劉 翠，徐文成

降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定性研究進展

劉 翠1，徐文成2

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475002）

降雨，特別是強度大、歷時長的暴雨，是引起邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素。降雨期間，雨水的大量入滲使邊坡土體的飽和度增加，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，土體抗剪強度下降。當(dāng)降雨的強度和持續(xù)時間超過一定程度時，便可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。在討論非飽和土強度理論和滲流理論的基礎(chǔ)上，探討了近年來關(guān)于非飽和土邊坡穩(wěn)定性研究的進展。

邊坡穩(wěn)定性；非飽和土；降雨入滲

0 引言

邊坡的失穩(wěn)破壞和降雨是人類生活中常見的事物，自然規(guī)律的作用成了兩者緊密聯(lián)系的橋梁。不管是自然形成的邊坡，還是人工形成的邊坡，降雨都會引起邊坡失穩(wěn)，進而發(fā)生滑坡?！笆潘笔乔叭藢σ鸹聻?zāi)害主要因素的精煉概括。

在傳統(tǒng)土力學(xué)中，對降雨引起的邊坡穩(wěn)定性研究是基于飽和滲流理論，模擬降雨引起的潛水面升高，運用剛體極限平衡方法，計算潛水面升高后的邊坡穩(wěn)定性，并以此作為設(shè)計依據(jù)。在理論上，不能定量計算雨水入滲作用下土坡內(nèi)部土體含水量的增加和基質(zhì)吸力分布的變化對土體抗剪強度的影響。在進行土坡滲流計算和滲流作用情況下土坡穩(wěn)定性的分析時，考慮較為簡單，不能反映實際情況，計算結(jié)果存在較大誤差等。事實上，邊坡失穩(wěn)與總降雨量的大小、日降雨強度以及降雨持續(xù)時間的長短、土體的含水率、土體的滲透能力和地下水等具有直接關(guān)系［1］。近年來，隨著孔隙介質(zhì)非飽和滲流和土體飽和滲流理論的發(fā)展，人們越來越清楚地認識到，雨季的土體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害與土體非飽和滲流密切相關(guān)，即降雨入滲會導(dǎo)致地下水位以上非飽和區(qū)孔隙水壓力升高，滲流場瞬時變化，從而產(chǎn)生附加的水荷載，降低土體的力學(xué)強度指標。

鑒于此，本文在討論非飽和土強度理論和滲流理論的基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來關(guān)于非飽和土邊坡穩(wěn)定性研究的進展。

1 非飽和土抗剪強度和滲流的理論研究

1.1 非飽和土抗剪強度理論的發(fā)展

20世紀中葉以前，巖土工程界一直近似的應(yīng)用飽和土的摩爾-庫倫強度公式確定非飽和土的抗剪強度。但是，非飽和土的性質(zhì)比飽和土的復(fù)雜。首先，水氣交界面的表面張力使孔隙中的水與氣具有不同的壓力，并且孔隙水壓常為負值；其次，孔隙氣壓力與負孔隙水壓力的同時出現(xiàn)使土的有效應(yīng)力不再等于粒間壓力，從而使飽和土的有效應(yīng)力原理在非飽和土力學(xué)中的可行性需要重新評價。因此，非飽和土的強度公式不能簡單地從飽和土推廣得到，而必須建立其特有的強度公式。20世紀中葉以后，隨著非飽和土力學(xué)的復(fù)蘇和深入，國內(nèi)外許多學(xué)者通過實驗研究非飽和土的抗剪強度，總結(jié)出了各自的非飽和土抗剪強度理論和公式，并逐漸應(yīng)用于巖土工程實踐。

目前，被工程界廣泛接受的非飽和土強度公式是Fredlund等人提出的雙變量抗剪強度公式［2］，即

式中：ua為孔隙氣壓力，kPa，一般認為孔隙氣壓力等于大氣壓，即ua＝0；uw為孔隙水壓力，kPa；φb為由基質(zhì)吸力（ua-uw）引起的抗剪強度增加速率，也就是隨吸力變化的內(nèi)摩擦角，°。

由公式（1）可以看出，非飽和土的抗剪強度主要與有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角有關(guān)，同時，還受基質(zhì)吸力影響。當(dāng)土體接近飽和時，土壤水的基質(zhì)吸力趨近于零，公式（1）變?yōu)轱柡屯恋目辜魪姸裙?。在實際應(yīng)用中，基質(zhì)吸力的量測對測量技術(shù)和儀器的要求都很高，所以誤差也較大?，F(xiàn)在一般的做法是，根據(jù)實驗測得的土水特征曲線來確定現(xiàn)場的基質(zhì)吸力。

