降雨入渗对边坡浅层稳定性的影响

王一兆，隋耀华

(广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010)

降雨入渗对边坡浅层稳定性的影响

王一兆，隋耀华

(广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010)

为研究降雨入渗对边坡浅层滑动面稳定性的影响，基于非饱和渗流理论，分析浅层滑动面在降雨期和停雨期的渗透系数和孔隙水压力，得出了边坡浅层滑动面稳定性的变化规律。结果表明：降雨期间，坡脚处孔隙水压力增大至饱和，坡顶处孔隙水压力持续增大接近饱和，停雨后坡顶处孔隙水压力降幅大于坡脚处；降雨前期各滑动面稳定性均持续减小，降雨后期坡顶滑动面安全系数趋于收敛，但坡脚滑动面安全系数仍持续减小；停雨后浅层滑动面安全系数均增大，深层滑动面则呈波动状态。

降雨入渗;边坡稳定性;非饱和渗流;非饱和土;安全系数

1 研究背景

我国作为地质灾害多发的国家，山体滑坡经常发生于降雨期间，且坡脚处浅层滑动面较为多发。前期降雨对边坡稳定降雨阈值和不同土质边坡稳定性均有显著影响[1-2]。降雨入渗对软岩边坡的失稳影响主要表现为初期的表层局部分层垮塌和后期的整体滑移[3]。降雨对厚覆盖层边坡的渗流影响表现为暂态饱和区先形成在坡脚及各级台阶处，再向边坡坡面扩散，停雨后则顺序相反[4]。降雨对边坡失稳影响的模型试验表明高强度降雨易使边坡产生流滑破坏，低强度降雨易使边坡深层土体孔隙水压力增大而导致较大规模的滑动型破坏[5]。降雨和蒸发对边坡表层滑动稳定性影响较大，对深层滑动稳定性影响较小，降雨过程边坡的临界滑动面由深向浅转变，而蒸发过程则相反[6]。

本文以均匀土质边坡为例，基于非饱和渗流理论，分析非饱和土边坡内渗透系数与孔隙水压力的变化，运用Morgenstern-Price方法研究降雨条件下的浅层边坡稳定性。

2 非饱和渗流理论

2.1 非饱和渗流计算

非饱和渗流计算的控制性方程为

(1)

土-水特征曲线常用Fredlund&Xing模型[7]，其表达式为

(2)

(3)

式中：θW为体积含水率；θs为饱和体积含水率；e为自然底数；m为与残余含水率相关的参数；n为与土-水特征曲线拐点段斜率相关的参数；a为体积含水量函数的拐点对应的基质吸力，约为土中空气进入值；ψ为基质吸力；ψr为残余含水率对应的基质吸力。

2.2 计算模型及边界条件

图1 计算模型Fig.1 Numerical model of slope

以广州市萝岗区某均匀土质边坡为例进行计算，坡高16m，分为2级，设置1级宽为2m的平台。为了减小边界条件对计算结果的影响，将坡脚和坡顶的范围进行延伸，模型如图1所示。渗流计算模型的边界条件如下：在模型两侧，地下水位以下为定水头边界，地下水位以上为零流量边界；左右两侧总水头分别为10m和25m；底部为不透水边界。

本文的降雨模拟边界条件如下：坡顶、坡底及斜坡面均为降雨入渗边界；研究分析时间共15d，其中降雨持续时间为10d，日均降雨量为50mm；停雨时间为5d。日均降雨量、累计降雨量和时间的关系如图2所示。

图2 降雨量与时间关系曲线Fig.2 Curves of rainfall vs. time

根据边坡土体的类型，土-水特征曲线采用了GeoStudio软件中SEEP/W渗流分析模块的典型样本函数，如图3(a)所示；渗透系数函数基于Fredlund&Xing模型并根据土-水特征的样本函数及饱和渗透系数计算获得，如图3(b)所示。

图3 土-水特征曲线和渗透系数函数Fig.3 Soil-water characteristic curve and function of permeability coefficient

边坡为均质土体，物理力学参数见表1。表中γsat为饱和重度；c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；ksat为饱和渗透系数；φb为由基质吸力对抗剪强度贡献的摩擦角，其为基质吸力的函数，本文假定为常数。

表1 边坡土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

3 非饱和土边坡稳定性分析

抗剪强度采用Fredlund等[8]提出的非饱和强度公式，其表达式为

τ=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uW)tanφb。

(4)

式中：τ为非饱和土抗剪强度；σn为传统的法向应力；c′和φ′为传统的有效应力强度参数；ua为孔隙气压力，认为孔隙气压力值为大气压力；uW为孔隙水压力；本文中(σn-ua)为法向应力；(ua-uW)为基质吸力。

