不同降雨工况下红黏土边坡持水响应规律与稳定性分析

薛凯喜，丁 辰，康国芳，陈国房，周朝慧，王安礼，李向辉

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；2.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 100001；3.贵州省质安交通工程监控检测中心有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

近年来，气候异常多变，极端降雨诱发的滑坡等地质灾害在我国南方地区时有发生。相关研究成果表明，90%的地质灾害都是由降雨诱发[1]。降雨诱发的地灾以滑坡最为常见，发生频次高，分布广。目前，诸多学者针对降雨条件下边坡的稳定性做了大量相关研究，并已取得丰硕成果。万思豪等[2]分析了裂隙性土质边坡在不同降雨工况下的渗流特性；何松等[3]针对不同气候条件，对红黏土边坡的稳定性进行有限元分析得出，雨水蒸发和降雨冲刷均是影响边坡稳定性重要因素；龙安发等[4]进行典型降雨工况下红黏土边坡干湿循环试验研究，分析了干湿循环下力学参数演变和破坏机制；Xue等[5]、郑开欢等[6]利用数值模拟软件研究长时间暴雨作用下边坡稳定性及变形的影响；Chen[7]进行了人工降雨工况下的红黏土边坡试验研究；Chen等[8]对红黏土的土-水特征曲线进行了研究，提出了一种快速测定红黏土土-水保持曲线的新方法。然而，诸多学者的研究成果中，以江西地区红黏土边坡为对象，研究和分析持水响应机制和边坡稳定性的依旧较少。

江西省地处我国中部地区，常年降雨充沛，季节性降雨特征明显，地质灾害发生频率常年高居全国前列，属于地质灾害高发地区[9]。其中，滑坡更是各种地质灾害中最为常见的类型，给工农业生产和人民生命财产造成巨大损失[10]。江西省范围内分布了广泛的红黏土，具有较为明显的地域特征。红黏土是一种具有多裂缝性、强胀缩的高塑性黏土，在湿度环境中具有高敏度[11]。基于此，本文利用Geostudio数值模拟软件，建立考虑降雨入渗对边坡稳定性影响的数值模型[12]，研究不同降雨工况下江西地区典型红黏土边坡季节性孔隙水压力、体积含水量和安全系数的变化规律，进而分析典型降雨工况下雨水入渗特征和边坡的稳定性，为红黏土边坡支护及地灾防治工作提供理论支持。

1 红黏土边坡数值模拟

本文选取数值模拟软件Geostudio的Seep/W与Slope/W模块，分别进行红黏土边坡的降雨数值模拟及边坡稳定性模拟，并对结果进行分析。边坡周围的温度、湿度及土体本身的水分蒸发量(干湿循环)等因素均会影响边坡的稳定性，由于对最终结果影响不大可以忽略，在本模拟过程中将降雨单量作为降雨工况的唯一控制指标。

1.1 模型建立

本模型将江西省内典型的红黏土边坡[10]作为研究对象，对其在不同降雨工况下降雨入渗情况及稳定性进行研究。实际工程中，边坡常呈现为凹凸不平、不规则等特征，在本研究模拟过程中对边坡进行了简化，化曲为直，边坡模型周界均以直线表示，便于分析计算。边坡左右两侧坡高分别设置为20.5 m和10.5 m，边坡的顶面、底面和边坡坡长均设置成15 m，边坡坡高为10 m，坡率为1∶1.5。为了便于研究不同降雨工况下红黏土边坡的降雨入渗响应特征和变化趋势，并且分析结果更精确，对边坡坡面以下0.5 m范围内设置5层厚度为0.1 m的表面层单元。

为了便于研究红黏土边坡在不同季节特征下的降雨入渗响应情况及分析其稳定性，本研究针对不同季节性降雨共设置了4种不同的降雨工况。其中，各工况下设定无降雨时表述为常态，所有工况的降雨类型均采取平均型降雨。表 1为各工况下的相关参数。本文将强降雨、阴雨及常规状态下的降雨强度分别设置为70、10、0 mm/d等。3种降雨量均满足江西地区降雨强度，与研究区现实降雨工况有较高对应性[3]。