1.2 非飽和土滲流理論

在常規(guī)滲流分析中，主要考慮飽和區(qū)水的流動。然而，自然界中許多邊坡的地表常常是非飽和的，由于降雨入滲或蒸發(fā)等自然作用，在飽和區(qū)和非飽和區(qū)之間存在連續(xù)的水流，因而不能滿足流通量為零的條件。對此類邊坡進行滲流分析時，不能僅僅考慮飽和土的情況，而應(yīng)該將飽和區(qū)、非飽和區(qū)都考慮進去。

一般認為，在很多情況下，適用于飽和水流運動的Darcy定律也適用于非飽和土壤水分的運動。但與飽和土中滲流不同之處是，非飽和土的滲透系數(shù)不是常量，而是土體飽和度的函數(shù)。因此，有必要建立能應(yīng)用于非飽和土的分析方法。根據(jù)多孔介質(zhì)模型和多孔介質(zhì)流體動力學(xué)原理，建立非飽和土的二維滲流數(shù)值模型［3］，如公式（2）所示。

對于滲透系數(shù)各向異性的非飽和土體，一般主滲透方向與水平軸向是不一致的。此時，公式（2）應(yīng)修改為公式（3）。

式中：kx、ky為沿 x和 y方向的滲透系數(shù)；kxx＝k1cos2α+k2sin2α；kyy＝k1sin2α+k2cos2α；kxy、kyx＝（k1-k2）cosαsinα；α為最大主滲透方向與水平軸向之間的夾角；k1、k2為最大、最小主滲透系數(shù)。

2 非飽和土邊坡穩(wěn)定性研究進展

目前，對于降雨誘發(fā)非飽和土邊坡失穩(wěn)的一般規(guī)律的研究主要采用歸納統(tǒng)計法和數(shù)值模擬法。歸納統(tǒng)計方法是通過氣象部門在野外設(shè)立的觀測站收集降雨的基本信息以及邊坡失穩(wěn)的數(shù)據(jù)，相互對照，再通過歸納統(tǒng)計分析探究降雨與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，或者通過模擬實驗的方法，在實驗室內(nèi)或野外建立實物模型，自行模擬降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的過程，尋求降雨和失穩(wěn)存在的關(guān)系。數(shù)值模擬方法是以相對成熟可靠的理論分析為基礎(chǔ)，配合大型的模擬軟件建立起有限元理論模型，模擬降雨誘發(fā)邊坡變形至失穩(wěn)的整個過程，通過參數(shù)的變化定量分析降雨與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。

2.1 歸納統(tǒng)計方法

歸納統(tǒng)計方法是目前研究降雨與滑坡規(guī)律的比較常用和實用的一種方法。該方法的優(yōu)點是，可以通過當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和災(zāi)害數(shù)據(jù)分析出一般關(guān)系，無需明確降雨誘發(fā)滑坡的機理和誘發(fā)過程，就可以用于本地或者類似條件地區(qū)的滑坡預(yù)測和防治。但是，這種方法不能明確滑坡機理和類型，具有一定的局限性。另外，它對歷史資料的依賴性很大，歷史資料的不健全也會增加其不確定性，影響分析效果。

黃玲娟等［4］（2002）通過對大量的降雨型滑坡分析得出：暴雨開始10～12 h后，開始出現(xiàn)滑坡；暴雨開始28～30 h后，出現(xiàn)大量滑坡，而且一些大型和巨型滑坡開始出現(xiàn)；當(dāng)一次暴雨過程的累積降雨量為200～350mm，且日降雨量大于110mm時，常產(chǎn)生大型和巨型滑坡。

高華喜等（2007）研究了深圳市降雨與滑坡的歷史資料，對區(qū)域性滑坡與降雨量進行了偏相關(guān)分析，對滑坡與降雨強度進行相關(guān)分析，對滑坡與降雨時間進行了系統(tǒng)地統(tǒng)計分析。研究結(jié)果表明：一次性降雨量達到或超過某一數(shù)值時，區(qū)域性滑坡就可以出現(xiàn)；暴雨，尤其是大暴雨，與滑坡的關(guān)系非常密切，相關(guān)系數(shù)達0.8以上，大暴雨或特大暴雨具有直接觸發(fā)滑坡的作用；滑坡活動時間與季節(jié)性降雨相對應(yīng)，季節(jié)雨量越多，滑坡亦越多。另外，滑坡活動時間與暴雨、大暴雨相吻合或略滯后，滯后時間一般不超過4 d，暴雨的當(dāng)天及次日發(fā)生滑坡的可能性最大。

