降雨情况下裂隙膨胀土边坡渗流稳定性的影响分析

王玉娟

(河南省中纬测绘规划信息工程有限公司，河南 焦作 454000)

随着国民经济的快速发展，对工程建设的需求越来越大。由于我国膨胀土分布较广，给该类型工程的边坡建设、施工和长期稳定性带来诸多影响[1-2]，降雨引发的膨胀土边坡失稳事故更是屡见不鲜[3]。膨胀土具有的“湿胀干缩”性质，使得其在大气变化作用下极易产生裂隙，这对降雨时边坡的入渗、稳定特性产生重要影响[4]，也会对变形特性产生重大影响，对工程造成重大危害。因此，对降雨条件下裂隙膨胀土的渗流、稳定特性进行详细分析显得非常有必要[5]。

郑长安采用理论计算和室内试验相结合的办法，对不同因素影响下的膨胀土边坡稳定性进行了详细分析[6]。王晓磊等通过极限平衡法，将膨胀土边坡划分为裂隙充分发展区、坡顶张拉裂隙区、裂隙发育不充分区、坡顶张拉裂隙区、坡脚雨水积聚影响区以及无裂隙区等6个区域进行分析[7]。郭天昊等针对不同初始含水率和压实度下的膨胀土降雨入渗特性进行了对比分析[8]。王晓磊等提出将边坡由外向内划分为裂隙影响层和原始层两个亚层，并通过现场、室内试验对降雨条件下边坡内部孔隙水压力的分布特征进行了模拟分析[9]。陈善雄等在分析膨胀土边坡稳定性时，将裂隙分布及强度影响考虑进去[10]。

本文在前人研究经验及理论的基础上，开展了不同裂隙深度、位置的裂隙膨胀土渗流及稳定性分析，对降雨、含裂隙等复杂条件下的膨胀土渗流稳定特性进行对比分析，可为膨胀土边坡工程的设计施工提供参考。

1 裂隙模拟设定

1.1 裂隙深度的模拟设定

根据统计分析及研究工作经验，膨胀土在风化作用下的影响深度范围在2～4 m，极大一部分裂隙的发育深度在2 m以内。裂隙的发育程度与深度息息相关，在地表浅层受到降雨、蒸发循环作用时最为显著，并随之形成由浅到深的强风化层、弱风化层以及原状土层。故而在数值模拟时，根据勘察结果，将一定深度范围内的土层设定为风化层，并合理考虑降雨入渗和蒸发过程中裂隙的闭合和张开情况。

1.2 裂隙渗透系数曲线模拟设定

假设吸力在小于临界地表基质吸力的情况下，裂隙处于闭合状态，此时渗透系数与原状土一致；而当吸力大于地表基质的临界吸力后，裂隙呈现开裂状态，此时采用线性关系表达裂隙及风化层的渗透系数，即：

(1)

式中：sm为基质吸力值大小；km为s=sm时的主裂隙或风化层的渗透系数大小；sc为临界地表基质吸力值；kc为s=sc时的渗透系数大小。

2 工程背景及计算模型

本文以濮阳至卫辉高速公路新乡段某膨胀土边坡工程为例展开分析。该边坡分为表面风化层(厚约1 m)、主裂隙深度也接近1 m，地下水位则位于原状土体内。模拟分析时，将边坡划分为4个区域：坡顶、上坡面、下坡面及坡脚。根据勘察结果，将裂隙影响深度定义为1～3 m(计算时选择1.2、2.1和3.0 m作对比分析),裂隙间距定义为1 m，同时还将风化层划分为强风化层I 区和弱风化层Ⅱ区，最下面是原状土，具体模拟分析模型见图1。

图1 模拟分析计算模型示意

模型设定的初始条件和边界条件如下：①降雨强度设定为100 mm/d，持续降雨天数为10 d，忽略坡面积水问题；②初始地下水位见图1，孔隙水压力根据uw=yw(z-h0)计算；③模型左右两侧及底部均设定为不透水边界，上部设定为降雨边界条件。渗流及强度计算参数见表1、表2。

