康津軍

（湖南省新化公路橋梁建設(shè)工程有限公司，湖南婁底 417600）

降雨入滲對(duì)坡積土邊坡滲流特征及穩(wěn)定性的影響

康津軍

（湖南省新化公路橋梁建設(shè)工程有限公司，湖南婁底 417600）

基于非飽和滲流及抗剪強(qiáng)度理論，采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)降雨條件下邊坡滲流特征及安全系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，降雨開(kāi)始后，降雨入滲影響區(qū)內(nèi)土體的孔隙水壓力、體積含水率逐漸升高，暫態(tài)飽和區(qū)自坡面往內(nèi)逐漸擴(kuò)展，邊坡安全系數(shù)不斷降低；降雨停止后，坡面附近土體的孔隙水壓力、體積含水率持續(xù)降低，暫態(tài)飽和區(qū)自坡頂往坡腳附近迅速消散，邊坡安全系數(shù)緩慢升高；降雨期間，坡面附近土體的孔隙水壓力、體積含水率、暫態(tài)飽和區(qū)面積、邊坡安全系數(shù)均與降雨強(qiáng)度成正比。

公路；坡積土；孔隙水壓力；體積含水率；暫態(tài)飽和區(qū)；安全系數(shù)

降雨是引起邊坡失穩(wěn)的主要外部因素之一，雨水滲入邊坡后，一方面，坡面附近土體的基質(zhì)吸力逐漸喪失，邊坡的抗滑力持續(xù)降低，坡體的安全儲(chǔ)備減??；另一方面，降雨入滲影響區(qū)內(nèi)土體的飽和度持續(xù)增大，重度也增大，邊坡的下滑力不斷增大，坡體的安全儲(chǔ)備進(jìn)一步減小。對(duì)于坡積土邊坡，由于坡積土土顆粒之間較為松散，土體的孔隙較大，滲透性較好，其穩(wěn)定性受降雨入滲的影響更為顯著。由于降雨入滲是引起坡積土邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，對(duì)降雨條件下坡積土邊坡滲流特征及穩(wěn)定性變化規(guī)律的研究顯得十分緊迫。

目前已有的針對(duì)降雨條件下邊坡滲流特征的研究大多只分析了降雨過(guò)程中邊坡孔隙水壓力、飽和度的變化，如夏瓊等分析了不同降雨模式下邊坡孔隙水壓力與入滲深度的變化規(guī)律，李濤等研究了強(qiáng)降雨對(duì)路堤邊坡孔隙水壓力及體積含水率的影響，但較少對(duì)降雨過(guò)程中邊坡暫態(tài)飽和區(qū)的形成與消散進(jìn)行分析；針對(duì)降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的研究大多只考慮了土體軟化及重度變化的影響，如蔣中明等考慮了極端長(zhǎng)時(shí)間降雨條件下巖體軟化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，夏元友等運(yùn)用水氣兩相流-應(yīng)力耦合計(jì)算方法分析了入滲影響區(qū)內(nèi)土體重度變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，但鮮有考慮坡體內(nèi)土體的非飽和抗剪強(qiáng)度。鑒于此，該文基于非飽和滲流理論，對(duì)降雨條件下坡積土邊坡的孔隙水壓力、體積含水率及暫態(tài)飽和區(qū)的變化規(guī)律進(jìn)行探討，并結(jié)合非飽和抗剪強(qiáng)度理論對(duì)降雨過(guò)程中坡積土邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 非飽和滲流及抗剪強(qiáng)度理論

1.1非飽和滲流理論

降雨入滲條件下路堤內(nèi)部非飽和區(qū)土體中水分的遷移規(guī)律與飽和區(qū)土體中水分的遷移規(guī)律一致，都是自發(fā)地從高水勢(shì)處流向低水勢(shì)處。因此，路堤內(nèi)部非飽和區(qū)滲流與飽和區(qū)滲流一樣符合達(dá)西定律及其連續(xù)性方程：

式中：v為土中水的流速；k（θ）為與體積含水率有關(guān)的土的滲透系數(shù)；θ為土的體積含水率；H為總水頭；W為源匯項(xiàng)；mw為比水容量；ρw為水的密度；t為時(shí)間。

非飽和滲流初始條件為：

數(shù)值計(jì)算結(jié)合以下邊界條件進(jìn)行：

式中：Γ1為水頭邊界；Γ2為流量邊界；q為單位流量；n為邊界Γ2所對(duì)應(yīng)的外法線單位向量。

非飽和區(qū)土體的滲透系數(shù)、體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系采用Van Genuchten模型進(jìn)行擬合，模型表達(dá)式如下：

式中：θs為飽和體積含水率；θr為殘余體積含水率；m、n、α均為Van Genuchten模型擬合參數(shù)，m=1 -1/n；ψ為基質(zhì)吸力；Ks為飽和滲透系數(shù)。

