不同雨型循环作用下边坡渗流场及稳定性分析

罗伟, 姜智予, 李佳宝, 陈静瑜, 陶智, 卢茜

(1.华东交通大学土木建筑学院, 南昌 330013; 2.江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室, 南昌 330013)

在中国经济发展量质齐升的大背景下,基础设施建设得到全面加强,涉及边坡的工程建设日益增多,有关滑坡、围护结构失稳等自然灾害及工程事故的报道数量也随之增加[1-3]。据相关调查结果显示,2021年全国滑坡发生次数占地质灾害总数的49%[4]。研究表明,超过90%的滑坡由大气降雨直接诱发或与降雨间接相关[5-7]。受气候影响和地理制约,中国非饱和土边坡分布广泛。非饱和土在天然状态下的稳定性通常较高,但在降雨作用下,由于基质吸力减小,边坡稳定性大幅降低,从而产生滑坡[8-10]。因此定量分析降雨对边坡稳定性的影响规律具有重要意义。

对于降雨作用下的土质边坡渗流特性以及稳定性变化规律,国内外学者开展了大量卓有成效的研究[11-12]。郑颖人等[13]论证了采用强度折减求解边坡安全系数的精确性以及有限元法进行边坡稳定分析的有效性;林鸿州等[14]、周家文等[15]、任佳等[16]通过模拟计算揭示了不同降雨条件、不同边坡工况下雨水入渗作用机理及安全系数演化规律;徐全等[17]分别采用固液耦合与非耦合计算的方法,研究了在不同降雨强度作用下边坡的稳定性变化规律、恢复速率及滑面位置变化规律;Ng等[18]对降雨入渗下的边坡进行数值模拟分析,探讨了边坡的暂态渗流及由此引起的边坡稳定性问题。以上研究为深入了解降雨作用下土质边坡的稳定性做出了重要贡献。但相关数值分析往往忽视土体材料属性的空间变异性将模型材料参数设置为定值,且降雨雨型与实际工况差异较大,长周期降雨作用对边坡稳定性影响的研究也尚待进一步完善。

现结合江西省降雨特点,在Geo-Studio边坡稳定性分析模块 SLOPE/W 与稳定-非稳定渗流模块 SEEP/W 中构造出循环、后峰、骤缓等雨型,以安全系数为稳定性指标,分析各类型降雨对边坡安全系数的影响,重点研究不同雨型条件下的边坡渗流、孔隙水压力变化情况和安全系数变化规律,丰富长持时及循环降雨工况下边坡稳定性理论研究,以期为工程实践提供有益指导。

1 耦合计算理论

1.1 饱和-非饱和渗流理论

在天然条件下,大多数边坡为非饱和。降水期间,由于雨水从坡面渗透,使边坡的非饱和土体趋于饱和,这是一种典型的饱和-非饱和渗流。非饱和土的渗透微分方程表达方式为

(1)

1.2 Fredlund&Xing理论

沿用Fredlund &Xing的土-水特征曲线方程,其土体积含水率可以表示为

(2)

式(2)中:θ(R)为土体内孔径小于R的孔隙内均充满水时的体积含水率;r、R分别为孔径和最小孔径;f(r)为孔隙体积的密度函数。因为孔径与吸力数值大小成反比关系,即r=C/φ土体积含水率也可表示为

(3)

式(3)中:H为吸力;C为常数;φ为对应于最小孔径的最大吸力;h为吸力变量。将Van Genuchten方程代入式(3)即可得到 Fredlund &Xing土-水特征曲线方程为

(4)

式(4)中:φ为残余吸力值;θ为体积含水率;a为与进气值有关的参数;n为基质吸力大于进气值之后与土体脱水速率有关的土参数;m为与残余含水率有关的试验参数;e为自然底数。

