降雨入渗条件下边坡稳定性分析

2014-07-25王立中

铁道勘察 2014年1期

关键词：非饱和吸力渗流

王立中

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

降雨入渗条件下边坡稳定性分析

王立中

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

基于非饱和土力学理论，利用有限元方法对降雨条件下边坡的饱和-非饱和渗流及稳定性进行探讨。数值分析表明，雨水入渗使边坡非饱和区土体的基质吸力减小，是导致边坡稳定性降低的主要因素。

降雨入渗渗流场孔隙水压力边坡稳定性

降雨入渗边坡一方面使土体的孔隙水压力增加，有效应力降低，导致土体抗剪强度降低[1，2]；另一方面，降雨入渗使边坡体内形成暂态饱和区及暂态水压力，降低了边坡非饱和区的基质吸力，导致边坡的稳定性降低[3]。在降雨条件下，对边坡的渗流规律进行研究，通过数值软件分析，确定土体内水分的分布情况和孔隙水压力的变化规律。最后，对边坡稳定性进行评价。

1 基本理论

1.1 降雨入渗引起的暂态渗流场和强度场

根据水动力学理论可知，水在非饱和土中的渗流也服从达西定律，但非饱和土的渗流系数k不是常量，而是饱和度或基质吸力的函数，该函数常被称为渗透性函数。在土坡稳定性分析中，当地下水位埋藏较浅时，非饱和区土壤水运动和饱和区地下水的运动是互相联系的，渗流分析中应将两者统一进行研究，即所谓饱和、非饱和流动问题。对于考虑渗透各向异性的二维饱和、非饱和流动问题[4]，非稳态渗流的偏微分方程式为

(1)

其中kx，ky分别为x和y方向的大、小渗透系数；mω为水的体积变化系数；γω为水的容重，对于各向同性的土，只要令式中kx=ky=k(ua-uω)即可。在饱和区，水的渗透系数等于饱和的渗透系数ks，水的体积变化系数mω便趋于水的体积变化系数mv；在非饱和区，水的渗透系数k=k(ua-uω)，即为基质吸力的函数。

通过求解式(1)，即可得到坡体内的渗流场，采用GEO—SLOPE公司的Seep/W软件对式(1)进行有限单元法求解。边界条件定义为：当降雨强度大于体渗透系数时，采用定水头边界条件；反之，采用流量边界条件。

文献[5]认为，非饱和土的抗剪强度由有效粘聚力c′、净法向应力(σ-σa)引起的强度以及基质吸力(ua-uω)引起的强度组成。净法向应力引起的强度与有效内摩擦角有关，而基质吸力引起的强度与另一角度φb有关。即

(2)

式中c′,φ′为有效黏聚力和有效内摩擦角；φb为强度随基质吸力变化的内摩擦角。大量试验表明，φb随着基质吸力的变化而变化。

1.2 考虑降雨入渗的边坡稳定性分析

降雨入渗是边坡失稳破坏的主要诱导因素，降雨引起土体的含水量增大，使边坡土体的基质吸力减小，孔隙水压力增大[6]。含水量增大使土体的抗剪强度减小[7，8]，导致边坡稳定性降低。对土质边坡来说，黏聚力随含水量的增大迅速降低，边坡很有可能因此而失稳。

在考虑降雨入渗的边坡稳定性分析时，先通过渗流有限元计算得到土坡内的含水量和孔隙水压力的分布情况，再用有限单元法求得土质边坡内重力场的变化情况，最后运用条分法进行安全系数计算.并采用网格法搜索最危险滑移面[9，10]。

2 数值模拟

2.1 边坡模型的建立和降雨方案的设置

现以一典型边坡为例，分析暴雨条件下渗流的发展过程及其对边坡稳定性的影响。边坡计算剖面如图1所示。γ=19.2 kN/m3，有效黏聚力c′=24.3 kPa，有效内摩擦角φ′=23.8°。降雨前坡脚右侧地下水水位埋深为10 m，边坡坡体内初始孔隙水压力场分布如图2所示。饱和情况下的渗流系数取kx=ky=5.1×10-5m/s，渗流计算时，降雨强度取2.3×10-5m/s。

图1 算例边坡计算模型(单位：m)

图2 初始孔隙水压力分布(单位：kPa)

图3表达了降雨2天后边坡坡体内孔隙水压力的分布情况。

图3 降雨2天后坡体内孔隙水压力分布情况(单位：kPa)

边坡的安全系数(Janbu法)与降雨历时的变化关系如4图所示。

图4 边坡安全系数与降雨历时的关系

从图4可以看出，随着降雨历时的增加，边坡的安全系数急剧减少，并在坡体基本达到饱和后趋于一稳定值，由于雨水入渗引起边坡安全系数降低的最大幅度达34.2%。随着降雨强度的减弱，渗流速度大于下渗强度，边坡的稳定性系数又随着孔隙水的流出而升高。雨水入渗使边坡体内形成暂态饱和区及暂态水压力，降低了边坡非饱和区的基质吸力，使土体的抗剪强度减小，从而导致边坡稳定性降低。