降雨入渗条件对边坡稳定性影响分析★

李 栋，平 扬

(1.深圳市龙岗区水务工程建设管理中心，广东 深圳 518000； 2.中电建生态环境集团，广东 深圳 518000)

1 概述

降雨是诱发地质灾害的主要因素，90%地质灾害的发生都与降雨有关。这主要是由于降雨会导致边坡内部土体含水量增高，改变土体的强度参数，使土体的有效应力变小，同时，雨水会增大边坡向下的滑动力，导致滑坡灾害的发生[1-5]。因此，分析比较不同降雨条件对边坡渗透特性和稳定性的影响是十分有必要的。

降雨入渗是诱发滑坡灾害发生的主要原因之一[6]。影响降雨入渗的直接因素主要有降雨类型、降雨强度、降雨持时等，间接因素主要指土体本身的性质。Rubin[7]通过研究发现，在不同降雨强度的作用下，入渗率最后都会趋于一个相同的值，但是这个过程并没有重合，说明了在不同降雨强度的作用下，入渗率的发展变化形式具有一定的相似性。在此之后，Smith和Parlange[8]发现地面积水时间对降雨强度存在一定影响，其间关系具体表现在降雨强度越大，地面积水时间就越长，即地表越早开始积水。随后，Mein和Larson[9]对Green-Ampt入渗模型进行了改进，指出入渗率的算法在地面积水前后是不相同的。刘子振[4]考虑到基质吸力和渗流力对非饱和黏土边坡稳定性的影响，基于极限平衡条分法，推导了一个用来评价黏土边坡饱和-非饱和渗流的计算公式。随着社会进步，人们开始越来越多地使用计算机，这使得数值分析方法成为了一种实用且高效的研究手段。孙勇帅[10]利用数值模拟软件Geo-studio，改变降雨强度、坡度比等参数，计算得到其边坡稳定系数，并将数值模拟结果与室内模型实验进行了对比。蒋中明[11]等通过编写FISH函数对FLAC3D软件中针对非饱和渗流计算的功能进行了完善，证明了自编FISH函数实现边坡三维非饱和渗流计算的可靠性。由此可见，降雨对边坡稳定性产生显著的影响，其主要与降雨入渗有着密切的联系，分析渗流场与滑坡稳定性的关系有助于更好的认识边坡失稳的本质。

本文以饱和-非饱和渗流理论为基础，采用二维数值模拟软件Geo-studio建立了简单均质边坡模型。利用SEEP/W模块对降雨边界进行了不同的假设，通过分析降雨边坡渗流场，总结了在不同降雨强度以及降雨类型下边坡稳定性的变化规律。

2 降雨入渗对滑坡稳定性影响分析

2.1 边坡降雨入渗过程

在降雨入渗的过程中，边坡土体的强度参数会发生变化，岩土体本身的抗剪强度会降低。随着雨水逐渐深入边坡岩土体中，土体入渗率逐渐减小，孔隙水压力变大，土体中将会出现一部分暂态饱和区，这对边坡的稳定性是不利的。如图1所示，土体地表开始有积水入渗时，典型含水率分布剖面可分为四个区，分别为饱和区、过渡区、传导区和浸水区。

饱和区中水分位于土体中的各个部分，而且每个部分都是饱和均匀的；过渡区深度越深，渗入到土体中的雨水量就越小；传导区土体含水率几乎不随着深度的变化而变化；湿润区土体随着深度的增加，其含水率接近初始值；湿润区干燥的土体和湿润的土体形成了一个接触面。

2.2 非饱和土中水分运动基本方程

非饱和土是一种三相土，与饱和土存在一定区别，非饱和土中不仅有固相和液相，还有气相。正是由于气相，非饱和土的性质与饱和土相比就显得更加复杂。

饱和土的达西定律为：

(1)

非饱和土中水的流动依然服从达西定律，只是由于空隙中气的存在，水的流动受到一定程度的阻碍。如图2所示，在土体中取单元体进行分析。

在稳定渗流的情况下，单元体流进流出的水量相等。

(2)

所以:

(3)

将达西公式代入式(3)，便可得到:

(4)

式(4)中的渗透系数不能提到微分符号的外面，这是由于非饱和土的Kw不是常量，所以上式展开后可表示为：

(5)

其中，Kw为非饱和土渗透系数;hw为总水头。

3 降雨滑坡数值仿真

3.1 模型介绍

采用Geo-studio数值仿真软件建立一个均质的土质边坡，边坡土体的渗透性表现为各向同性，即各向的渗透系数相等。边坡底面长100 m，坡顶宽40 m，斜坡的坡度比为1∶1，坡脚宽20 m。选取边坡中部截面(x=41 m)作为分析截面，用来监测在降雨作用下的边坡内部孔隙水压力和体积含水量的变化规律。设置ah,gf为零流量边界，ab,ef,hg代表不渗透水分的零流量边界，bcde代表降雨入渗流量边界。采用四边形与三角形的组合网格划分，模型示意图如图3所示。

边坡土体选用的是摩尔-库仑模型，边坡稳定系数的计算方法是极限平衡法。边坡土体选取为中强风化粉砂岩，干密度为2 050 kg/m3，黏聚力为57.25 kPa，内摩擦角为32.42°，土体饱和渗透系数0.648 m/d，饱和含水量取值为0.3 m3/d，残余含水量取值为0.1 m3/d。