1.2非飽和抗剪強(qiáng)度理論

大量邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象表明，邊坡失穩(wěn)破壞以剪切破壞為主。庫(kù)侖最早提出了描述土體抗剪強(qiáng)度的摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則雖然反映了土體正應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，但沒(méi)有體現(xiàn)非飽和土中基質(zhì)吸力的影響。因此，D.G.Fredlund等于1978年提出了可考慮非飽和土中基質(zhì)吸力影響的非飽和土抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：τ為非飽和土抗剪強(qiáng)度；c為粘聚力；σ為正應(yīng)力；φ為與正應(yīng)力相關(guān)的摩擦角；φb為與基質(zhì)吸力相關(guān)的摩擦角。

2 數(shù)值模型與參數(shù)

為研究坡積土邊坡在降雨條件下的滲流特征及穩(wěn)定性，以汝郴（汝城—郴州）高速公路某典型坡積土邊坡為研究對(duì)象，建立圖1所示數(shù)值模型，并在邊坡坡面中點(diǎn)及過(guò)中點(diǎn)的水平線上設(shè)置一個(gè)特征點(diǎn)和一條特征截面。

圖1　數(shù)值模型網(wǎng)格、特征點(diǎn)及特征截面示意圖（單位：m）

（1）滲流邊界條件。模型兩側(cè)及底部設(shè)置為零流量邊界，模型頂部設(shè)置為單位流量邊界。

（2）滲流初始條件。在模型兩側(cè)設(shè)置總水頭為7 m的水頭邊界，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算，得到初始時(shí)刻邊坡滲流場(chǎng)（見(jiàn)圖2）。

圖2　初始時(shí)刻邊坡滲流場(chǎng)（單位：kPa）

（3）計(jì)算參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)取原狀坡積土土樣進(jìn)行室內(nèi)變水頭試驗(yàn)，測(cè)得坡積土的飽和滲透系數(shù)為0.009 35 m/h。同時(shí)開(kāi)展土水特征試驗(yàn)，得到坡積土滲透系數(shù)、體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3）。坡積土的力學(xué)參數(shù)通過(guò)三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)得到（見(jiàn)表1）。

圖3　滲透系數(shù)與土水特征曲線（單位：m）

表1　坡積土力學(xué)參數(shù)

（4）分析方案。為了分析降雨強(qiáng)度對(duì)坡積土邊坡滲流特征及穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)表2所示3種降雨分析方案。

3 降雨條件下邊坡滲流特征與穩(wěn)定性分析

3.1降雨入滲對(duì)邊坡孔隙水壓力的影響

圖4為降雨條件下特征點(diǎn)孔隙水壓力隨時(shí)間的變化。由圖4可知：降雨開(kāi)始后36 h內(nèi)，不同方案下特征點(diǎn)孔隙水壓力均迅速升高，此后（降雨36～96 h內(nèi)）其升高速率逐漸放緩；降雨停止后，特征點(diǎn)孔隙水壓力持續(xù)降低。此外，降雨強(qiáng)度越大，同一時(shí)刻特征點(diǎn)的孔隙水壓力越大。

表2　降雨分析方案

圖4 不同方案下特征點(diǎn)孔隙水壓力變化規(guī)律

圖5（a）、（b）分別為降雨條件下特征截面孔隙水壓力的三維變化和分布規(guī)律示意圖。由圖5可知：降雨開(kāi)始后，坡面附近土體的孔隙水壓力依次升高，距離坡面越近，其孔隙水壓力響應(yīng)的時(shí)間越早，增長(zhǎng)幅度也越大；降雨停止后，降雨入滲影響區(qū)內(nèi)土體的孔隙水壓力逐漸降低，降雨入滲影響區(qū)外一定范圍內(nèi)土體的孔隙水壓力則繼續(xù)增長(zhǎng)。此外，降雨過(guò)程中，同一時(shí)刻特征截面孔隙水壓力與降雨強(qiáng)度成正比。

3.2降雨入滲對(duì)邊坡體積含水率的影響

圖6為降雨條件下特征點(diǎn)體積含水率隨時(shí)間的變化。降雨條件下坡面附近土體的體積含水率很難完全飽和，一般情況下，當(dāng)土體體積含水率達(dá)到飽和體積含水率的85%時(shí)，則認(rèn)為已進(jìn)入飽和狀態(tài)。對(duì)于坡積土邊坡，當(dāng)體積含水率為0.307 7時(shí)即認(rèn)為已達(dá)到飽和狀態(tài)。由圖6可知：降雨開(kāi)始后36 h內(nèi)，不同方案下特征點(diǎn)體積含水率均迅速升高，此后（降雨36～96 h內(nèi)）其升高速率逐漸放緩；降雨停止后，特征點(diǎn)體積含水率持續(xù)降低。此外，降雨強(qiáng)度越大，同一時(shí)刻特征點(diǎn)的體積含水率越高，達(dá)到暫態(tài)飽和區(qū)所需的時(shí)間越短。