使用GeoStudio软件的SEEP/W渗流分析模块计算边坡的非饱和瞬态渗流场，获得降雨期边坡瞬态渗流结果，将各阶段孔隙水压力分布的结果导入SLOPE/W模块中计算边坡稳定性。边坡稳定计算采用Morgenstern-Price法，浅层滑动面由人工指定，最危险滑动面由程序自动搜索确定。

4 计算结果分析

为获得边坡不同位置的浅层稳定性在降雨过程及停雨后的变化规律，对比分析各滑动面典型位置的渗透系数、孔隙水压力和滑动面的安全系数。各滑动面位置如图4所示。为便于分析各滑动面的渗流场，在坡顶、坡底和坡体深部的滑动面中部绘制相应的纵向剖面。

图4 各滑动面及其典型剖面Fig.4 Slip surfaces and typical section

4.1 降雨入渗对渗透性的影响

图5 不同位置的渗透系数Fig.5 Permeability coefficients at different sections

不同位置的渗透系数见图5。坡顶浅层滑动面典型剖面的渗透系数如图5(a)所示。在降雨期，随着入渗的持续，土体浅层的渗透系数持续增加，下部土层渗透系数亦随降雨过程而增加；在降雨持续到第10天时，5 m深度范围内渗透系数达到降雨期最大值。停雨后，7 m以上浅层土体的渗透系数迅速降低，降幅随时间增加而减小。

坡体深部滑动面典型剖面的渗透系数如图5(b)所示。降雨期间深度在11 m范围的渗透系数均持续增大；在停雨前，3 m以下土层渗透系数已达到饱和渗透系数。在停雨后，4 m深度范围内的渗透系数均快速降低，4 m深度以下区域未受影响。

坡脚处浅层滑动面典型剖面的渗透系数如图5(c)所示。在降雨阶段，坡体各深度渗透系数均快速增大，在降雨的第10天时，各深度渗透系数均已达到饱和渗透系数。在停雨后，浅层土体渗透系数迅速减小，停雨5 d内受影响的范围仅为表层2 m。

4.2 降雨入渗对孔隙水压力的影响

图6为不同位置的孔隙水压力。

图6 不同位置的孔隙水压力Fig.6 Pore water pressures at different sections

坡顶处浅层滑动面典型剖面的孔隙水压力如图6(a)所示。降雨开始后，浅层土体孔隙水压力迅速增加，并随降雨的持续而趋于0，说明坡顶孔隙水压力受降雨入渗影响明显而迅速。在停雨后6 m深度范围内孔隙水压力逐渐减小，且孔隙水压力随深度增加呈增大趋势。

位于坡体深部滑动面的孔隙水压力如图6(b)所示。降雨开始后，土层孔隙水压力随深度增加呈先减小后增大规律；随着降雨持续，地下水位不断抬升，在降雨第10天时水位上升至-2 m。停雨后浅层孔隙水压力缓慢减小；在停雨后5天，0 m处孔隙水压力为-28.27 kPa。

坡脚处孔隙水压力变化如图6(c)所示，坡脚位置较低，各深度孔隙水压力均> -40 kPa。降雨期间坡体7 m深度的孔隙水压力均呈上升趋势，在降雨的第10天各深度孔隙水压力几乎为正值，即代表该滑动面的典型剖面已处于地下水位以下，滑动面土体大部分为饱水状态。

4.3 降雨入渗对边坡稳定的影响

图7为安全系数、安全系数降幅与时间的关系。

图7 安全系数、安全系数降幅与时间的关系Fig.7 Relationship of safety factor and the decline margin of safety factor vs. time

深层滑动面及各浅层滑动面的安全系数如图7(a)所示。为便于对比各区域浅层滑动安全系数的变化幅度，将安全系数降幅与时间关系绘于图7(b)。在降雨前，坡脚和坡顶处浅层滑动面的安全系数均接近2.5。降雨期间的前4 d，受坡面入渗雨水持续下渗的影响，坡脚和坡顶处滑动面安全系数都迅速降低，降幅亦较为接近。在降雨的第5天开始出现差异：坡顶处浅层滑面安全系数降幅减小且趋于收敛，在第10天时达到32.2%；坡脚处浅层滑面安全系数降幅仍然较大，未呈收敛状态，在第10天时达到43.0%。降雨期间坡脚和坡顶处滑动面的安全系数变化表明坡脚处滑动面孔隙水压力持续稳定增大，在降雨期的前半段时间内，坡顶处滑动面孔隙水压力持续稳定增大，这主要是由坡脚处地下水位快速上升使得孔隙水压力增大引起的，而坡顶处地下水位上升较为缓慢。停雨后，坡脚和坡顶处滑动面安全系数均随时间持续增大；但坡脚处整体表现为波动上升，这是由上部斜面雨水入渗和下部斜面原有雨水下渗综合作用引起的；坡顶处呈稳定上升，主要是由单一入渗源的坡顶雨水入渗中止引起的。

