非饱和土边坡降雨入渗特征及其对斜坡稳定性的影响

2019-02-28岳灵

人民珠江 2019年2期

，，，岳灵，

( 1.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江湖州313000;2 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏南京211000；3. 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉430074)

降雨入渗是导致斜坡失稳的主要因素，尤其是强震之后，降雨型滑坡呈现出陡增的趋势。因此，降雨对斜坡稳定性的影响越来越受到人们的关注，并取得了大量研究成果。其中，许建聪[1]、严绍军[2]、常金源[3]等分析了降雨对斜坡岩土体的作用，研究了降雨条件下斜坡的稳定性；罗渝[4]考虑了不同降雨类型对斜坡稳定性的影响；唐栋[5]、杨攀[6]等考虑了前期降雨对土质滑坡形成的贡献，进行了边坡稳定性分析。从已有研究成果来看，目前研究的重点还是在于考虑降雨事件与滑坡形成的直接关系，并未揭示降雨过程中的土～水特征，未考虑斜坡在降雨条件下动态演变过程。鉴于此，本文采用室内外试验和数值模拟相结合的方法，重点研究降雨过程中土体的渗透性与强度的变化特征，揭示土质斜坡在降雨过程中的动态失稳过程。

1 考虑降雨过程的土～水特征

1.1 非饱和土的渗透特征

降雨入渗是影响非饱和土边坡稳定性的主要因素，入渗量的多少一方面与降雨强度有关，另一方面又受到土体渗透能力的控制。在一次降雨过程中，同种土体的渗透特性是否保持不变，是本节需要解决的主要问题。

图1 现场渗透性测试标准土坑

图2 现场渗透性测试过程

采用现场渗透试验的方法，研究非饱和土渗透特性的变化特征。首先，选取野外典型非饱和土边坡作为试验对象。斜坡土体主要为第四系残坡积物和崩坡积物，物质成分主要为碎块石和粉质黏土，碎块石岩性为三叠系灰白色白云岩，块石粒径不均匀，块石粒径2～200 cm不等，菱角状，最大块石粒径可达280 cm，黏土多为低液限黏土，松散～中密。在斜坡上挖凿出标准尺寸的长方体土坑(图1)，长宽高分别为30 cm×20 cm×20 cm，尽量使土坑四周和地面平整，尺寸误差控制在1 cm范围内。

渗透性测试采用控制流量连续均衡的方法，首先在试验坑内放入垂直的标尺，并快速注入10 cm深的清水，保持试验坑内水位不变，记录每一次注入的水量(图2)。每10 min为一次循环，即保持水位10 min不变，记录10 min内补充的水量。随后不再加入水量，待试验坑内的水全部入渗，再进行第二次注水，注水过程与第一次一致，设计每个试验坑进行10次注水循环，以保证数据的完整性。为提高试验结果的可信度，在同一土坡，不同位置，进行了3个土坑的渗透性测试。由于版面所限，仅列出了1号试验的各参数(表1)，所有试验的结果见图3。

表1 1号试验渗透特征

图3 非饱和土渗透系数变化关系

根据试验结果可知，试验点的非饱和土的渗透率是随着注水次数的增加而逐渐下降的，这易于理解，当土体饱和度较低时，其渗透系数较大，而随着土体逐渐达到饱和，其渗透性减弱，渗透率随之降低。3次试验均揭示出，当土体入渗水量达到一定值时，其渗透系数最终维持在较低水平线上，也即表明，此时的土体达到饱和。可见，岩土体的渗透性并不是恒定不变的，而是随其饱和度的增加而逐渐降低的。在降雨过程中同样会显示出这种特征，当降雨量较小或开始降雨时，土质斜坡表面几乎没有地表水，降雨全部入渗到土体内部；而当降雨量较大或降雨后期，由于土体饱和度升高，渗透率降低，降雨入渗量减少，此时便会产生地表径流。

1.2 土体强度与含水率关系

降雨对土质斜坡稳定性的影响主要表现在2个方面：①由于雨水入渗导致土体软化，强度随之降低；②土体含水量增加，滑体本身自重也随之增加，导致下滑力增加。

本节重点考虑土体强度与含水率的关系。利用室内直剪试验仪，进行不同含水率土体的剪切试验。首先对现场取来的土样进行含水率测试，得到其天然含水率为13%，并测得饱和含水率为28%。因而试验设计了4组不同含水率的之间试验，含水率分别为13%、18%、23%和28%。为增加试验的可信度，每组试验进行了3个土样测试。

试验采用快剪法，选取应力控制的方法。试验过程中，垂向荷载I0保持不变，剪切荷载分10级左右逐渐施加，每级加载时间为30 s，记录每级的剪切位移Lh和垂直位移Lv。当水平压力值不再增加或剪切滑移达到2 cm时终止加载。设置正应力为5级加载，并可通过下式计算正应力和剪应力：

(1)

(2)

式中σ——正应力，MPa；Iσ——垂向油缸压力表预定值，MPa；Iσ0——垂向油缸压力表初值，MPa；Sv——垂向油缸活塞面，m2；G——传压铁块、滚珠轴承的总重，MN；Sj——剪切面面积，m2；τ——剪应力，MPa；Ir——剪切荷载压力表最大值，MPa；Ir0——剪切荷载压力表初值，MPa；Sh——剪切油缸活塞面积，m2。