3.2 模拟方案

3.2.1 降雨强度

根据气象部门对降雨强度的规定，设置降雨工况如表1所示。为分别探究降雨过程中和降雨结束时不同降雨强度下边坡渗流场和边坡稳定性的差异，降雨持时统一为5 d，对不同降雨强度影响下的边坡稳定性进行评价。

表1 不同降雨强度的工况

3.2.2 降雨类型

为了模拟不同降雨类型下的边坡渗流特性，并对其稳定性进行评价，根据实际气象部门的规定设置。在降雨持时为10 d，降雨总量为500 mm的情况下，选择四种现实中常见且典型的降雨类型，分别包括平均型降雨、前锋型降雨、中锋型降雨和后锋型降雨(见图4)。该模拟设定的工况为降雨持时10 d，同时对停雨5 d的边坡情况进行了评价。

4 结果分析

4.1 降雨强度的影响

通过分析不同降雨强度下的边坡稳定性，得到的边坡滑动面位置以及安全系数如图5所示。

从图5可以看出，不同降雨强度下，5 d降雨结束后边坡的安全系数各不相同。降雨强度为50 mm/d,100 mm/d和200 mm/d对应的边坡安全系数分别是1.538,1.532和1.522。可见降雨强度越强边坡安全系数越小，边坡稳定性越差，从而更易引发滑坡灾害。这是因为在降雨时长内，整个边坡只是接近饱和状态而并未进入完全饱和状态，所以降雨强度越大会导致更多的雨水渗入坡体内部，对坡体的稳定性造成不利影响。

图6为三种降雨强度下边坡安全系数随降雨时间的变化曲线图。从图6中可看出，降雨强度越大土坡安全系数的降低速率就越大。这是由于在土坡土体入渗率一样的情况下，降雨强度越大，土坡表层的土体在相同时间内就会吸收越多的雨水。边坡表层的土体体积含水率迅速上升，基质吸力也随之消散，从而导致浅层滑坡。

4.2 降雨类型的影响

对于不同降雨类型，土体空隙水压力随入渗时间的变化不同。边坡中部监测面不同深度的孔隙水压力随降雨类型和降雨时间的变化规律如图7所示。

从图7可看出，在降雨初期(降雨2 d)，边坡土体表层(深度2 m之内)孔隙水压力大小排序为：前锋型>平均型>中锋型>后锋型。在边坡土体中部及深部(深度4 m以上)，孔隙水压力几乎无变化。这是由于降雨初期，降雨的影响范围仅在边坡表面，边坡表层孔压首先达到最大。因此，边坡土体的孔隙水压力仅在边坡表面存在差异，而在边坡土体深处几乎无变化。

在降雨末期(降雨10 d)，边坡土体表面的孔隙水压力大小排序为：后锋型>平均型>中锋型>前锋型。而在边坡土体中部(深度5 m～7 m)，孔隙水压力的大小排序为：前锋型>中锋型>平均型>后锋型。在边坡深处的位置(深度7 m以上)，四种降雨类型下的孔隙水压力几乎相同。

在降雨结束5 d后，边坡表层土体的孔隙水压力可按照大小排序为：后锋型>平均型>中锋型>前锋型。而在边坡土体中部(深度5 m～7 m)，孔隙水压力的大小顺序为：前锋型>中锋型>平均型>后锋型。在土体深部的位置(深度7 m以上)，四种降雨类型下的孔隙水压力几乎相同，且变化规律与降雨10 d即降雨末期时边坡表层土体的孔隙水压力大小顺序相同。

不同降雨类型与降雨时间下，边坡安全系数的变化如图8所示。可见随着降雨的持续进行，边坡安全系数大致表现为随降雨的进行越来越小，并在降雨结束后保持不变。降雨过程中的边坡稳定性也与降雨类型存在着联系。在降雨前期，不同降雨类型下的边坡安全系数按照大小可以排序为：后锋型>中锋型>平均型>前锋型；在降雨后期的安全系数大小排序为：后锋型>平均型>中锋型>前锋型；降雨结束以后，这四种降雨类型作用下的边坡安全系数趋向一个定值，这说明降雨结束之后降雨类型对边坡稳定性的影响是一致的。

5 结论

本文通过Geo-studio数值模拟软件，研究了不同降雨强度、降雨类型以及渗流时间对边坡稳定性的影响，分析了土体内孔隙水压力的变化规律，主要结论如下：

1)降雨强度的不同会导致边坡渗流场与孔压场的变化。在降雨过程中，降雨强度越大，边坡安全系数下降的速率越大。降雨强度较小时，雨水有足够的时间渗入到坡体内部，使整个边坡的孔压场上升较为均匀。而降雨强度较大时，边坡的孔压会在短时间内上升到一个较高水平，边坡表面易形成暂态饱和区，边坡稳定性急剧下降。

2)在降雨前期，不同降雨类型的边坡安全系数按照大小依次为：后锋型>中锋型>平均型>前锋型；降雨后期的安全系数大小排序为：后锋型>平均型>中锋型>前锋型；降雨结束后，不同类型降雨作用下的边坡安全系数均随着时间趋于某一定值。

3)在降雨初期，边坡土体表层(深度2 m之内)孔隙水压力按照大小依次为：前锋型>平均型>中锋型>后锋型；深层的边坡土体的孔隙水压力几乎无变化。在降雨结束时，边坡土体表层的孔隙水压力大小顺序为：后锋型>平均型>中锋型>前锋型；边坡土体中部孔隙水压力的大小顺序为：前锋型>中锋型>平均型>后锋型；边坡土体深部孔隙水压力几乎无变化。降雨结束后与降雨结束时的孔隙水压力变化顺序相同。