2 工程概况

选用江西省信江八字嘴围堰边坡为研究对象,堰坡截面形态呈等腰梯形,东西长53 m,边坡方量约为2.58万 m3,边坡占地面积约1.4万 m2。

江西省各月平均降雨量分布图如图1所示,常出现连续降雨、强降雨。据江西省气象信息中心统计[19],江西省的降雨平均小时强度为1.34～1.76 mm/h,赣江以北的鄱阳湖及东南区域的降雨较多。该省的最大小时降雨量为54.8～147.3 mm,分别是铜仁和崇仁。江西东北、江西中部、江西东南部3个区域均有明显的随机变化。从各地区短时强降水日变化特征来看,除省内西南部具有单峰形特征外,其他为双峰形特征[20]。

图1 南昌2014—2021年月平均降雨量Fig.1 Monthly average rainfall in Nanchang from 2014 to 2021

3 模型建立与参数设置

3.1 边坡模型

以江西省信江八字嘴围堰边坡为研究对象,构建边坡受降雨作用下的渗流场和稳定性数值计算二维模型。计算模型由堰体和两层基础土层组成,如图2所示。边坡原型简化后的模型参数为:长86 m、高20 m、堰体高10 m,上下游堰坡坡比均为1∶2。各土层材料计算参数见表1。各土层土水特征曲线与渗透系数曲线如图3、图4所示。

表1 土的物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of soil

图2 边坡模型尺寸及网格划分图Fig.2 Size and mesh drawing of slope model

图3 土水特征曲线Fig.3 Soil-water characteristic curve

图4 渗透系数函数曲线Fig.4 Permeability coefficient function curve

模型左侧设置15 m定水头模拟围堰内上游水位;在模型基质土层右侧设置5 m水头,5 m以上设置零流量,模拟地下水位;坡底假设为不透水边界;边坡及基质土层上表面设定单位流量边界条件模拟降雨情况。

3.2 方案设计

方案中设定了降雨总量、持时相同的后峰、中峰、前峰及均匀型4种不同降雨工况[图5(a) ],这里选用的平均降雨强度0.2 m/d依据当地气象实测资料并近似取整。“骤缓”为平均雨强变化率与后峰降雨保持一致的降雨,令其雨强增长率呈周期变化且总降雨量与后峰相同[图5(b)],与后峰降雨形成对照,分析雨强增长率变化对边坡稳定性的影响;构造3次周期性重复的前峰、中峰、后峰及均匀型降雨,以6 d为周期,每周期降雨持续3 d[图5(c)],对照各自单周期降雨,探究循环雨型下边坡稳定性的变化规律及恢复情况。

图5 不同雨型雨强变化图Fig.5 Diagram of variation of rain intensity for different rain patterns

4 结果分析

4.1 堰体渗流特性分析

拟在得到非饱和渗流场的条件下开展不同雨型对边坡稳定性的影响研究。图6为初始状态孔隙水压力图,选择均匀降雨条件下最危险孔隙水压力图,如图7所示在降雨条件下孔隙水压力自上而下逐渐增大,由于降雨前期堰体浅层土体还比较干燥,土的体积含水量与渗透系数较低,该阶段土体具有极强的入渗能力,一旦少量雨水开始入渗就会形成很高的吸力梯度。在经历降雨后,坡表孔压增大,浸润线呈下凹状,出现暂态饱和区,与之对应的是图8、图9所示的边坡安全系数大小及滑动面示意图。循环后峰降雨第二周期坡表初始孔压相较于第一周期明显增大,浸润线上凸,随着第二周期降雨,边坡土体逐渐趋于饱和,在安全系数最低时边坡几乎完全饱和,不同雨型第二周期的边坡初始渗流场各有差异,具体渗流情况如图10所示。

图6 初始状态孔隙水压力图Fig.6 Initial pore pressure diagram

图7 均匀降雨最危险孔压图Fig.7 Uniform rainfall is the most dangerous pore pressure diagram

图8 初始状态边坡安全系数及滑移面Fig.8 Safety factor and slip surface of initial state slope

图9 均匀最危险边坡安全系数及滑移面Fig.9 Safety factor and slip surface of uniform dangerous slope

