water factors on the accumulation slopes from the storms and sharp falling of water level, and finds the influence mechanism and degree of the two elements on the slope stability of the accumulation, so as to provide some reference for the treatment of the slopes.

water factor, accumulation slope, storm, sharp falling of water level

1009-6825(2017)01-0103-03

2016-10-28

郝 鹏(1983- )，男，工程师

TU413.62

A