非饱和土边坡渗流特性和稳定性研究

史旭波，王 飞，孙娜科

（中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050200）

1 概述

降雨入渗、水位变动等自然活动常常影响边坡稳定，严重时造成边坡滑坡。我国作为世界上地质灾害发生最多的国家之一，每年因边坡坍塌、滑坡等灾害导致的国家经济损失和人民生命安危不计其数。由此引发了科学界对边坡问题研究的热潮。

越来越多的科研工作者针对非饱和土边坡渗流特性和稳定性问题开展研究，并取得了一系列的成果。姚海林等[1]基于某非饱和膨胀土边坡工程，通过建立三维数值模型研究了降雨入渗对边坡稳定性的影响，并对敏感参数进行参数分析。朱文彬等[2]利用数值模拟手段，开展了公路边坡降雨引起的渗流分析，对边坡的稳定性进行了研究。夏琼等[3]通过有限元软件对土质路基边坡渗流场进行模拟，研究了不同降雨模型下边坡的渗流特性和稳定性。吴江鹏等[4]数值分析了土质边坡开挖下边坡的变形破坏，并总结了边坡的变形机理。基于此，深入研究了降雨作用下土质边坡变形破坏规律。廖红建等[5]基于某库岸边坡工程，探讨了库区水位变化下坡体的稳定性，并获得了坡体滑动的变形规律和机理。董金玉等[6]通过数值手段分析了库水位升降对大型堆积体边坡的影响，研究了边坡的破坏机理，并进一步对边坡的变形进行了预测。徐晗等[7]通过ABAUQS有限元软件，研究了降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性，系统研究了降雨时长和降雨强度等影响。

本文基于某实际边坡工程，利用有限元软件对该工程进行模拟，研究了地下水位变化和降雨入渗对边坡稳定的影响。

2 工程概况

某水库作为著名的旅游景点，拟建高速公路穿越该库岸区，对该库区的生态环境、库区水质、生物多样性等都有影响。而且临湖建设公路路堤边坡，库岸区复杂的水文环境对路堤边坡的稳定性有着很大的影响。高速公路经过时，临湖段路堤边坡通过抛石填湖制造平台，然后在上面堆填路基填料并压实形成路堤边坡，边坡的一部分在水面以下。湖面水位涨落受季节性降雨影响较大。经过调查可知夏季水位高达175m，冬季枯水期水位在165m左右，水位涨落差达10m。

3 有限元模型的建立

3.1 三维数值模型

基于实际工程的水库边坡建立有限元数值模型，模型对边坡的地形地质条件做了一定简化处理，以方便计算。该边坡由均质的含砾粘性土构成，边坡的示意图如图1所示。边坡的本构关系采用M-C屈服准则。模型的边界条件如下：模型的底部约束x和y方向的位移，模型的左右边缘约束x方向的位移，模型顶面，包括坡面和两个平地面为自由边界。网格类型为双线性位移和孔压下的四结点平面应变四边形单元（CEP4P），其网格节点共2060个，单元共有1982个。

图1 模型示意图

3.2 计算参数的选择

依据现场勘探资料，水库边坡土体参数取值如表1所示。

表1 材料参数表

4 数值模拟结果分析

为研究库岸边坡水位上升速率对库岸边坡稳定性的影响，分析了四种不同水位上升速率工况：0.5m/d、1.0m/d、1.5m/d和2.0m/d（初始水位为165m，结束水位为175m）。

图2给出了不同水位上升速率下边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线。如图2所示，库岸边坡稳定性系数曲线的变化规律一致：在边坡水位上升过程中，边坡稳定性系数首先缓慢变小，随后快速变大。这是由于库区水位上升过程的初期阶段，土体含水率的增长导致边坡土体抗剪强度降低，其造成的不利影响大于边坡渗水导致的水浮力对边坡稳定性的有利影响。随着水位的进一步上升，边坡渗水导致的水浮力对边坡稳定性的有利影响逐渐扩大，因此边坡稳定性迅速变好。对比四种不同水位上升速率工况的稳定性系数变化曲线可见，在水位上升高度一致的情况下，边坡的最终稳定性系数随着水位上升速率的增大而增大。这是因为水位上升速率越快，边坡内部土体浸润线明显滞后于水库水位，这导致指向边坡内部的动水渗透压力增大，因此边坡稳定性增强。综上所述，水库在蓄水过程中为保证库岸边坡的稳定性，在水位上升初期，应低速提升水库水位；当水位提升到某一高度后，需快速提升水位。

图2 不同水位上升速率下边坡稳定性系数变化曲线

为研究库岸边坡水位下降速率对库岸边坡稳定性的影响，分析了四种不同水位下降速率工况：0.25m/d、0.50m/d、0.75m/d和1.00m/d（初始水位为175m，结束水位为165m）。