表1 不同降雨工况 mm/d

在不同深度及不同位置设定监测对比点，同时保证4种不同降雨工况下的工况均基于同一初始状态。初始状态下孔隙水压力分布见图1。在图1中，D1～D8分别表示距地表0、0.5、2.5、4.5、6.5、8.5、10.5、12.5m的8个不同深度处的监测点；L1～L5为布设在坡顶、坡肩、坡面、坡脚及坡底的5个不同位置的监测点。设定不同深度及不同位置2个分析参量量化不同降雨条件下边坡的渗流响应变化。在Geostudio软件的计算分析中2 000～3 000个监测点即可达到较为精确的解，本文同时考虑到计算步时和实际工况要求，对模型表层单元格加密。处理完成后，本模型经过网格划分及加密处理后得到3 708个有限元监测点和3 600个有限元单元。

图1 初始状态下孔隙水压力分布(单位：kPa)

参考江西区域典型的红黏土边坡勘查资料[10]，本模型取自重应力场为初始应力场，试验地区地下水位较浅，所以在模型建立时考虑到存在地下水及其水位的分布情况，左侧纵坐标0～6 m范围内及右侧纵坐标0～3 m范围内设置为常水头，结合现场实际将模型地下水位以上边界均设定为不透水。

1.2 渗透参数

本研究通过变水头试验测定红黏土试样的渗透系数为0.775 2 m/d，通过直剪试验获得红黏土强度参数黏聚力c=21.03 kPa、内摩擦角φ=19.5°。先将红黏土试样大颗粒手工挑选出来，然后用振动筛分机将自然风干的土体进行筛分，获得如图 2所示的颗粒级配曲线。本文参照Geostudio软件中的样本函数粒径数据和样本函数估算方法，将干-湿路径下的土-水特征曲线SWCC作为渗流计算的基础预测土-水特征曲线，见图 3。此外，根据Fredlud&Xing模型[13]与土-水特征曲线的方法求得非饱和红黏土渗透曲线，见图4。

图2 颗粒级配

图3 土-水特征曲线

图4 非饱和红黏土渗透系数

2 红黏土边坡降雨入渗规律

本文采用Geostudio软件的Seep/W模块模拟不同降雨工况，对红黏土边坡的降雨入渗规律进行分析，将孔隙水压力和体积含水量作为边坡渗流分析的重要指标[14]。

2.1 孔隙水压力变化规律

工况①。常态21 d后强降雨7 d(常态时不采取降雨措施，而后连续7 d进行70 mm/d的强降雨)，不同深度监测点孔隙水压力随深度及时间变化见图5。从图5可知，该工况下，在前21 d边坡的孔隙水压力不发生改变，呈现直线式；21 d后，红黏土边坡受到降雨作用，各监测点处的孔隙水压力开始呈现增长趋势，监测点越靠近地表，该监测点处的孔隙水压力增幅越大，地表及地表以下0.5 m处最为明显，呈现跳跃式增长；反之，距离地表越远，监测点的孔隙水压力值增幅越小；地表处的孔隙水压力值变化幅度最大，区间为-151.77～-40.65 kPa，距离地表12.5 m处孔隙水压力变化幅度最小，区间为-29.49～-13.10 kPa。

图5 工况①不同深度监测点孔隙水压力变化

工况②。强降雨7 d后常态21 d(强降雨设定为70 mm/d，常态下无降雨作用)，不同深度监测点孔隙水压力随深度及时间变化见图6。从图6可知，突然的强降雨使得地表及靠近地表处的孔隙水压力急剧上升，而距离地表越远处其孔隙水压力上升态势相对较缓；距离地表更近处监测点的孔隙水压力到达峰值的时间比距离地表更远处监测点孔隙水压力达到峰值的时间稍早，这是由于降雨强度大，雨水入渗速度比土体的饱和渗流速度更大所致，导致所降雨水不能及时渗入地下，具有一定的滞后性；从常态开始时，所有监测点的孔隙水压力均减小，且距离地表越近的监测点孔隙水压力减小程度越大。

图6 工况②不同深度监测点孔隙水压力变化

工况③。常态21 d后阴雨21 d(设定降雨量为10 mm/d，常态下无降雨作用)，不同深度监测点孔隙水压力随深度及时间变化见图7。从图7可知，在前21 d常态时，红黏土边坡的孔隙水压力与常态21 d后强降雨7 d工况下一致，均维持初始状态。阴雨天气开始后，地表及地表以下0.5 m处的监测点首先出现响应，孔隙水压力增大，而后地表以下更深

图7 工况③不同深度监测点孔隙水压力变化

处监测点的孔隙水压力才逐渐出现响应，这是由于地表处土体首先接触到降雨，导致孔隙水压力最先发生变化，且此工况下降雨量较小，土体中水分距离地表越远处渗流速度越慢。地表至地表以下2.5 m处孔隙水压力的增长速度较快且增幅也较大，但随着降雨时间进行其值大小相当；反之，地表以下4.5～12.5 m位置监测点的孔隙水压力则增幅较小。

