降雨入渗对非饱和黄土边坡稳定性的影响分析

李 雪 浩

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)

降雨入渗对非饱和黄土边坡稳定性的影响分析

李 雪 浩

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)

开展降雨条件下黄土边坡的非稳态渗流有限元计算，分析降雨过程中黄土边坡孔压分布以及边坡稳定系数的变化规律，得出以下结论：降雨导致的非饱和黄土边坡表层土体基质吸力丧失是诱发浅层滑坡的重要原因。

降雨，非饱和，黄土，基质吸力

1 概述

随着山西省高速公路的飞速发展，黄土滑坡成为一种常见的地质灾害。降雨是诱发黄土滑坡的一个重要因素。山西地处黄土高原，黄土分布广泛，由于常年降雨量偏小，黄土通常处于非饱和状态。根据统计结果，山西地区年降雨量多集中在6月份～9月份，占全年降水量的60%～80%，且以暴雨为主，降水量集中而短暂。而黄土滑坡也主要发生在6月份～9月份，其间发生的滑坡数目约占全年的55%。

黄土作为一种特殊土，具有其独特的细观结构。黄土土粒多以粉粒为主，孔隙较大，毛细作用明显，天然状态下含水率较低。根据山西地区的设计经验，在合适的坡率下，天然状态下的黄土边坡往往呈非饱和状态，有足够的抗剪强度维持坡体的稳定状态；而一旦降雨入渗，降雨影响范围内的土体含水量增大，基质吸力减小，同时黄土大孔隙的构造又会增强土体的吸渗能力，使降雨影响区域加深。斜坡在下滑力增大，抗滑力减小的双重不利作用下失稳破坏[1]。研究降雨入渗对非饱和黄土边坡的破坏机理是黄土边坡优化设计的理论基础，对相关的工程设计和施工有一定的指导和借鉴意义。

2 非饱和土理论

非饱和土是土，水，气的三相体，孔隙中气压与孔压之差称为基质吸力[2]。一般若空气连通时，基质吸力大小等于孔压的负值，负孔压的增大意味着基质吸力的减小，基质吸力对土体强度有增强作用。随着土体中含水量增加，土体饱和度增大，渗透系数增大，基质吸力逐渐消失，土体的强度下降[2,3]。

2.1 非饱和土渗流理论

非饱和土中孔隙水的流动仍然服从达西定律。不同的是：1)饱和土中的孔压为正值，而非饱和土中为负值；2)饱和土中渗透系数可以看做是常量，而非饱和土渗透系数为变量，随着含水率的增加而增大。一维状态下土体的渗流方程如下：

2.2 非饱和土抗剪强度理论

非饱和土的强度准则需要考虑基质吸力的影响，最常用的是Fredlund等提出的非饱和土双应力变量强度准则。

τf=c′+σtanφ′+ustanφb′。

其中，us为基质吸力;φb为us引起的等效内摩擦角，随着基质吸力的变化而变化。

3 非饱和黄土边坡在降雨过程中的状态变化

3.1 模型建立

结合一个均质黄土边坡模型分析降雨过程中边坡的状态变化。由于降雨常常在大范围内进行，采用模型水平长度为60 m，高度为25 m，坡率为1∶2。水位线位于地下5 m，初始基质吸力在水位线以上5 m范围内随深度呈线性分布，再向上则不再变化。黄土的体积含水量和渗透系数随基质吸力的变化见图1,图2。考虑到强降雨和持续降雨往往会引起滑坡，降雨量采用100 mm/d，持续24 h，并考察在降雨结束后144 h时长内的边坡状态变化。

3.2 土体孔压变化

分析坡肩部位不同时刻孔隙水压力随深度变化的曲线可知(见图3)，与初始条件相比，降雨后边坡表层范围土体孔压变化较大，并且逐渐由负孔压向正孔压转变。在降雨初期，坡体表面下2 m范围内孔压增大尤为明显；降雨达16 h时，孔隙水压力增加了33 kPa。随着降雨的进行，降雨影响深度逐渐加深，当降雨进行到20 h时，坡面下3 m范围内的孔压出现增大。降雨达24 h时，表层土体孔压达到-10 kPa，土体的非饱和区大大缩小。孔隙水压力的增加意味着基质吸力的丧失，随着降雨的进行，表层土体的基质吸力迅速减小，并且降雨影响范围也逐渐向下延伸。基质吸力的减小使得边坡表层土体的抗剪强度快速下降，最终导致浅层滑坡的发生。从图3b)中可以看出，在降雨完成后，由于缺乏雨水补给，表层土体的基质吸力又逐渐增加，但由于模型没有考虑蒸发效应，基质吸力的增加较为缓慢。这表明降雨结束后，随着水分的蒸发，土体的基质吸力又逐渐恢复，抗剪强度增加。

