基于强度衰减模型的降雨对边坡渗流影响的研究

赵晨凯，孙怀军，徐小乐

(天津市勘察院，天津 300000)

山体滑坡是一种严重的自然灾害，滑坡体的冲击对公路、桥梁和各种建筑物都会带来巨大的破坏，滑坡与边坡的稳定息息相关。近几十年来，中国有记录的滑坡次数达到6万次以上，其中90%滑坡的发生都与当地持续不断的降雨有关，说明降雨对滑坡的形成起到了至关重要的作用，高强度和长时间的暴雨更容易引发滑坡。除人工开挖山坡、砍伐植被等外部因素外，土体的粘聚力、内摩擦力等内在因素也影响着边坡稳定，由于渗流引发的土体含水量变化是控制粘聚力、内摩擦力等强度指标的关键因素[1，2]。本文以某水库右侧边坡为对象，在ABAQUS软件中模拟并分析了降雨对该边坡渗流关键参数的影响。

1 强度衰减模型

粘性土体的强度指的是其抗剪强度，也就是土体抵抗剪切变形的能力，土体抗剪强度的大小主要受到粘聚力和内摩擦角的控制，所以准确描述土体粘聚力和内摩擦角在降雨作用下的发展规律是建立强度衰减模型的关键[3，4]。

粘聚力是土体颗粒之间各种粘结作用力的统称，内摩擦角与颗粒发生错动时产生的摩擦力有关，这些作用力可以分为三类：(1)土体颗粒骨架间的连接力；(2)土体颗粒受外力作用发生转动时产生的反作用力，称为转动定向力；(3)土体处于不完全干燥状态时，由于颗粒空隙存在薄膜水而产生的作用力。其中，粘聚力主要与前两类作用力有关，内摩擦角则与第三类作用力相关。

粘聚力与土体含水量的关系式为：

(1)

内摩擦角与含水量的关系式为：

φ=φ1+φ(w)

(2)

式中：φ为摩擦角；φ1为摩擦角与土体法向应力相关的部分，不随含水量的变化而改变；φ(w)代表的摩擦角与基质吸力呈正相关。

将上述公式整合得到土体强度衰减模型：

C1(w)和φ(w)按以下经验公式选取：

C1(w)=8.69+117.67e-0.157 9w

φ(w)=42.36-0.952 7w

2 建立模型

文本以某水客右侧边坡为对象建立模型，如图1所示，该边坡总长400 m，最大开挖高度约50 m，坡顶宽22 m，走向265°，主滑角为25°，土体参数如表1所示。

图1 边坡横断面示意图

表1 土体主要参数

按照国家气象部门的降雨强度标准，模型设置了小雨、中雨、大雨和暴雨四个降雨强度参数，如表2所示。

表2 降雨强度标准及参数选取

3 计算结果分析

本文计算并对比了边坡模型在经历24小时强度1.0 mm/h中雨前后的孔隙水压力、土体渗流速度、渗透力的结果，以及不同降雨强度、不同降雨时长下的渗流参数发展。

3.1 孔隙水压力随降雨入渗的变化

如图2所示，降雨前的初始孔隙水压力随高程的增加而降低，地下水位以上的孔隙水压力为负值，其内部存在基质吸力，而地下水位以下的土体充满了饱和水，孔隙水压力为正。

经历降雨入渗作用后，孔隙水压力的变化规律是：(1)上层土体最先接触入渗水流，含水量增加最快，所以孔隙水压力增幅最大，等压线向下弯曲的幅度最显著。(2)中层土体有一定埋深，岩土颗粒挤压得较紧密，渗透能力下降，入渗水主要向下流动，所以中层土体含水量和孔隙水压力的变化不大。(3)岩土完整度最高的下层土体的渗透系数最小，而且该层处于地下水位之下，土体孔隙间始终充满了饱和水，其含水量基本不受降雨入渗的影响，所以孔隙水压力基本不变。

(a)降雨前 (b)降雨后

3.2 渗流速度随降雨入渗的变化

为更清楚地观察和分析边坡各层土体渗流速度的变化过程，提取24 h降雨下各层土体的平均渗流速度发展曲线得到图3，发现这样的规律：(1)中层土体渗流速度最大，上层土体渗流速度居中，下层土体基本不产生渗流，其渗流速度基本为零。(2)上层和中层土体位于地下水位以上，属于含水量非饱和区，降雨对其渗流速度的影响较大，而位于含水量饱和区的下层土体的渗流速度基本不受降雨入渗的影响。(3)除下层土体外，边坡其余位置的渗流速度均随降雨的持续而不断增加。

图3 各层土体渗流速度的发展曲线

3.3 渗透力随降雨入渗的变化

渗透力指的是入渗水流的表面张力对土体颗粒骨架的牵引力，表现为土体的变形、沉降和裂隙发育等。将各层土体平均渗透力的发展结果整理后得到表3和图4。渗透力随降雨入渗的变化规律是：(1)各层土体的渗透力均随降雨入渗而持续增加，上层土体渗透力的增幅明显，中层和下层土体的渗透力曲线基本重合，说明渗透力主要作用在边坡表层，而且随土层深度增加而减小的效果显著。(2)截止24 h的降雨结束，上层土体渗透力峰值达到6 540 N/m3，是初始渗透力855 N/m3的数倍，也远远超过其他土层的渗透力峰值。

表3 不同降雨时长下的各层土体渗透力 N/m3

图4 各层土体渗透力的发展曲线

3.4 不同降雨强度下的渗流参数变化

分别以0.5 mm/h、1.0 mm/h、2.0 mm/h和5.0 mm/h的降雨强度作用于模型，由上文可知，中层土体的渗流速度和上层土体的渗透力对降雨入渗的敏感率最高，所以本小节以中层土体为对象来分析降雨强度对渗流速度的影响，以上层土体为对象来分析渗透力的变化。

如图5(a)所示，降雨强度越大，土体渗流速度的增长越快，曲线斜率越大，边坡失稳的可能性越高，工程中应警惕强降雨对边坡安全性的负面作用。如图5(b)所示，土体的渗透力与降雨强度也呈现出正相关的特点，强降雨下的边坡可能更容易发生变形、塌陷和沉降。

图5 不同降雨强度下的渗流场发展曲线

3.5 降雨时长影响下的渗流参数变化

本小节依然以中层、上层土体为对象来分别分析边坡的渗流速度和渗透力变化，模拟降雨强度0.5 mm/h、1.0 mm/h、2.0 mm/h、5.0 mm/h的不同降雨时长下的渗流结果得到图6。

图6 不同降雨强度下的渗流场发展曲线

由图可知，(1)同一降雨强度下，渗流速度随降雨时长呈线性增加，降雨强度越大，渗流速度的增幅越大，曲线的斜率越大。(2)同一降雨强度下，渗透力随降雨时长而增大，时长越长、降雨强度越大，则曲线弯曲程度越高。

4 结语

本文以某水库右侧边坡为对象展开的降雨对边坡渗流影响的研究，得到以下结论：

(1)经历了24 h的1.0 mm/h降雨作用的边坡孔隙水压力随高程的增加而降低，受地下水位的影响，上层、中层土体孔隙水压力为正，下层土体孔隙水压力为负。不同土层渗流速度的大小是：中层>上层>下层，渗透力的作用主要表现在上层土体。

(2)在降雨强度、降雨时长的单独或组合作用下，渗流速度和渗透力与之均表现出正相关关系，在强降雨地区的边坡工程应当注意加固措施。