謝劍明等（2003）根據(jù)浙江省降雨的特點，將降雨分為臺風(fēng)降雨和非臺風(fēng)降雨，采用統(tǒng)計方法研究了區(qū)域性滑坡災(zāi)害與臺風(fēng)區(qū)和非臺風(fēng)區(qū)降雨量及降雨強度的相關(guān)性，并通過相關(guān)性分析確定了有效降雨量模型。最后，得出了浙江省區(qū)域性滑坡發(fā)生的臨界降雨量和降雨強度閥值及其滑坡發(fā)生的滯后時間，并將滑坡災(zāi)害的空間易發(fā)性與降雨量和降雨強度相結(jié)合，確定了滑坡災(zāi)害的空間預(yù)警區(qū)劃指標和等級［5］。

胡明鑒等［6］（2001）以蔣家溝流域滑坡堆積坡地進行降雨激發(fā)滑坡試驗。試驗反映了降雨前期雨量、臨界雨量和滑坡發(fā)生后雨量是相互依賴，相互影響的［7］。日本Jagannath Jos h i（2001）等對日本福岡縣阿波羅山國有林地降雨引起的31處滑坡的統(tǒng)計分析表明，42%的滑坡發(fā)生在凹坡，32%發(fā)生在直坡，26%發(fā)生在凸坡，徑流流經(jīng)地表裂隙兩次以上的地點引發(fā)滑坡危險性更大，發(fā)生頻率達45.2%［7］。

2.2 數(shù)值模擬方法

運用數(shù)值模擬的方法實現(xiàn)降雨滲流誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的全過程是現(xiàn)在比較通用的研究方法。其最大的優(yōu)點是，對歷史資料和試驗數(shù)據(jù)的依賴性不強，具有明確的動態(tài)過程變化。但是，對于實際情況的簡化和理想化，數(shù)值模型與實際模型還存在一定的差異，致使所得的結(jié)果需要通過實際數(shù)據(jù)來支承。

吳宏偉［8］（2011）結(jié)合邊坡極限平衡，用伽遼金有限單元法模擬邊坡降雨入滲，并進行了相對系統(tǒng)的參數(shù)研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，降雨入滲條件下，土中的基質(zhì)吸力是降低邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的主要因素；降雨強度、降雨歷時與雨型對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有不利影響；邊坡表面的防滲保護層對邊坡的穩(wěn)定性有積極作用；土體的各向異性滲透系數(shù)比是一個敏感的影響因素。同時，它還區(qū)分了降雨強度和飽和滲透系數(shù)對邊坡的共同作用。

吳俊杰等［9］（2004）先對某地非飽和土進行試驗研究，獲得土水特征曲線。在此基礎(chǔ)上，建立降雨入滲的邊坡模型。然后，用計算機程序計算出不同降雨和邊坡參數(shù)情況下邊坡的安全系數(shù)，并進行比較分析。結(jié)果表明：基質(zhì)吸力對于土坡穩(wěn)定性有顯著的影響；非飽和區(qū)基質(zhì)吸力分布也會影響邊坡穩(wěn)定。另外，還要考慮吸力摩擦角的影響。

朱文彬等（2002）采用有限元對降雨條件下土體滑坡進行了數(shù)值分析，將Duncan-Chang模型引入飽和—非飽和土的本構(gòu)關(guān)系模型，建立了飽和—非飽和土統(tǒng)一的非線性彈性模型，編制了飽和非飽和土的二維有限元程序。通過程序分析了邊坡在降雨發(fā)生后不同時期的應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布和邊坡的安全系數(shù)。其結(jié)果表明：在降雨前，邊坡不存在塑性區(qū)或只在坡腳處非常小的范圍內(nèi)存在塑性區(qū)。隨著降雨時間的延續(xù)，塑性區(qū)的范圍不斷向邊坡內(nèi)部延伸擴展，穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1等值線也不斷向邊坡內(nèi)部移動，F(xiàn)s＜l的區(qū)域不斷擴大，一直達到邊坡上部地面，最后形成潛在滑裂面而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。他們還估計了邊坡破壞的時間，此計算時間與實際滑坡發(fā)生的時間基本一致［10］。

Shimada等（1995）在考慮降雨強度和巖土類型的情況下，用G alerk in有限元法模擬二維滲流，采用剛體彈簧模型進行邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析。計算結(jié)果表明：較高的降雨強度可以顯著降低模型邊坡的安全系數(shù)；滲透性函數(shù)對模型邊坡安全系數(shù)的降低只有較小影響；在巖土的水分保持曲線靠近飽和一端，基質(zhì)吸力的較小改變可引起模型邊坡安全系數(shù)的大幅度降低［11］。