1号试验结果见图4，由于版面所限，未展示2号和3号试验的抗剪强度与正应力关系曲线。

图4 1号试样抗剪强度

图5 抗剪强度指标与含水率关系曲线

根据直剪试验结果可得到非饱和土的抗剪强度指标，内聚力C和内摩擦角φ与含水率关系见图5，可见，3组试验所得到的土体抗剪强度指标变化趋势一致，即随着土体含水率的增加内聚力C和内摩擦角φ都呈下降的趋势，进而影响土体的抗剪强度。

2 浅层土质斜坡渗流场分析

2.1 非饱和渗流理论

非饱和土的渗流控制方程可表示为[7]：

(3)

非饱和土的土～水特征曲线采用Fredlund-Xing 模型[8]，可表示为：

(4)

式中a、n、m——拟合参数，其中a为进气值,n为与基质吸力有关的土性参数,m为残余含水量函数的土性参数；e——自然对数；θw体积含水率；φ——基质吸力；θs——饱和体积含水率。

渗透系数的关系曲线可表示为[9]：

kw=ksΘp

(5)

式中ks——饱和渗透系数；kw——非饱和土的渗透系数；p——渗透系数曲线中的拟合参数；Θ=θw/θs——体积含水量与饱和体积含水量比率。

2.2 渗流模型及边界条件

选取典型降雨土质滑坡为原型，采用有限元分析软件，模拟斜坡在降雨作用下的渗流场及应力应变关系，评价降雨对斜坡稳定性的影响。

滑坡为一沿基覆界面形成的降雨滑坡，下部为白云岩，上部覆盖层多为残坡积物；根据现场调查及勘探资料，确定了滑面位置以及初始地下水位线，建立滑坡模型见图6。

图6 斜坡原型

通过室内试验，确定了岩土体的物理力学参数，具体可见表2。

表2 岩土体的物理力学参数统计

采用GeoStudio软件的SEEP/W模块进行斜坡渗流场的计算。在渗流计算过程中，土体的饱和渗透系数、非饱和渗透系数以及土～水特征曲线参数尤为重要，通过现场渗透试验，得到覆盖层碎石土的饱和渗透系数约为ksat=1.08×10-6m/s；试验测得饱和含水率平均值为28%。斜坡覆盖层与基岩的土～水特征曲线和渗透函数见图7。

a)碎石土覆盖层的土～水特征曲线

b)碎石土覆盖层的渗透函数图7 斜坡土～水特征曲线与渗透函数

2.3 降雨入渗过程分析

采用Seep/W模块模拟降雨过程中斜坡雨水入渗过程，设置持续降雨时间为8 h，小时降雨量20 mm，模拟结果见图8。

c)基岩的土～水特征曲线

d)基岩的渗透函数续图7 斜坡土～水特征曲线与渗透函数

图8展示了持续降雨情况下的斜坡渗流场变化情况，可以看出，在降雨初始阶段(图8a)，由于上覆土层的含水率较低，且岩土体的基质吸力较大，坡体的入渗率大于降雨强度，降雨以垂直入渗为主，使得地下水位出现一定程度的升高。随着降雨持续，雨水入渗量逐渐增大，由于坡体前缘土层较薄，地下水位抬升明显，有反翘现象(图8b)；斜坡顶部的基覆界面处出现了一条饱水带。当降雨持续6 h时(图8c)，土体饱和度进一步增加，坡顶基覆界面处的饱水带与初始水位线贯通，导致地下水位线进一步升高，滑带处于地下水位线之下，可能会对滑带土体产生软化作用。在模拟的最后阶段(图8d)，由于斜坡顶部的饱水带与地下水位线贯通，降雨直接渗入斜坡内部，导致地下水位现迅速升高。从整个降雨入渗情况来看，持续降雨导致斜坡的地下水位线不断上移，使得斜坡土体饱和度逐渐升高，对滑带产生软化作用的同时也使得坡体自重增加，不利于斜坡稳定。

a)降雨2 h后雨水入渗情况

b)降雨4 h后雨水入渗情况

c)降雨6 h后雨水入渗情况图8 持续降雨过程中斜坡雨水入渗情况

d)降雨8h后雨水入渗情况续图8 持续降雨过程中斜坡雨水入渗情况

3 降雨对斜坡稳定性影响分析

3.1 降雨情况下斜坡变形特征

将上节渗流计算导入Sigma/W中进行渗流-应力场耦合，通过Sigma/W模块模拟了斜坡在降雨持续8 h时的变形和应变特征，模拟结果见图9、10。图9为斜坡位移分布，可以看出，该斜坡在降雨情况下的最大位移分布于滑坡中部，由内向外位移逐渐增大，最大位移达到0.65 m。图10为斜坡剪应力分布，可以看出，最大剪应力主要沿基覆界面分布，证实了滑坡是沿基覆界面滑动的。

图9 降雨持续8 h时的斜坡位移

图10 降雨持续8 h时的剪应力

3.2 降雨过程中的斜坡稳定性分析

斜坡稳定性计算方法较多，常用的有数值计算法、理论计算法、定性分析法等[10-11]，本节采用多种极限平衡理论分析法，考虑斜坡在降雨过程中的降雨入渗情况，每1 h计算一次斜坡稳定性，计算结果见表3。

表3 降雨条件下滑坡稳定性系数

根据多种理论计算方法得到斜坡在降雨持续7 h时，其稳定性系数将小于1，表明此时斜坡即发生失稳。该计算模型以四川地区一典型降雨滑坡为实际案例，实际情况下，斜坡在此降雨强度持续8 h时发生失稳。因此，模拟结果与实际情况下的滑坡失稳和降雨时间关系接近，表明文中所建立的降雨入渗与斜坡稳定性关系是有一定可信度的。