王寧偉，顏克順，梁家豪

(沈陽建筑大學 土木學院， 遼寧 沈陽 110168)

不同降雨類型對邊坡穩(wěn)定性的分析與研究

王寧偉，顏克順，梁家豪

(沈陽建筑大學 土木學院， 遼寧 沈陽 110168)

強降雨或長時間降雨引起的邊坡破壞對人類生命和財產(chǎn)造成了重大損失，分析降雨過程中邊坡滲流場和穩(wěn)定性隨時間和空間的動態(tài)變化對邊坡穩(wěn)定性研究和預(yù)測有重要意義。不同降雨類型是邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素之一，結(jié)合飽和-非飽和滲流理論，研究不同降雨類型下邊坡滲流場的變化規(guī)律。結(jié)果表明：不同降雨類型條件下，計算時間停止后，邊坡入滲深度有很大差別，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨循環(huán)次數(shù)增大而逐漸減??；體積含水率和孔隙水壓力改變深度隨降雨循環(huán)次數(shù)增大而逐漸增大。

降雨入滲；邊坡穩(wěn)定；降雨類型；孔隙水壓力

我國南方地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)歷時長、強度大、分布廣的降雨，這是滑坡、泥石流等自然災(zāi)害出現(xiàn)的主要誘導(dǎo)因素，據(jù)統(tǒng)計強降雨或者長時間的降雨會引發(fā)滑坡的出現(xiàn)，即邊坡的變形破壞與降雨入滲有密切的關(guān)系[1-2]。Lumb[3]率先研究了香港地區(qū)降雨和滑坡的關(guān)系，研究了地質(zhì)條件和降雨特性對斜坡穩(wěn)定性的影響。Buckingham[4]繪制了土壤學中的第一條土壤持水曲線。

本文采用飽和-非飽和滲流理論分析降雨條件下邊坡滲流場[5-6]的特性，研究不同降雨條件下邊坡孔隙水壓力、體積含水率的形成與變化規(guī)律，最后對降雨入滲過程中邊坡穩(wěn)定·非穩(wěn)定滲流場[7-9]進行計算，并分析降雨過程中邊坡的穩(wěn)定性。這對研究降雨條件下邊坡變形破壞機理，進行邊坡變形破壞預(yù)測有重要的指導(dǎo)意義。

1 計算原理與模型建立

1.1 計算原理

非飽和土是一種多孔介質(zhì)材料，當土體的含水率發(fā)生改變時，其體積、滲透性和強度等都會出現(xiàn)較大的變化[10]。邊坡的降雨入滲是一個從非飽和到飽和的過程，降雨過程中邊坡的表層會出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，在此過程中土體的滲透系數(shù)、體積含水率等都是變動的，因此描述降雨入滲過程的飽和-非飽和滲流理論[11]是非常重要的基礎(chǔ)理論。

非飽和土滲流基本方程[12]：

(1)

式中：kwx、kwy、kwz分別為x，y，z三個方向的滲透系數(shù)；Q為施加的流量邊界；mw為與基質(zhì)吸力變化有關(guān)的水的體積變化系數(shù)。

1.2 模型的建立

模型[13]的建立基于西南粉質(zhì)黏土和粉土的相關(guān)資料，而降雨強度則以中國氣象部門統(tǒng)計的全國降雨資料為標準。計算網(wǎng)格如圖1所示，計算網(wǎng)格單元的部分，其中粉質(zhì)黏土和粉土以0.5m為標準，基巖以1m為標準，因此網(wǎng)格單元的數(shù)量為2 443，節(jié)點數(shù)量為2 511。取位于馬道中間豎直截面B的特征點進行滲流結(jié)果分析研究。根據(jù)不同的降雨類型建立四個方案模擬邊坡的降雨入滲過程，并對比不同方案分析降雨對邊坡滲流場(體積含水率、孔隙水壓力)變化的影響，及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律。邊坡巖土體基本巖土參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 邊坡模型圖

表2 土層水文參數(shù)

2 計算方案

本模型巖土體基本物理力學參數(shù)見表1和表2，表層粉質(zhì)黏土飽和滲透系數(shù)為0.1m/d，中間粉土層飽和滲透系數(shù)為0.5m/d[14]，基巖滲透系數(shù)0.0001m/d，總降雨量為1 080mm，降雨強度保持不變?yōu)?80mm/d，降雨時間共6d，計算時長為24d，本組方案共分為4種降雨類型。方案1降雨類型為連續(xù)降雨6d，降雨停止后18d；方案2降雨類型為連續(xù)降雨3d，降雨停止9d，再降雨3d，停止9d；方案3降雨類型為連續(xù)降雨2d，降雨停止6d，依次循環(huán)，共循環(huán)3次；方案4降雨類型為連續(xù)降雨1d，停止3d，依次循環(huán)，共六個循環(huán)。各方案的降雨量之間關(guān)系如表3所示。