Ng等（1997）用有限元法研究了各種降雨事件和初始條件對暫態(tài)滲流和邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，雨水入滲引起基質(zhì)吸力的減小和土滲透性的增大，并在主要地下水位以上出現(xiàn)上層滯水水位。安全系數(shù)不僅受到降雨強度、初始地下水位和各向異性滲透比的控制，而且還取決于先期降雨的持續(xù)時間［12］。

3 結(jié)語

目前，關(guān)于降雨入滲條件下非飽和土邊坡穩(wěn)定性研究已有了相當(dāng)?shù)乃胶鸵?guī)模。鑒于各種分析方法還存在一定的局限性，對非飽和土邊坡在降雨入滲情況下的穩(wěn)定性研究還需要進一步深入，其中研究的難點一直是非飽和土坡中的基質(zhì)吸力或含水量因降雨而發(fā)生的變化情況。只要求得了非飽和土坡中基質(zhì)吸力或含水量的分布，就可以用技術(shù)比較成熟的極限平衡法或有限單元法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，得到安全系數(shù)的變化過程及規(guī)律，最終達到對降雨影響下的土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進行較準確的評價。鑒于此，筆者將運用Geo-slope軟件從以下幾個方面模擬降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響：（1）建立了邊坡的數(shù)值模型，分析不同降雨強度、持續(xù)時間、雨型對邊坡穩(wěn)定性的影響；（2）分析不同的降雨強度、持續(xù)時間條件下，降雨過程中邊坡的飽和度分布，剪應(yīng)變增量和塑性區(qū)的變化；（3）重點研究強降雨條件下，邊坡監(jiān)測點的位移隨邊坡高程的變化以及監(jiān)測點的位移隨降雨持時的變化。同時，研究邊坡的安全系數(shù)隨降雨持時的變化。

［1］熊俊.降雨條件下考慮飽和-非飽和兩相流的邊坡穩(wěn)定性分析 ［D］.武漢：中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2005.

［2］Fredlund D G，Morgenstern N R，W ildger R A.The shear strength of unsaturated soils［J］.Can.Ge-otech.J.，1978，15（3）：313-321.

［3］朱文彬.公路邊坡降雨引起的滲流分析［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，2002，20（2）：104-108.

［4］黃玲娟，林孝松.滑坡與降雨研究［J］.湘潭師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，24（4）：55-62.

［5］謝劍明，劉禮領(lǐng)，殷坤龍，等.浙江省滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報的降雨閥值研究［J］.地質(zhì)科技情報，2003，22（4）：101-105.

［6］胡明鑒，張平倉，汪穩(wěn).降雨對滑坡的激發(fā)作用實驗研究—以蔣家溝流域滑坡堆積坡地為例 ［J］.水土保持學(xué)報，2001，15（5）：116-119.

［7］Jagannath J h，I Hiroshi O Stefan M T，et al.日本阿波羅山國有林地降雨引起的滑坡研究 ［J］.水土保持科技情報，2001（5）：10-14.

［8］姜華，尚云飛，王川川.基于三維地質(zhì)建模技術(shù)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害評價［J］.森林工程，2011（27）2：61-63.

［9］吳俊杰，王成華，李廣信.非飽和土基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定的影響［J］.巖土力學(xué)，2004，25（5）：732-737.

［10］朱文彬，劉保深.降雨條件下土體滑坡的有限元數(shù)值分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（4）：509-512.

［11］Sun Y N.A Study on stability analysis of shallow layer slope due to raining pemeation［J］.Unsaturated Soils，1995（1）：315-320.

［12］陳守義.考慮入滲和蒸發(fā)影響的邊坡穩(wěn)定性分析方法［J］.巖石力學(xué)，1997，18（2）：8-12.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Research on Unsaturated Soil Slope Stability under the Conditions of Rainfall Infiltration

LIU Cui1,XU Wen-cheng2
(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China; 2.Eastern Water Conservancy Bureau of Henan Province，Kaifeng 475002,Henan,China)

Rainfall,especially the long-lasting heavy rainstorm,is a major cause of instability and failure of slope.During the rainfall,a large number of rain infiltrations will cause the slope soil saturation increases,the matrices suction of non-saturated region reduces and the soil shear strength decreases.When the rainfall intensity and duration exceeds a certain extent,it may lead to slope instability.Based on the discussion of unsaturated soil strength theory and percolation theory,the progress of unsaturated soil slope stability research in recent years was discussed.

Slope stability;unsaturated soils;rainfall infiltration

TU457

A

1008-486X（2015）03-0024-04

2015-01-15

2014年黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助項目：降雨影響下的邊坡穩(wěn)定性分析（2014QNKY016）。

劉 翠（1983-），女，河南南陽人，助教，碩士，主要從事工程地質(zhì)方面的教學(xué)和科研工作。