降雨对非饱和土质边坡含水率的影响分析

2015-12-21孙志杰

水利与建筑工程学报 2015年6期

孙志杰

(山西省交通科学研究院，黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原030006)

边坡稳定性受各种内在和外在因素的影响，这些因素包括坡体几何形态、土体物理力学特性、地震力、降雨条件等，其中降雨是导致土质边坡滑坡、坍塌的主要因素之一。

目前，国内外学者在此方面已开展了大量的研究，文献［1－2］简要分析了多孔介质非饱和渗流力学模型，对降雨入渗工况下边坡坡体内渗流场分布进行了研究。文献［3］分析了降雨入渗条件下的水力学参数的敏感性，得出渗透性差的土质对土水特征曲线拟合参数的影响程度较渗透性好的土质要强。文献［4－7］研究了降雨因素(雨强、历时、前期降雨、土体渗透特性以及降雨类型等)对边坡稳定性的影响。文献［8－9］采用改进的灰色关联评价方法对黄土高边坡稳定性进行评价。文献［10］分析了边坡含水率和抗剪强度随降雨时间的变化特性，建立了持续小强度降雨入渗条件下非饱和边坡土的总黏聚力和内摩擦角与时间的关系。文献［11］对降雨入渗通道对黄土开挖边坡影响进行分析，得出降雨入渗通道间距与坡高拟合关系式。

上述文献对不同降雨要素下边坡土体孔隙水压力的影响规律的分析居多，且多以边坡某一特定部位(如坡肩)进行分析，对边坡稳定性分析居多。同时在进行非饱和土体的土水特征曲线试验时需专用仪器且耗时较长。基于此，本文通过试验得到土体饱和含水率等参数，结合SEEP/W提供的典型含水率函数得出满足模型要求的孔隙水压力－渗透系数曲线，建立有限元数值模型对降雨入渗条件下土质边坡土体含水率分布的变化规律进行研究。通过边坡土体含水率分布结合现有边坡稳定性分析方法，得到安全系数的变化规律。

1 非饱和土渗流模型建立

把降雨入渗条件下土质边坡的渗流问题简化为典型的二维非饱和渗流问题，达西定律仍然适用。土体内非饱和渗流控制方程形式为［4］:

式中:h为总水头;kx、ky为x、y方向的渗透系数;Q为汇源项;mω为土水特征曲线斜率的绝对值;ρω为水的密度;g为重力加速度;t为时间。边界条件:

根据软件提供的不同类型土的典型含水率函数［12］，试验获得土体饱和含水率为47%，残余含水率为 4.7%。

试验使用GEO－Experts应力相关的土水特征曲线压力板仪系统。试验前对土样进行充分饱和，并进行预固结。通过调节垂直气动加载系统，间隔一定时间调整基质吸力，读取水体积。然后进行下一级基质吸力加载，循环得出土样基质吸力对应试样中水体积的变化。通过实验得到的的土－水特征曲线如图1。

渗透系数与孔隙水压力曲线如图2所示，饱和渗透系数 k=1×10－5m/h。

2 模型和计算方案

以某一均质边坡为研究对象，其各项同性，不计变形对渗流的影响。边坡几何尺寸见图3。模型采用SEEP/W模拟，边界条件:坡表为流量边界q=0.001 m/h。当雨强小于坡表入渗能力时，入渗速率取雨强，渗流边界为流量边界;当雨强大于坡表入渗能力时，边界条件转换为给定水头边界条件。不考虑地下水位的影响。有限元模型如图4所示。

图1 土－水特征曲线

图2 渗透系数－孔隙水压力曲线

图3 边坡几何尺寸及监测断面布置(单位:m)

为分析边坡不同部位以及不同土层深度的土体含水率的变化规律，故特设置如图3所示的特征剖面及特征点来对边坡在降入条件下的渗流特性进行研究。

同时将渗透系数对土体含水率的变化规律进行了研究，采用表1的计算工况。

对不同饱和渗透系数条件下的土质边坡进行了渗流计算，持续总时长为24 h。重点对不同工况下坡顶平台中部、坡肩、坡体中部、坡脚、坡底平台中部坡表以下5 m深度范围内含水率竖向变化进行分析。