4.2 堰坡稳定性分析

边坡体内孔压大小及分布在降雨前后发生了较大变化,图11为上下监测点在不同雨型下各自孔压变化情况。相同工况下下部监测点的孔压变化幅度较大。各雨型下孔压的变化幅度从小到大依次为中峰、后峰、前峰和均匀。前峰与中峰降雨下孔隙水压力先到达最大值,后峰与平均降雨最值出现的时间相对滞后。中峰与后峰雨停后孔压降低速率较快,均匀与前峰的孔压恢复速率相对较慢。循环降雨下各监测点的孔压变化如图12所示,随着总降雨量的不断增加,坡体土含水率增高并在第二周期降雨后暂态饱和区明显增大,在不同降雨类型中,二、三周期的最大孔压均显著高于一周期,而上层监控区的一、二周期最大孔压差异稍低于下层的相应差异。降雨区段内循环均匀、前峰下的最大孔压始终高于其他雨型。下部监测点的孔压变化滞后性强于上部监测点,循环后峰、均匀下的孔压变化滞后性强于其他雨型。

图11 不同雨型孔隙水压力变化图Fig.11 Pore pressure changes under different rain patterns

图12 循环降雨下监测点孔压变化Fig.12 Pore pressure changes under cyclic rainfall

单峰降雨方案下安全系数变化趋势如图13(a)所示。边坡初始安全系数为1.531,前峰、中峰、后峰、骤缓降雨使边坡安全系数分别降低13.64%、13.46%、12.87%、13.13%。由于前期降雨使坡体含水率明显升高,进而导致后期强降雨时边坡土体渗透系数较低,大部分雨水没有渗入坡体内部而是顺着坡面流向坡脚,故后峰与骤缓对边坡安全系数影响相对较低。单周期降雨结束后若降雨停止,随着雨水的淋滤进而渗出坡体的最敏感部位,边坡又逐渐变得安全。若继续降雨,由于前次的雨水入渗影响了浅部土层的渗透能力,因此,边坡第二周期最危险时间又随着雨水的再次入渗及运移发生了变化,图13(b)为循环降雨下的边坡安全系数,第二周期各雨型边坡安全系数远低于第一周期,均匀雨型最低安全系数仍低于其他雨型;与单周期雨型不同,后峰的第二周期最低安全系数低于前峰,前峰第二周期初始状态下的边坡饱和区域以及边坡含水率高于循环后峰,因此循环前峰的大量前期降水经坡脚流失;对两次降雨的相互影响分析发现:前一周期降雨入渗情况决定了后一周期降雨的入渗条件,因为前一周期降雨改变了边坡不同位置的体积含水率,含水率不同则基质吸力、渗透系数不同,各降雨周期内边坡稳定性也有所差异。

图13 不同雨型下安全系数变化曲线Fig.13 Variation curves of safety factor under different rain patterns

5 结论

在收集并归纳了江西省雨型特性的条件下,从渗流基本理论出发,对信江八字嘴围堰边坡进行了瞬态稳定性分析,研究了坡体内水分的时空演化,为滑坡的预测与合理措施的采取提供依据,主要结论如下。

(1)计算5种总降雨量、降雨持时均相同的单周期雨型得出其最小安全系数排序为:骤缓型<后峰型<中峰型<前峰型<均匀型;总降雨量、降雨持时和雨强变化总量均相同时,雨强变化率的波动会导致降雨对边坡的影响发生变化。

(2)边坡在循环降雨作用下,安全系数单调性呈现周期性变化,均匀降雨的各周期最小安全系数最低,后峰的第二周期最低安全系数低于前峰。

(3)降雨对边坡影响具有滞后性。越靠近坡表处孔压变化滞后性越弱;循环后峰、循环均匀下的安全系数变化滞后性强于其他雨型。不同降雨条件下不同边坡部位的安全系数敏感程度对边坡支护时间、部位的选取具有一定的指导意义。

(4) 对于循环降雨,前次降雨入渗深度决定了随后降雨的入渗条件,循环降雨下不同雨型对于边坡影响程度排序与单周期不同。当降雨持续时间较长或雨季反复降水时,应同时加强对雨强和雨型的监测,做好及时、有效的滑坡预警工作。