表1 渗流计算参数设定

项目残余含水率/% 饱和含水率/% 参数a/kPa-1参数n饱和渗透系数ksat /m·h-1原状膨胀土 6.00 38.0 0.058 5.9955 2.0e-4

表2 强度参数设定

3 模拟结果分析

3.1 渗流结果分析

3.1.1 裂隙存在对渗流的影响分析

图2为无裂隙和有裂隙(深2.1 m)下边坡体积含水量的分布对比图。从图2中可以看到，在不考虑裂隙存在的情况下，雨水主要集中于下坡面和坡脚处，且入渗深度较浅，降雨对边坡土体含水量不会引起太大的变化；当裂隙存在时，雨水沿着裂隙入渗和汇集，且有向土层内部发展的整体趋势。

图2 无裂隙和有裂隙下边坡体积含水量的分布对比

3.1.2 裂隙位置对渗流的影响分析

降雨10天后，裂隙深度为2.1 m时，边坡不同位置处的体积含水量对比见图3。从图3中可以看到，裂隙位置的不同，含水量的变化也会有所区别，但都体现为裂隙处的含水量最高。对比裂隙处于坡顶、上坡面及下坡面3个位置的含水量分布可知，裂隙位于坡顶处，含水量差异较小，而位于下坡面时的差异最大。这主要是由于坡顶处水头高，下坡面处水头低，水总会由水头高处往低处流，故而呈现上述差异。

3.1.3 裂隙深度对渗流的影响分析

降雨10天后，不同裂隙深度下含水量分布对比见图4。从图4中可以看出，随着裂隙深部的不断增长，边坡风化层的含水量逐渐增加，但增加速率逐渐减缓。这主要是因为裂隙深度越大，雨水的入渗范围就越大；边坡裂隙底部的含水量增加最大，这主要是因为风化层渗透系数远大于原状土层，因此入渗的雨水在裂隙底部聚集。

图4 不同裂隙深度下含水量分布对比

3.2 稳定性结果分析

相同深度下，不同裂隙位置时的边坡安全系数见图5。从图5中可以看到，随着降雨时间的增加，边坡的安全系数逐渐呈降低趋势，且为幂函数型减小；同等降雨时间和裂隙深度下，裂隙位于坡顶处时，安全系数最高，上下坡面的安全系数相差不大；随着裂隙深度的增大，安全系数逐渐降低。

相同裂隙深度下，降雨10天后，不同裂隙位置时的边坡潜在滑移面见图6。从图6中对比分析可以看到，无论裂隙处于何处，对整个边坡的潜在滑移面的位置、范围都不会有太大的影响，这主要是因为滑移面不仅与土体含水量有关，更与自身的强度相关。

图5 相同深度下，不同裂隙位置时的边坡安全系数对比

图6 不同裂隙位置时的边坡潜在滑移面

降雨10天后，裂隙位于下坡面时，不同裂隙深度下的边坡潜在滑移面见图7。从图7中可以看到，随着裂隙深度的增加，边坡的潜在滑移面范围越大，但均位于上下坡面之间的强风化带内。这主要是由于雨水集结于上下坡面周围的土体内，含水量高，软化膨胀显著，强度显著降低，故而可以认为裂隙的发育深度是边坡潜在滑移面的主要影响因素之一。

图7 不同裂隙深度下的边坡潜在滑移面

4 结 论

以某高速公路膨胀边坡工程为背景，对降雨条件下，不同裂隙深度和裂隙位置下的边坡渗流和稳定性进行对比分析。结果表明，裂隙位置对含水量有重要影响，裂隙位于坡顶时的含水量差异最小；裂隙发育深度是影响边坡潜在滑移面的主要因素。研究结果可为类似工程设计与施工提供理论指导。