降雨对巫山县城老林场回填土高边坡的影响研究

王梓帆 杨鹏 侯珍珠 夏宇

(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002)

0 引言

降雨是一种十分常见的天气。我国山区，降雨对边坡的影响十分严重，在许多工程项目中形成的许许多多的土质由于受到降雨的影响，增加项目难度和项目的投资。于是研究考虑流固耦合的降雨入渗对非饱和土质边坡影响成为许多专家学者研究话题。在国际上，Papagian-nakis等人用加权余量法推导了二维的有限元分析方法:Lumbp等人在饱和问题中采用基于伽辽金法选取加权余量法的权函数法分析问题:在国内，荆周宝等人提出了基于考虑流固耦合的降雨入渗对非饱和土质边坡影响的有限元模型分析方法:李宏伟等人进行了降雨入渗条件下的土质边坡非饱和渗流的二维分析:但是上述分析中，专家学者们只是分析某一单场研究，并没有将渗流场跟应力场耦合起来分析，或者只是在理想的土质边坡模型上分析流固耦合，没有结合实际工程进行分析。

本文选取巫山县城老林场安置区回填土高边坡为例研究降雨入渗的流固耦合作用下对大体积回填土质边坡的影响，利用功能强大的有限元分析软件ABAQUS，建立老林场安置区回填土高边坡的数值分析模型，得出了降雨对非饱和大体积回填土高边坡的影响机理及特征，对大体积回填土高边坡的治理设计及预测预警具有理论研究与工程实践借鉴意义。

1 老林场回填土高边坡地质概况

1.1 地形地貌

老林场高边坡位于巫山县新县城龙门街道老林场安置区南西侧，为回填土高边坡，回填已有二年的时间。填土厚度一般25 m～35 m，最厚可达38 m，填方面积约20 000 m2，形成的边坡坡向76°，坡度33°～35°，边坡长 170 m，坡高 20 m ～38 m。坡顶处为安置小区地坪，高程263m。坡底高程一般220 m～240 m，最低210 m，为缓坡平台。勘察表明，场区及周边覆盖层为素填土()、残坡积土();基岩为三叠系中统巴东组(T2b)泥岩、泥灰岩。图1为老林场回填土高边坡典型剖面图。回填土基本不含水，仅在底部岩土界面处有积水回填土为弱透水性。

1.2 变形情况

边坡自形成以来，总体尚稳定，但在雨季或暴雨后边坡表部局部出现坍滑，规模为10 m3左右。

2 降雨对老林场回填土高边坡影响的数值模拟方法

本文主要通过数值试验来研究降雨对老林场边坡的影响，采用的是ABAQUS有限元分析方法。

2.1 有限元网格模型

本文选取老林场回填土高边坡的典型剖面作为有限元分析模型。将回填土视为均布孔隙的多孔介质，选取典型的摩尔—库仑屈服准则，对老林场回填土高边坡进行渗流场与应力场的耦合分析。本文模型网格回填土区域划分采取扫略网格划分方式，下方基岩采用自由网格划分模式。为了有益于模型的网格划分，本文将回填土下方基岩进行几何简化，简化为规则四边形。回填土网格单元模型为CPE4P耦合平面孔隙应变单元，下方基岩网格单元模型为CPE3耦合平面应变单元，共1 632个单元。

图1 巫山县城老林场回填土高边坡剖面图

2.2 计算参数的选取与设置

在ABAQUS有限元模型中，采用理想的Mohr-Coulomb弹塑性材料模拟回填土跟基岩，岩土物理力学计算参数如表1所示。

表1 岩土物理力学参数

回填土渗透性参数选取与设置。

本文假设所有雨水全部入渗，坡体表面为流量边界。降雨入渗过程采取渗透系数随饱和度的变化过程，而根据土体的土—水特征曲线可知，饱和度与基质吸力有关，故用渗透系数的折减系数与基质吸力的关系来模拟渗透系数的变化。定义初始的渗透系数为1.8×10－5cm/s，图2为老林场土—水特征曲线。

在ABAQUS中基于流固耦合机理，定义渗透系数随孔隙率、孔隙比的变化来实现流固耦合在有限元软件中的实现。根据流固耦合的经验公式计算可得表2。

表2 渗透系数与孔隙比、孔隙率变化计算表

图2 回填土的土—水特征曲线

2.3 边界条件和荷载的设置

约束模型左右边界的水平位移跟底部的水平竖直方向位移，用来模拟老林场的左右边界。

设置荷载及降雨工况:巫山县自2001年至2016年年平均降雨量为1 087.4 mm，最大日降雨量为371.3 mm，5月～10月降雨量占全年的77%。对于填土边坡，降雨为诱发其失稳的主要因素，取滑坡失稳时的平均降雨量105.8 mm/d为本次数值实验日降雨量。在ABAQUS中设置土体的重力，并通过幅值的设置来模拟3 d的连续降雨，设置降雨强度为105.8 mm/d。