工况④。阴雨21 d后常态21 d(设定降雨量为10 mm/d，常态下无降雨作用)，不同深度监测点孔隙水压力随深度及时间变化见图8。从图8可知，该工况下的孔隙水压力总体趋势表现为随着降雨进行逐渐升高，降雨结束后土中孔隙水压力值也逐渐减小。与上述工况类似，孔隙水压力值的变化幅度与距离地表的深度呈负相关。

图8 工况④不同深度监测点孔隙水压力变化

2.2 体积含水量变化规律

为研究红黏土边坡在不同位置处体积含水量的响应特征，本研究在坡顶、坡肩、坡面、坡脚、坡底分别设置监测点L1、L2、L3、L4、L5，且各监测点与地表的高差相同。不同工况下不同监测点处体积含水量变化见图9。从图 9可知，不同工况下各监测点的体积含水量呈现不同的变化趋势，但无论哪种工况，同一工况下不同监测点的体积含水量变化规律却是基本一致的。通过模拟，体积含水量的变化幅度总体呈现为：坡肩>坡顶>坡面>坡脚>坡底。

图9 不同工况下不同监测点处体积含水量变化

3 红黏土边坡稳定性分析

安全系数是评价边坡的稳定性极其重要的参数，安全系数越大坡体越稳固。坡体的安全系数受边坡的饱和和非饱和岩土体的力学、水力和水文特性影响[14]。本文将前述的Seep/W模块的分析数据导入Slope/W模块，并且增加强降雨干湿循环和阴雨干湿循环2种工况，得到各阶段的安全系数，用于分析坡体稳定性变化情况。不同降雨单量工况下边坡安全系数随时间变化见图10。从常态后强降雨、常态后阴雨及2种干湿循环工况对比分析可知，常态时，各降雨工况下坡体的安全系数基本不发生变化，此时边坡中土体并未受到雨水侵蚀和冲刷，坡体维持稳定状态。从强降雨和阴雨2种工况对比可知，降雨强度越大，安全系数减幅也越大，此时降雨强度是唯一变量。当有降雨作用时，红黏土边坡的安全系数随着降雨时长持续进行而不断减小，降雨结束后会缓慢增长，但安全系数无法完全恢复。此外，从2种干湿循环降雨的模拟结果看，土体干湿循环会显著降低坡体安全系数，对于边坡稳定性整体表现为负作用，且作用效果不可逆。

图10 不同降雨单量工况下边坡安全系数随时间变化

4 结 语

本文采用Geostudio软件建立红黏土边坡模型，设定不同降雨工况进行对比分析，得到边坡不同深度监测点处的孔隙水压力、不同位置监测点处的体积含水量等参数，利用Seep/W模块分析边坡入渗规律和特征，并利用Slope/W模块研究了安全系数响应规律，主要结论如下：

(1)前期为常态工况下，边坡未受到任何影响，红黏土边坡的各指标参数均呈现初始状态。当降雨开始后，边坡孔隙水压力、体积含水量均开始增大，与之对应的安全系数会逐渐降低，降雨越强，边坡土体的孔隙水压力、体积含水量及安全系数的变化幅度越大；降雨结束后，安全系数会缓慢增长，但无法完全恢复。土体干湿循环对于边坡稳定性整体表现为负作用，且作用效果不可逆。

(2)边坡降雨入渗响应在地表处最为强烈，且地表处的孔隙水压力值变化幅度最大，区间为-151.77～-40.65 kPa，其作用效应随监测点深度增加逐渐减弱，直至消失；反之，距离地表越远处监测点的孔隙水压力值增幅越小，距离地表12.5 m处孔隙水压力变化幅度最小，区间孔隙水压力为-29.49～-13.10 kPa。降雨入渗引起边坡不同位置处的响应强烈程度变现为：坡肩>坡顶>坡面>坡脚>坡底，模拟结果也与工程实际情况基本吻合。

(3)降雨入渗和互渗的过程十分复杂，且具有一定的滞后性，强降雨使地表及靠近地表处的孔隙水压力急剧上升，且孔隙水压力较早达到峰值；而距离地表越远处其孔隙水压力上升态势相对较慢。降雨结束后，土中孔隙水压力值逐渐减小。

(4)强降雨下的安全系数下降幅度比阴雨工况下更大；降雨时长对红黏土的边坡稳定性有重要影响，降雨持续时间越长，边坡安全系数越小，边坡整体稳定性越差。