降雨入渗条件下非饱和黏土边坡稳定性分析

杨迪惠，李建华



降雨入渗条件下非饱和黏土边坡稳定性分析

杨迪惠，李建华

（四川省核工业地质局二八一大队，四川西昌 615000）

大量研究表明，主要且直接诱发边坡失稳的主要因数是降雨，雨水入渗对非饱和土质边坡稳定性的影响最大。分析非饱和黏土边坡基质吸力和渗流场影响，采用有限元软件FLAC2D建立非饱和黏土边坡的数值模型，研究计算在降雨强度不同条件下，降雨时间相同和降雨总量相同这两种情况对边坡稳定性的影响。结果表明：非饱和黏土边坡内部的剪应变增量随降雨强度的变大而增大，边坡的位移也和降雨强度呈正相关关系，降雨强度越大越容易造成黏土边坡表层失稳。

黏土边坡；降雨；数值模型；稳定性分析

我国西南地区山区地貌多样，第四系堆积层较厚，雨季降雨强度较大且降雨持续时间较长，容易发生滑坡这类地质灾害，给国家健康稳定的经济建设及人民生命财产安全带来极大的隐患。通过文献资料，因为降雨强度过大而诱发形成灾害的滑坡占到滑坡总数的绝大部分，经过大量研究表明，最主要且直接诱发边坡产生失稳的主要环境因数是降雨入渗，换句话说，降雨入渗对非饱和土质边坡稳定性的影响程度最大。在常规降雨条件下，我们对边坡设计是将土体视为饱和状态，但在绝大部分边坡中除开土质基质，还存在围绕着土基质之间的水和气体两相流，也就是非饱和土，所以有必要对非饱和土坡进行研究。非饱和土的物理力学性质在持续降雨过程中会产生很大变化，雨水入渗使边坡内部形成暂态水压力，土体饱和度增加，原本的基质吸力平衡状态被打破，导致非饱和土体的基质吸力下降，同时雨水还沿着坡体中原有的裂隙、破裂带逐渐入渗，降低滑带的摩擦力，产生动、静水压力从而使坡体的抗剪强度大幅减弱，最终导致坡体破坏[1-4]。

分析通过某个具体非饱和黏土边坡工程实例，采用有限元软件FLAC2D建立非饱和黏土边坡的数值模型，结合非饱和土渗流理论，研究计算在降雨强度不同的条件下，降雨时间相同和降雨总量相同这两种情况对边坡稳定性的影响。

1 非饱和土基本理论

目前，大多数关于非饱和土强度理论的计算公式是Bishop和Frelund等学者提出来的，为研究非饱和土质边坡的稳定性奠定了基础。

雨水入渗使土质边坡内部形成暂态水压力，增加土体饱和度，导致土体颗粒之间的有效应力降低，即减弱了非饱和土体的基质吸力，土体的抗剪强度随之减弱。根据Bishop有效应力原理可以得到非饱和土的抗剪强度公式为[5-6]

在此基础上，Frelund提出的非饱和土的抗剪强度公式为

采用Van Genuchten的经验公式可以得到流体的相对渗透率为：

2 边坡数值模型

2.1 数值模型的建立

对降雨入渗条件下进行研究的非饱和黏土边坡水平向长86m，竖向高36m，边坡顶部有40m长的平台，坡高24m，坡表分为3级，每级高8m，开挖平台宽2m，坡比1∶0.7，坡表和内部设有平行分布的检测点位。边坡上部为红色黏土，结构松散，渗透性较好，遇水饱和后易软化；下部为强风化泥岩，红褐色，泥质结构，裂隙较发育。边坡初始状态地下水位为2m，见图1。

图1 边坡初始几何模型

2.2模型边界条件及计算参数选取

表1 数值模拟岩土体物理力学参数

研究边坡既然为非饱和黏土边坡，所以数值模型中不仅有孔隙水的流动，还允许气相的流动。对于模型的边界流量设置，地下水位以下和两侧采用定水头边界，坡表面取流量边界，模型底部不透水。对模型施加位移边界设置，在模型底部施加竖直向和水平向位移约束，在模型左右两侧施加水平向位移约束。为了进一步研究土质边坡的稳定性是否与降雨强度和降雨持续时间有关，根据降雨强度与降雨持续时间成反比的原则，即降雨强度小持续时间长，降雨强度大持续时间短来设置降雨工况。本次数值模拟采用3次不同的降雨强度和降雨持续时间来计算：①=200mm/d，=3d；②=20mm/d，=30d；③=2mm/d，=300d。数值模拟计算该边坡的岩土体物理力学参数通过现场勘查和室内试验确定，见表1。

3 数值计算结果及分析

3.1 边坡剪切应变增量分析

图2为非饱和黏土边坡在降雨强度分别为2mm/d，20mm/d，200mm/d，降雨持续时间相同情况下的剪切应变增量云图。通过图2（a）、（b）、（c）可以明显看出，在降雨持续时间相同条件下，降雨强度增加，非饱和黏土边坡内部的剪切应变增量也随之增大。当降雨强度=2mm/d时，最大剪切应变增量为1.75×10-4；当降雨强度=20mm/d时，最大剪切应变增量提升一个数量级到达2.00×10-3；当降雨强度=200mm/d时，最大剪切应变增量达到了1.25×10-1，边坡顶部出现剪切应变增量区域，即非饱和黏土边坡内部产生潜在滑移面。