表3 計算方案

3 邊坡穩(wěn)定變化規(guī)律

3.1 降雨入滲對邊坡體積含水率的影響

以方案1、方案4為例分析不同降雨類型所導(dǎo)致的邊坡體積含水率變化，當降雨為方案1降雨類型時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最低是在連續(xù)降雨6d停止后，這時邊坡巖土體體積含水率如圖2所示，邊坡坡頂入滲深度為4m，形成將近3m的暫態(tài)飽和區(qū)，坡面存在積水向坡腳流動，在距離坡面2m處形成水流線，坡腳處地下水水位線迅速上升在坡腳處與坡面水流線匯聚，邊坡表層土體體積含水率為0.28～0.30之間。當降雨為方案4降雨類型時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為最低時為計算結(jié)束(24日)，圖3所示為計算時長21d最后一個降雨循環(huán)停止后的坡巖土體體積含水率，對比圖2有很多相似的地方，在A截面入滲深度為7m，邊坡坡面存在積水并向坡腳匯聚，在距離坡面0.6m形成水流線，在坡腳處與地下水水位線匯合[15]。邊坡表層深2m左右土體體積含水率在0.28～0.30之間，達到飽和形成暫態(tài)飽和區(qū)，在2m～5m深處，土體體積含水率為0.26～0.28之間，這是由于此次降雨持續(xù)時間僅為1d，降雨結(jié)束后雨水還沒有滲入到此區(qū)域所致。

圖2 方案1降雨類型體積含水率

圖3 方案4降雨類型體積含水率

圖4表示4種方案不同降雨形式條件下最后一個循環(huán)降雨結(jié)束時所對應(yīng)的邊坡中間B截面土體體積含水率隨邊坡高程的變化規(guī)律。從圖4中可以看出，4種方案不同降雨類型下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最低時對邊坡中間B截面的影響深度各不相同，方案1下邊坡的入滲深度為4.5m，在邊坡表層土體達到飽和狀態(tài)，體積含水率為0.3，隨著入滲深度加大，入滲底部體積含水率迅速降低，這是由于降雨強度很大，降雨持續(xù)條件下土體滲入部分絕大部分都處于飽和狀態(tài)。方案2下邊坡的入滲深度為5.5m，由于中間有9d的間歇期，所以第二輪降雨結(jié)束后入滲深度進一步加大，此循環(huán)降雨持時較長為3d，降雨停止時此次雨水滲入到邊坡入滲面處，所以入滲區(qū)底端體積含水率降低同樣很快，邊坡坡面4m范圍內(nèi)土體處于飽和狀態(tài)。方案3下最后一個循環(huán)降雨停止后(18d)邊坡的入滲深度為6.5m，邊坡坡面5m范圍內(nèi)土體處于飽和狀態(tài)，曲線在高程為17m～18m處出現(xiàn)拐點，這是由于降雨持時較短(2d)，此循環(huán)降雨結(jié)束后，此次入滲深度沒有達到邊坡滲入?yún)^(qū)的下端。方案4下最后一個循環(huán)降雨停止后(21d)邊坡的入滲深度為8m，由于此方案降雨持時僅為1d，所以坡面暫態(tài)飽和區(qū)范圍較為小2m，降雨停止后此循環(huán)雨水入滲深度4m左右，但前面降雨已入滲到8m深處，曲線在滲入?yún)^(qū)出現(xiàn)兩個拐點，第一個拐點在深4m處，是由于此次降雨結(jié)束后入滲深度，第二個拐點在深6m處，是第一層粉質(zhì)黏土與第二層粉土的交界處，由于土質(zhì)的水文參數(shù)不同，所以出現(xiàn)拐點。

圖4 截面B體積含水率隨高程變化

3.2 降雨入滲對邊坡土體孔隙水壓力的影響

不同降雨類型所導(dǎo)致的邊坡土體孔隙水壓力如圖5、圖6所示，方案1條件下，連續(xù)降雨6d停止時邊坡表層出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，孔隙水壓力大于0，深度距坡面大概2m左右，坡面存在積水向坡腳匯聚坡腳處，坡腳處坡面水流線與地下水水位線匯合。方案4條件下最后一個循環(huán)降雨1d停止時(第21日)，從圖6中可以看出由于降雨強度很大邊坡表層存在積水向坡腳流動，邊坡表層1m處出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)土體孔隙水壓力大于0，暫態(tài)飽和區(qū)下面土體孔隙水壓力為0kPa～-10kPa，此區(qū)域?qū)挾却蟾艦?m，邊坡滲流區(qū)域孔隙水壓力大部分在-20kPa～0kPa之間，雨水在邊坡中間入滲深度較深，但仍沒有滲透B截面到達地下水水位線。