不同水位下降速率下边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线如图3所示。如图3所示，库岸边坡稳定性系数曲线的变化规律一致：在边坡水位下降过程中，边坡的稳定性系数首先迅速减小，随后逐渐增大并趋于稳定。这是由于库区水位下降过程的初期阶段，土体含水量降低导致抗剪强度降低的有利影响远小于坡体内外部分水位差导致的下滑力增大的不利作用，由此造成库岸边坡稳定性急剧下降；当水库水位上升一定时间后，土体含水量降低导致抗剪强度降低的有利影响起主导作用，从而库岸边坡稳定性逐步增强。对比四种不同速率的稳定性系数可看出，当下降水位的高度一定时，水位下降越快库岸边坡的最终稳定性越差。综上所述，水库在排水过程中为保证库岸边坡的稳定性，在水位下降初期，应以较低的速率排水；当水位下降到某一高度后，应该加快排水速度。

图3 不同水位下降速率下边坡稳定性系数变化曲线

为研究不同降雨强度对库岸边坡稳定性的影响（保持降雨时长不变），分析了五种不同工况的结果。具体工况如下，降雨时长为1d，停雨时长为3d，降雨强度分别为：100mm/d、150mm/d、200mm/d、250mm/d和300mm/d。

不同降雨强度下边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线如图4所示。如图4所示，未降雨条件下，库岸边坡的稳定性系数约为1.24。从图中可以看出，不同降雨强度条件下边坡稳定性系数变化规律一致：库岸边坡的稳定性系数随着作用时长先迅速减小，随后逐渐增大直至趋于稳定。降雨强度为100mm/d、150mm/d、200mm/d、250mm/d和300mm/d时的最小稳定性系数分别为1.17、1.14、1.11、1.09和1.085，可见边坡的稳定性随着降雨强度的增大越来越差，且边坡稳定性系数下降速率也越来越大。从稳定性系数曲线上升段部分可以看出，边坡稳定性系数增大幅度随着降雨强度的增大而加快，这是由于降雨时长条件下，坡内浸润线随降雨强度增大而变高。当停雨后，坡内浸润线越高的工况坡内渗水量愈大，孔隙水压力消散速度也加快，土体抗剪强度也愈大，因此边坡稳定性系数增大幅度更大。但当降雨强度超过250mm/d时，边坡稳定性曲线上升段曲线重合，这说明此时降雨强度与稳定性系数无关，这是由于当降雨强度超过250mm/d时，边坡土体已饱和，坡内浸润线高度一样，因此停雨后的下降速率无差别。

图4 不同降雨强度下边坡稳定性系数变化曲线

为研究不同降雨时长对库岸边坡稳定性的影响（保持降雨强度为135mm/d不变），分析了五种不同工况的结果。降雨时长分别为1d、1.5d、2d、2.5d和3d，与之对应的停雨时长分别为4d、3.5d、3d、2.5d和2d。

不同降雨时长下边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线如图5所示。如图5所示，未降雨条件下，库岸边坡的稳定性系数约为1.24。从图中可以看出，不同降雨时长条件下边坡稳定性系数变化规律一致：库岸边坡的稳定性系数随着作用时长先减小后增大。降雨时长分别为1d、1.5d、2d、2.5d和3d的最小稳定性系数分别为1.147、1.121、1.092、1.092和1.092。从降雨时长为1d、1.5d、2d三个工况可以看出，库岸边坡稳定性系数随着降雨时长的增加，其下降速率增大。从降雨时长为2.5d、3d两个工况可以看出，当降雨时长不低于2.5d时，库岸边坡最终稳定性一致。对比降雨时长1d、1.5d、2d三个工况曲线的上升段可以发现，边坡稳定性系数随着降雨时长的增加，其增长速率越快。这是由于降雨时长条件下，坡内浸润线随降雨强度增大而变高。当停雨后，坡内浸润线越高的工况坡内渗水量愈大，孔隙水压力消散速度也加快，土体抗剪强度也愈大。对比降雨时长2d、2.5d、3d三个工况曲线的上升段可以发现，边坡稳定性系数增长速率基本一致，这是由于该工况下降雨后的坡体浸润线一样高。

图5 不同降雨时长下边坡稳定性系数变化曲线

5 结论

本文基于某实际边坡工程，利用有限元软件对该工程进行模拟，研究了地下水位变化和降雨入渗对边坡稳定的影响。主要得到以下结论：

（1）在边坡水位上升过程中，边坡稳定性系数首先缓慢变小，随后快速变大。在水位上升高度一致的情况下，边坡的最终稳定性系数随着水位上升速率的增大而增大。

（2）在边坡水位下降过程中，边坡的稳定性系数首先迅速减小，随后逐渐增大并趋于稳定。当下降水位的高度一定时，水位下降越快库岸边坡的最终稳定性越差。

（3）边坡的稳定性随着降雨强度的增大越来越差，且边坡稳定性系数下降速率也越来越大。边坡的稳定性系数随着降雨时长的增大而减小。