圖5　不同方案下特征截面孔隙水壓力變化規(guī)律

圖6 不同方案下特征點(diǎn)體積含水率變化規(guī)律

圖7為降雨條件下特征截面體積含水率的三維變化和分布規(guī)律示意圖。由圖7可知：降雨開(kāi)始后，坡面附近土體的體積含水率依次升高，距離坡面越近，其體積含水率響應(yīng)的時(shí)間越早，進(jìn)入暫態(tài)飽和區(qū)的時(shí)間越早，增長(zhǎng)幅度越大；降雨停止后，降雨入滲影響區(qū)內(nèi)土體的體積含水率逐漸降低，降雨強(qiáng)度越小，暫態(tài)飽和區(qū)消散的速率越快，降雨入滲影響區(qū)外一定范圍內(nèi)土體的體積含水率則繼續(xù)增長(zhǎng)。此外，降雨過(guò)程中，同一時(shí)刻特征截面體積含水率及進(jìn)入暫態(tài)飽和區(qū)的長(zhǎng)度均與降雨強(qiáng)度成正比。

圖7　不同方案下特征截面體積含水率變化規(guī)律

3.3降雨條件下邊坡暫態(tài)飽和區(qū)變化規(guī)律

圖8為不同降雨強(qiáng)度下邊坡暫態(tài)飽和區(qū)的變化。由圖8可知：降雨開(kāi)始后，邊坡暫態(tài)飽和區(qū)自坡面往內(nèi)逐漸擴(kuò)展，降雨強(qiáng)度越大，邊坡暫態(tài)飽和區(qū)擴(kuò)展速率越快，所形成的暫態(tài)飽和區(qū)面積越大；降雨停止后，邊坡暫態(tài)飽和區(qū)自坡頂往坡腳附近迅速消散，降雨強(qiáng)度越大，邊坡暫態(tài)飽和區(qū)消散速率越慢。此外，在降雨強(qiáng)度0.006 61 m/h條件下，由于降雨停止后邊坡暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)體積含水率較高、面積較大，降雨停止后邊坡暫態(tài)飽和區(qū)面積先小幅度擴(kuò)展、后迅速消散。

3.4降雨條件下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律

基于非飽和滲流及抗剪強(qiáng)度理論，結(jié)合極限平衡法對(duì)坡積土邊坡在降雨過(guò)程中的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

由圖9可知：降雨開(kāi)始后，隨著雨水的持續(xù)入滲，坡面附近土體的基質(zhì)吸力不斷喪失，體積含水率逐漸升高，土體重度增大，邊坡安全系數(shù)隨著降雨過(guò)程的持續(xù)不斷降低；降雨停止后，邊坡安全系數(shù)隨著基質(zhì)吸力的恢復(fù)及雨水的滲出緩慢升高。此外，同一時(shí)刻邊坡安全系數(shù)與降雨強(qiáng)度成正比。

圖8　不同降雨強(qiáng)度和時(shí)間下邊坡暫態(tài)飽和區(qū)變化規(guī)律

圖9　不同方案下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律

圖10　降雨96 h后邊坡潛在滑動(dòng)面示意圖

由圖10可知：降雨強(qiáng)度0.006 61 m/h條件下，降雨96 h時(shí)邊坡的安全系數(shù)仍大于1，其潛在滑動(dòng)形式為淺層整體滑移。

4 結(jié)論

結(jié)合非飽和滲流及抗剪強(qiáng)度基本理論，采用數(shù)值模擬方法對(duì)降雨條件下坡積土邊坡孔隙水壓力、體積含水率、暫態(tài)飽和區(qū)及安全系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）降雨期間，降雨入滲影響區(qū)內(nèi)土體的孔隙水壓力、體積含水率逐漸升高；降雨停止后，坡面附近土體的孔隙水壓力、體積含水率持續(xù)降低。

（2）降雨條件下，坡面附近土體的孔隙水壓力、體積含水率與降雨強(qiáng)度成正比。

（3）降雨開(kāi)始后，邊坡安全系數(shù)隨著暫態(tài)飽和區(qū)的擴(kuò)展不斷降低；降雨停止后，邊坡安全系數(shù)隨著暫態(tài)飽和區(qū)的消散緩慢升高。

（4）降雨過(guò)程中，邊坡暫態(tài)飽和區(qū)面積、安全系數(shù)均與降雨強(qiáng)度成正比。

［1］ 夏瓊，竇順，王旭.不同降雨模式下土質(zhì)路基邊坡滲流場(chǎng)研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2014（9）.

［2］ 李濤，徐偉青，曾鈴.強(qiáng)降雨對(duì)路堤邊坡滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性影響研究［J］.公路工程，2013，38（4）.

［3］ 蔣中明，曾鈴，付宏淵，等.極端久雨條件下軟巖邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014，27（2）.

［4］ 夏元友，張亮亮.考慮降雨入滲影響的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.公路交通科技，2009，26（10）.

［5］ 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制［M］.第二版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

［6］ 顧慰慈.滲流計(jì)算原理及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2000.

［7］ 蔣中明，唐靜，謝剛，等.汝郴高速公路軟巖邊坡巖體滲透性現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)研究［J］.公路與汽運(yùn)，2010（6）.

［8］ Papagiannkis A T，F(xiàn)redlund D G.Asteadystate model for flow insaturated-unsaturatedsoils［J］.Canadian Geotechnical Journal，1984，21（3）.

U416.1

A

1671-2668（2016）05-0089-05

2016-04-19