对于深层滑动面，其安全系数在降雨期间随降雨持续而减小，但降幅随时间增加而增大，产生这种现象的主要原因是深层滑动面位于坡体内部，临界滑动面处孔隙水压力受降雨入渗影响的时间较长且较滞后。在降雨期间安全系数由1.470降至1.098，降幅为23%。在停雨后5 d内，安全系数未迅速减小，而呈现为上下波动，主要是由于地下水位以上非饱和土体的持水受重力作用下在停雨后仍不断下渗，临界滑动面各处的孔隙水压力在顶部补给和底部下渗的综合影响下并未出现明显变化，因此水位线未因降雨停止而出现骤降，最终表现为停雨后5 d内仍持续波动。对比降雨前和停雨后的安全系数，停雨期间安全系数的降幅在24.2%～25.4%之间。

5 结 论

(1) 坡顶浅层渗透系数随降雨持续增加，地下水位以上土层渗透系数趋于定值；坡脚浅层渗透系数随降雨持续而明显增大，在停雨前1 d各深度均接近饱和渗透系数值。在停雨后各坡脚渗透系数降幅较小，坡顶处较大。

(2) 降雨过程中坡顶滑动面的孔隙水压力逐渐趋于0，均未达到饱和状态；坡脚滑动面孔隙水压力持续增大并达到正值，部分土层达到饱和状态。

(3) 降雨前4 d坡顶和坡底的浅层滑动面稳定性均随降雨持续减小；第5天后坡顶处滑动面因安全系数降幅减小并趋于收敛而稳定性变化不大，而坡脚处滑动面因安全系数仍持续降低而稳定性变差；深层滑动面的安全系数在降雨期间因滑动面较深而降幅逐渐增大；停雨后浅层滑动面安全系数均持续增大，深层滑动面安全系数由于顶部补给和底部下渗的综合影响而变化不大。

[1] 杨 攀,杨 军. 考虑前期降雨的边坡稳定降雨阈值曲面[J]. 岩土力学, 2015, 36(增1): 169-174.

[2] 唐 栋,李典庆,周创兵,等. 考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J]. 岩土力学, 2013, 34(11): 3239-3248.

[3] 付宏渊,曾 铃,王桂尧,等. 降雨入渗条件下软岩边坡稳定性分析[J]. 岩土力学, 2012, 33(8): 124-130.

[4] 蒋中明,曾 铃,付宏渊,等. 降雨条件下厚覆盖层边坡的渗流特性[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(7): 329-335.

[5] 林鸿州,于玉贞,李广信,等. 降雨特性对土质边坡失稳的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(1): 203-209.

[6] 魏 宁,茜平一,傅旭东. 降雨和蒸发对土质边坡稳定性的影响[J]. 岩土力学, 2006, 27(5): 97-100, 105.

[7] FREDLUND D G,XING A. Equations for the Soil-water Characteristic Curve[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31(4): 521-532.

[8] FREDLUND D G,RAHARDJO H, FREDLUND M D. Soil Mechanics for Unsaturated Soils[M]. New Jersey: John Wiley & Sons, 1993.

[9] 王叶娇,曹 玲,徐永福. 降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析[J]. 长江科学院院报, 2013, 30(9): 75-79.

(编辑：占学军)

Influence of Rainfall Infiltration on Slope Stability at Shallow Layer

WANG Yi-zhao, SUI Yao-hua

(Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010, China)

In the aim of investigating the influence of rainfall infiltration on slope stability at shallow surface, the permeability coefficient and pore water pressure of slip surface of shallow layer in rainy period and non-rainy period were analyzed based on unsaturated seepage theory. The rule of slope stability variation in shallow layer was also researched. Results showed that in rainy period pore water pressure at slope toe increased to saturation, and at slope top increased until approaching saturation. After rainfall stopped, the decline margin of pore water pressure at slope top was larger than that at slope toe. In the early stage of rainfall, the stability of slip surfaces decreased continuously, and in the later stage of rainfall the safety factor of slip surface at slope top tended to convergence; whereas the safety factor at slope toe kept decreasing.After rainfall stopped, the safety factors of slip surfaces in shallow layer all increased; while the safety factor of deep layer fluctuated.

rainfall infiltration; slope stability; unsaturated seepage; unsaturated soil; safety factor

2016-02-01；

2016-06-15

王一兆(1986-)，男，广西博白人，工程师，博士，研究方向为地质灾害防治工程勘察设计及地质灾害防治技术，(电话)13450205070 (电子信箱) wangyizhao@dtsjy.com。

10.11988/ckyyb.20160107

2017,34(4):122-125

TU432

A

1001-5485(2017)04-0122-04