3.3 边坡内部孔隙水压力分布变化

从图4中可以看出，在初始状态下，水位线以上土体为非饱和状态，水位线4 m以上范围内基质吸力表现为负孔压，大小为-40 kPa。在降雨达3 h时，由于雨水沿坡面的径流，坡脚处孔压率先增大到-20 kPa，坡脚土体基质吸力逐渐丧失，向饱和土转变。在降雨达24 h时，坡面1 m范围的土体孔压增大到-20 kPa，-40 kPa的非饱和区明显缩小，表层土体逐渐趋于饱和。在降雨后144 h，由于没有雨水补给，表层土体转变回非饱和状态，并且由于雨水在坡体内部持续渗流，-40 kPa的非饱和区继续缩小。

可以看出，坡脚处土体对降雨的响应最为明显，该处土体强度的降低对边坡稳定性的影响很大，所以坡脚处的防护排水尤为重要。此外，坡面表层土体基质吸力变化亦较为明显，随着降雨进入表层土体经历了由非饱和到饱和再到非饱和的动态变化过程[3,4]，这个过程中基质吸力的逐渐丧失是非饱和土坡在降雨工况下发生浅层滑坡的重要原因，所以坡面排水设施的布置至关重要。

3.4 边坡稳定系数随降雨历时变化

在降雨产生的渗漏场基础上，采用极限平衡理论计算边坡的稳定性。从边坡稳定系数随降雨历时的变化曲线可以看出(见图5)，在降雨发生的24 h内，边坡稳定系数迅速下降；在降雨结束后，随着雨水向土坡内部的渗流，边坡稳定系数缓慢下降。实际工程中，降雨结束后，蒸发作用会使得边坡内土体含水量减小，基质吸力逐渐恢复，边坡稳定系数不会无休止的下降，而是在降雨结合后一段时间出现上升[5]。

4 结语

结合降雨情况下非饱和黄土边坡的有限元计算结果，分析了降雨对黄土边坡的影响机制，得到了以下结论:

1)降雨使得非饱和黄土边坡土体含水量增大，基质吸力丧失，从而使得土体抗剪强度降低，边坡在下滑力增大和强度降低的双重作用下发生滑动。

2)降雨对边坡的影响主要集中在表层土体，表层土体孔压响应强烈，基质吸力丧失迅速，这也是降雨多诱发浅层滑坡的原因。坡面排水设施的合理布置对减少滑坡发生至关重要。

3)降雨停止后，边坡内部雨水继续下渗，边坡安全系数在降雨结束后的一定时间持续降低。所以，滑坡往往发生在雨后。

[1] 吴俊杰，王成华，李广信.非饱和土基质吸力对边坡稳定的影响[J].岩土力学，2004，25(5)：732-736，744.

[2] 殷宗泽.土工原理[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[3] 李国荣，陈文婷，李进芳，等.黄土边坡降雨入渗规律及其对边坡稳定性的影响[J].中国水土保持,2014(8)：36-39.

[4] 李 萍，李同录，付昱凯，等.非饱和黄土中降雨入渗规律的现场监测研究[J].中南大学学报(自然科学版)，2014,45(10):3351-3360.

[5] 孔郁斐，宋二祥，杨 军，等.降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响[J].土木建筑与环境工程,2013,35(6):17-21.

Stabilityanalysisforunsaturatedloessslopesufferingfromrainfallinfiltration

LiXuehao

(TheCommunicationsPlanningSurveyingandDesigningInstituteofShanxiProvince,Taiyuan030012,China)

In order to study the influence of rainfall infiltration on slope stability. The FEM is used to the calculate unsaturated infiltration in unsaturated loess soil. It is found that the factor of safety of engineering slope would obviously decrease due to the matrix suction decreasing.

rain, unsaturated, loess soil, matrix suction

TU441.35

：A

1009-6825(2017)24-0077-02

2017-06-12

李雪浩(1989- )，男，硕士，助理工程师