图2 非饱和黏土边坡不同降雨强度下的剪切应变增量云图

3.2 边坡饱和度分析

图3为非饱和黏土边坡在降雨强度分别为2mm/d，20mm/d，200mm/d，降雨总量相同情况下的饱和度云图。通过图3（a）可以看出，在降雨强度较小的情况下（=2mm/d），雨水在重力作用及基质吸力作用条件下通过边坡上部及坡表的黏土往下入渗，由于泥岩的渗透系数比黏土的渗透系数较小，雨水会在黏土与泥岩交界的部位产生富集，所以饱和度达到最大值8.5×10-1。从由图3（b）和（c）可以看出，当降雨强度达到一定值后，非饱和黏土边坡内部的高饱和度区域由黏土与泥岩交界的部位向坡表转移，尤其在降雨强度到达=200mm/d时，整个黏土边坡坡表及顶部成为饱和度最大值所在区域，即降雨强度超过限定值后，黏土边坡的饱和度峰值会增加，同时饱和区域集中度会越高并向坡表转移，在坡表形成具有一定厚度的饱和区域带[7]。换句话说，黏土边坡在暴雨状态下坡表稳定性快速降低，易发生坡表部位的破坏和垮塌。

图3 非饱和黏土边坡不同降雨强度下的饱和度云图

3.3 边坡监测点的位移分析

图4为非饱和黏土边坡在降雨强度为200mm/d，降雨持续时间为3t工况条件下布设监测点的位移随高程的变化关系曲线。从图4（a）可以看出，监测点的水平向位移整体随着高程的升高而减小，即坡顶水平向位移较小，坡脚水平向位移最大。边坡最下部坡面监测点的水平位移比坡内监测点的位移突然增大，说明该部位处于潜在圆弧滑移面上。图4（b）反映出监测点竖直向位移整体随着高程的升高而增大，处于潜在滑移面顶部监测点的竖直向位移最大，高程为8m和16m的部位为边坡的平台，可以发现在平台部位坡表的竖向位移值比坡内监测点的竖向位移值小，说明坡表平台的开挖具有限制竖向位移继续增大的功能。

图4监测点位移随高程变化关系图

4 结论

通过对非饱和黏土边坡在降雨入渗条件下进行数值模拟计算分析，可以得出以下结论：

1）降雨持续时间相同条件下，降雨强度增加，非饱和黏土边坡内部的剪切应变增量也随之增大。在黏土和泥岩交界靠近坡表处剪切应变增量达到峰值，最容易产生破坏继而形成贯通坡顶的潜在圆弧滑移面，向上剪切应变增量逐渐减小。

2）降雨总量相同情况下，降雨强度越大，黏土边坡的饱和度峰值会增加，同时饱和区域集中度会越高并向坡表转移，在坡表形成具有一定厚度的饱和区域带。即黏土边坡在暴雨状态下坡表稳定性快速降低，易发生坡表部位的破坏和垮塌。

3）降雨持续时间较长条件下，边坡监测点的水平向位移整体随着高程的升高而减小，即坡顶水平向位移较小，坡脚水平向位移增大；监测点竖直向位移整体随着高程的升高而增大，处于潜在滑移面顶部监测点的竖直向位移最大。

[1] 黄润秋，戚国庆．非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响[J]．工程地质学报，2002，10（4）：343－348．

[2] 言至信，高刚．降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性数值分析[J]．铁道建筑，2013（7）：85－88．

[3] 魏宁，茜一平，付旭东．降雨和蒸发对土质边坡稳定性的影响[J]．岩土力学，2006，27（5）：778－786．

[4] 童龙云，简文星．考虑降雨入渗过程的非饱和边坡稳定性分析[J]．武汉理工大学学报，2012，34（11）：78－83．

[5] OH W T，VANAPALLI S K. Influence of rain infiltration on the stability of compacted soil slopes [J].Computers and Geotechnics，2010，37（5）：649－657.

[6] TSAI T L，CHEN H F. Effects of degree of saturation on shallow landslides triggered by rainfall [J].Environmental Earth Sciences，2010，59（6）：1285－1295.

[7] 尹小涛，冉昌国，王水林．降雨条件下滴水崖Ⅰ号滑坡瞬态稳定性分析[J]．岩土力学，2008，29（2）：501－506．

Stability of Unsaturated Clay Slope under the Condition of Rainwater Infiltration

YANG Di-hui LI Jian-hua

(No.281 Party, CNNC, Xichang, Sichuan 615000)

This paper deals with stability of unsaturated clay slope under the condition of rainwater infiltration. The study indicates giant influence of rainfall infiltration on stability of clay slope. A numerical model of unsaturated clay slope is established by the use of finite element software FLAC2D which is used for calculating the influence of rainfall on slope stability. The results indicate that shear strain increment and displacement of unsaturated clay slope increase with rainfall intensity.

clay slope; stability; rainfall; infiltration

P642.2

A

1006-0995（2017）03-0475-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.028

2017-02-12

国家自然科学基金项目（41072229）

杨迪惠（1967-），男，四川西昌人，高级工程师，主要从事地质工程及地质灾害防治的治理工作和研究