图4 边坡降雨有限元模型

表1 考虑土体饱和渗透系数影响的计算方案

3 计算结果分析

3.1 降雨持时影响

以渗透系数k=1×10－5m/h为例，图5为工况A断面Ⅲ地表不同深度处含水率随降雨历时的变化曲线。

图5(a)和图5(b)含水率变化曲线基本相同。可以看出，降雨1 h时，不同深度土体含水率差异不大，约为20%。随着降雨时间的增加，坡表土体含水率迅速增加，但由于土体入渗能力有限，随着入渗深度的增加，含水率迅速衰减，并在坡表以下1.3 m处减小至最小值，从1.3 m到2 m，含水率有稍许回升，而后逐渐减小直至趋于稳定。坡表土体含水率在降雨24 h时达到41%，增加了约1倍。且2 h～8 h，含水率增长最快;到 8 h时，含水率已增至40.5%;后期8 h～24 h，含水率几乎不变。

对于图5(c)，降雨8 h时，坡表含水率已达到工况A、工况B历时24 h的含水率41%;降雨大于18 h，入渗影响深度由工况A、工况B的1.3 m增加到3 m;降雨24 h土体含水率达到46%。

综合对比图5(a)、图5(b)、图5(c)，当渗透系数较小时，渗透系数对土体含水率影响较小，当渗透系数增大到一定程度，渗透系数变化对水入渗深度及表层一定范围内含水率变化影响较大。

图5 含水率随地表深度变化曲线

3.2 渗透系数影响

为进一步分析边坡不同部位含水率受渗透系数及降雨历时的影响，提取坡肩Ⅱ断面、坡中Ⅲ断面、坡脚Ⅳ断面各工况含水率时间曲线，如图6所示。

图6(a)，工况A、工况B含水率变化规律相同，从1 h～6 h，含水率增大到约40%，之后含水率基本保持稳定。工况C含水率6 h～18 h继续保持增长态势，增幅较之前稍小。18 h后含水率基本稳定，含水率达到48%，约为A、B的1.22倍。

图6(b)变化规律同图6(a)，不同之处在于三条曲线重合段从坡肩断面的6 h推迟到坡中断面的8 h。工况A、工况B稳定含水率也为40%，工况C含水率24 h达到46%，约为工况A、工况B的1.15倍，且并未趋于稳定。

图6(c)中三条曲线重合度较高，变化规律同图6(a)、图6(b)均不同。还表现在1 h～12 h，工况C含水率均稍小于工况A、工况B。

综合图6得出，坡肩位置，坡表含水率主要受渗透系数及降雨历时决定，坡中位置受边坡上部水下渗，含水率得到部分补充。到坡脚位置，边坡坡脚以上下渗水的补充效果更显著。

图6 含水率随降雨历时变化曲线

3.3 边坡不同部位

除坡体部分外，本文还对边坡上、下平台土体含水率进行了研究，如图7(a)为坡表不同部位含水率曲线、图7(b)为距坡表1 m处含水率曲线。

图7 边坡不同部位含水率变化曲线

由图7(a)可看出，由于没有入渗水源补给，坡顶平台中部断面含水率在整个降雨历程中均处于低位;坡脚和坡底平台中部断面含水率变化规律相似，降雨1 h～4 h、降雨10 h～24 h，Ⅳ、Ⅴ断面坡表含水率均为5个监测点最高;坡肩和坡中断面含水率变化规律相似，在降雨初期和末期，Ⅱ、Ⅲ断面地表含水率居中;4 h～10 h，坡肩和坡中断面坡表含水率超出坡脚和坡底中部断面，且Ⅱ、Ⅲ断面含水率在6 h～8 h以后基本趋于稳定。由于有坡体入渗水的补充，Ⅳ、Ⅴ断面直至10 h～12 h才趋于稳定。

与图7(a)不同的是，图7(b)含水率随降雨历时变化幅度较小。且含水率在降雨初期先减小，后趋于稳定。在整个降雨历程中Ⅳ、Ⅴ断面坡表含水率均为5个监测点最高;Ⅰ、Ⅲ断面居中，坡肩地表下1 m处含水率最小。分析由于边坡坡度较大，坡肩地表下1 m处受水平入渗的影响导致该处含水率较小。