3 降雨对老林场回填土高边坡影响数值模拟结果分析

3.1 渗流场分析

本文模拟3 d降雨，如图3，图4所示为孔隙水压分布图，图5为浸润线变化图，在ABAQUS中孔隙水压为0处就是浸润线的位置，上部分为非饱和区域，下部为饱和区域，非饱和土体孔隙水压力为负值。结合图3，图4分析，直观的发现原始孔压与降雨停止10 d的孔压分布图有十分明显的区别，其原理是降雨入渗后，斜坡顶部以下的吸力区范围减小，基质吸力显著降低。降雨刚结束时，由于滑体内部渗透性较低，雨水来不及下渗，在滑坡体浅层出现暂态饱和带，基质吸力逐渐减小。图4为降雨停止10 d后的孔压云图，对比分析可知随着停雨时间延长，土体的饱和度减小，土体的浅层基质吸力逐步恢复。

图3 原始孔压云图

图4 降雨结束10 d后孔压云图

图5 为老林场高边坡在降雨过程中浸润线的变化图，由图5可以直观的看出随着降雨入渗，浸润线总体开始呈现上升趋势，在降雨刚结束时在浅层形成暂态饱和区，随着降雨不断地入渗，入渗程度加深，浸润线呈现下降趋势，而在降雨结束10 d左右，雨水全部入渗，浸润线下降到稳定状态，但总体相比初始浸润线呈上升走势。由图5可以直观看出降雨入渗过程主要影响浅表层回填土的稳定。

3.2 变形分析

图6给出了老林场降雨结束10 d之后的水平位移云图，由图6可以直观的看出主要是坡体表层发生变形，最大位移量为11.51 cm可以看出由于降雨入渗与重力作用结果，边坡有沿着坡体表层变形破坏的趋势。

图5 降雨过程中浸润线变化图（局部放大图）

图6 降雨结束10 d后水平位移云图

3.3 塑性区分析

图7 为老林场回填土高边坡在考虑降雨入渗后的塑性区云图。云图显示坡脚首先发生塑性变形，后塑性区沿着基岩界面向上延伸，但并未完全贯通，说明连续3 d的强降雨并未影响边坡的整体稳定。

图7 降雨入渗后塑性区云图

3.4 降雨对边坡稳定性系数的影响

图8 为降雨结束时间与边坡稳定系数关系图。该图为利用极限平衡法计算得到的不同浸润线时的稳定系数计算结果，由此可知:

1)降雨对边坡的整体稳定性影响不大。降雨开始至停雨后10 d，K=1.148 ～1.163，比未降雨时K 值减少0.024 ～0.009，降低2% ～0.77%，边坡整体仍处于基本稳定状态。

2)降雨对边坡浅表层影响较大。降雨刚结束时，在回填土浅层形成暂态饱和区，表部土体K=1.056，K值降低16%，边坡表部土体处于极限平衡状态，局部出现坍滑，随着降雨结束时间的延长，渗透作用加强，暂态饱和区逐步消失，浸润线下降，K值逐步上升，降雨结束第10天，K=1.126，边坡表部土体处于基本稳定状态，但较降雨前仍降低11%。

图8 降雨结束时间与边坡稳定系数关系图

4 结论

本文基于ABAQUS考虑流固耦合的降雨入渗过程来研究老林场回填土高边坡的孔压，位移，塑性区，有效应力以及稳定性系数的变化特征，得出以下主要结论:

1)降雨对边坡的整体稳定性影响不大。降雨开始至停雨后10 d，塑性区并未贯通，K=1.148～1.163，比未降雨时 K 值减少0.024～0.009，降低2% ～0.77%，边坡整体仍处于基本稳定状态。

2)降雨对边坡浅表层影响较大。降雨刚结束时，在回填土浅层形成暂态饱和区，表部土体K=1.056，K值降低16%，边坡表部土体处于极限平衡状态，局部出现坍滑，随着降雨结束时间的延长，渗透作用加强，暂态饱和区逐步消失，浸润线下降，K值逐步上升，降雨结束第10天，K=1.126，边坡表部土体处于基本稳定状态，但较降雨前仍降低11%，此时位移量达11.51 cm。