圖5 方案1降雨類型孔隙水壓力

圖6 方案4降雨類型孔隙水壓力

圖7 截面B孔隙水壓力隨高程變化

圖7表示4種不同降雨形式條件下最后一個循環(huán)降雨結(jié)束時所對應(yīng)的邊坡中間B截面土體孔隙水壓力隨邊坡高程的變化規(guī)律。從圖7中可以看出，四種不同降雨類型對邊坡中間B截面的影響深度各不相同，前兩種降雨類型曲線在滲入段只有一個拐點，這是由于降雨時間較長，降雨停止時雨水已入滲到滲入?yún)^(qū)的下端；后兩種降雨類型曲線在滲入?yún)^(qū)有兩個拐點，由于降雨持時較短，降雨結(jié)束后此次降雨中的雨水沒有滲入到入滲區(qū)的最底端，最底端是由前面降雨所影響的孔隙水壓力的改變，所以會出現(xiàn)兩個拐點。從圖中還可以看出降雨持續(xù)時間越長邊坡表面土體孔隙水壓力越大，這是由于降雨強度大于土體入滲能力，所以邊坡表面存在積水，降雨時間越長積水相對越深。

3.3 降雨入滲對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

4種不同降雨類型所導(dǎo)致的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表4和圖8所示，降雨前邊坡初始安全系數(shù)為1.1685，方案1降雨使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低0.0573，降低率為4.91%，方案2使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低6.19%，前兩種方案使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低較小，這是由于降雨強度很大，邊坡巖土體滲透系數(shù)較小時，連續(xù)集中降雨使雨水大部分沒有滲入到邊坡巖土體內(nèi)部，而是順著坡面流入到坡底，最終流到地勢較低的地方。方案3使安全系數(shù)降低8.16%，方案4使邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低了0.1882，降低率高達16.11%，說明當降雨強度很大時，降雨在時間上相對較分散，對邊坡的危害更大，這種情況在南方進入到雨季以后經(jīng)常發(fā)生，所以對于潛在滑動的邊坡，做好相應(yīng)排水的同時也要相應(yīng)做好加固措施。

圖8 不同降雨類型下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨時間變化

4 結(jié) 論

本文運用GeoStudio軟件對不同降雨類型下邊坡穩(wěn)定性進行了深入的計算分析，得出以下結(jié)論：

(1) 總降雨量(1 080mm)、降雨強度(180mm/d)、降雨時間(6d)均不變，計算時長24d。則不同降雨類型條件下，計算時間停止后，邊坡入滲深度有很大差別。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨循環(huán)次數(shù)增大而逐漸減小，當降雨時間相對分散時，使雨水入滲在時間上存在滯后的現(xiàn)象，這種減小更加明顯。若降雨強度較小，邊坡巖土體滲透性較大時，這種現(xiàn)象基本不會出現(xiàn)。

(2) 不同降雨類型條件下，計算時間停止后，邊坡入滲深度有很大差別，體積含水率和孔隙水壓力改變深度隨降雨循環(huán)次數(shù)增大而逐漸增大。

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Slope Stability Analysis Under Different Rainfall Types

WANG Ningwei, YAN Keshun, LIANG Jiahao

(SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China)

The damage happened on slope which is under heavy rainfall or long-time rainfall caused a great loss to human life and property, the dynamic analysis of the temporal and spatial variation of slope seepage and stability in the process of rainfall has important significance for the research and prediction of slope stability. Different types of rainfall are one of the main factors of slope failure, and the variation law of seepage field of slope under different rainfall types is studied by using saturated-unsaturated seepage theory. The results show that the slope safety depth decreases with the increase of the number of rainfall cycles, and the depth of volume and pore water pressure decreases with the increase of the rainfall depth.

rainfall infiltration; slope stability; rainfall type; pore water pressure

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.029

2017-03-23

2017-04-24

顏克順(1992—)，男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向為邊坡穩(wěn)定性分析與研究。 E-mail：401110447@qq.com

P642.2

A

1672—1144(2017)04—0148—05