基于降雨渗流条件下的土质边坡稳定性时间特征研究

2020-03-30张昊

水利科技与经济 2020年1期

张昊

(贵州大学国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵阳 550025)

1 概述

滑坡是非常严重的地质灾害，尤其在西南地区，由于山地较多，滋长了滑坡的发生，而降雨则是导致滑坡发生的一个重要因素。降雨对边坡岩土体参数的影响，主要体现在4个方面，即岩土体的重度增大、岩土体材料抗剪强度参数的降低，边坡应力状态的变化、坡面及坡体的渗流产生动水压力等[1]。

针对降雨对边坡稳定性的影响研究，前人作了很多工作，为我们提供了有力的理论基础。文献[2]研究表明，广义吸力模型可以同时描述湿胀土和湿陷土的应力应变特性,并且还可以用于结构性饱和土的分析[2]。文献[3]对渗流数学模型进行了更加深入的研究，并编写了相关程序以便工程使用[3]。文献[4]对多级边坡降雨条件下的影响进行了研究，结果表明随着降雨的入渗，边坡的潜在滑移面发生着变化[4]。文献[5-7]对阶梯状边坡进行了研究，研究结果表明稳定性和边坡形态有很大的关系[5-7]。文献[8-11]从多个方面研究在降雨渗流情况下发生土质滑坡的机理[8-11]。从众多研究中可以发现，很多都提及到关于稳定性系数最低点的出现时间多发生在降雨结束后，但目前针对这个问题的研究少之又少，很多时候都是一笔带过，但是这个问题对于地质灾害预警与防治具有重要的意义，而且目前很多文章都没有结合工程地质条件的特性进行分析，这样计算出来的结果可能会有一些出处。本文主要针对土质边坡进行讨论，从工程地质条件出发，先进行理论分析，再基于Geo seep/W和slope/W两个分析模块分析典型实例，对降雨渗流情况下土质边坡稳定性随时间的变化特征进行研究。

2 理论分析

对于边坡的稳定性问题，大多数采用的是定性和定量相结合的方法。岩土体性质的不确定性是众所周知的，所以对边坡稳定性的评价多是以定性为主，边坡的稳定性计算多是把岩土体当成均质体，各向同性，采取参数折减的方法来进行计算，很多时候这样的结果都差强人意。所以应该主要把握好边坡的特征，再进行合理的计算，这样才能准确把握边坡的稳定性。

对于降雨渗流情况下的土质边坡也应该如此，优先把握工程地质条件的特殊性。工程地质条件包括岩石和土的性质、地质构造、地貌、水文地质条件、自然地质现象和天然建筑材料等方面[12]。

针对降雨渗流情况下土质边坡稳定性的时间特征研究，最低稳定性系数滞后性的发生是多种因素导致的，包括降雨强度，降雨持时，岩土体性质、地下水特征、边坡形态特征等等。概括起来主要有两个方面：①降雨特征；②边坡特征。这里主要分析边坡特征，通过对工程地质条件的分析，本文主要是从土体性质、边坡形态特征这两个方面来进行分析。

2.1 土体性质

在降雨渗流情况下，土的性质尤为重要。目前对于土的分类多种多样，除特殊土外，目前比较普遍的分类为黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、砂土、碎石土，这种分类对于研究渗流要直观一点。土的渗透性、土的强度、土的变形特性是土的3个主要力学性质。对于研究土的渗流问题，必须要弄清它们之间的关系，这样才容易判断水对于土质边坡的影响。比如说用黏土和碎石土来做比较，在其他条件一样的情况下，黏土的坡透水性一般不如碎石土，短时暴雨的情况下，碎石土更容易达到饱和，渗透系数更容易达到正值，降低了基质吸力，对边坡的危害也就越大；而黏土渗透系数系数性较小，由于降雨时间短强度大，很有可能只有表层达到饱和，导致很多雨水不能渗流进土体内部，威胁也就没有那么大。当长时小雨时，碎石土坡中的水更容易渗流出去，而黏土中的要慢一些。

土的性质对于最低稳定性滞后的影响是很重要的，不同的土渗流的速度不一样就导致雨水渗流到潜在滑移面的速度不一样。降雨期间没有渗流到潜在滑移面就停止下雨的情况下，渗流快的土体会先达到稳定系数的最低值，而且在稳定系数在低位持续时间也会较短；而渗流慢也不然，稳定系数最低值会更晚一些，而且持续时间会长一些或者稳定性系数上升为原来的值要慢一些，降雨期间就已经渗流到潜在滑移面，而且出现饱和区。同样的道理，渗流快的稳定系数会快一点升高，而渗流慢的会晚一些。这里还需要提到的一点就是水对于潜在滑移面的软化作用，处在滑移面区域的水滞留时间越长，对于滑带土的强度折损就越大。由此可见，对于土的判断是至关重要的，必要时可能还需要作试验进行对比分析。

2.2 边坡形态特征

边坡形态对于边坡稳定性的影响在文献[13-16]对其有一定的研究，主要是研究坡面凹凸对于边坡稳定性的影响。而本文说的边坡形态不是单纯指的是坡面形态，还包括内部的结构面，如潜在滑移面和相对隔水层等等。这里还需要说明一下人类关心的边坡一般在人类活动范围内，对人类有威胁的。在西南地区这种边坡很多，由于处于人类活动区域内，多被人类后天所改造，为了粮食就改成梯田，为了交通就修了路，这就导致坡面出现很多的陡坎、凹槽，形成临空面，为滑坡的发生提供了更好的动力条件。对于降雨渗流来说也是如此，陡坎会导致雨水在水平方向的渗流受到影响，就容易导致滑体内的水富存时间变长，稳定性系数在雨停之后上升变慢。边坡形态对于降雨渗流下的土质边坡稳定性时间特征的影响主要从两种形态来说：①滑体为土，下部有基岩；②全为土质边坡，没有基岩，没有相对隔水层。

没有基岩的土质边坡对于雨水入渗在竖直方向的渗透没有隔水层，就会导致下部的水轻易不会饱和，当然这里没有考虑有地下水的情况。当有地下水时效果会不一样，降雨会导致地下水位上升，不仅会提高孔隙水压力，还会增大地下水的渗流力，对边坡的稳定有较大的不利影响。那么关于稳定性的时间特征，主要是看滑体土内水的变化问题，如果降雨停止后雨水主要集中在上部，那么降雨停止后，随着雨水下渗一样会在雨停之后出现稳定性系数最低点；如果滑体内在降雨期间就已经饱和，那么稳定性系数应该在降雨结束后就会上升。

对于有下伏基岩的土质边坡，相对于土来说，基岩为相对隔水层，很多时候滑面为岩土界限，这就会导致滑体的水不易渗流到岩体内，就会导致雨水只能沿着土体渗流出去，这时需要考虑滑体的上部渗流进来的水渗流出去的水哪一个多一点。从坡面到相对隔水层的垂直距离来进行对比，后缘的距离长，前缘短，降雨停止后，滑体内的水补给就要比排泄的多，稳定系数就会降低；而如果后缘的距离短，前缘长，滑体内的水补给就要比排泄的少，稳定系数会升高。这两种情况再与雨水竖直方向下渗过程进行综合分析，得出此种类型的边坡关于降雨渗流情况下边坡稳定性的时间特征。

3 降雨渗流条件下的渗流场和强度场

3.1 渗流原理

3.1.1 非饱和土中水分运动的基本方程[17]

根据水动力学原理，非饱和土渗流同样满足达西定律，但是渗流系数k不为常数，而是一个关于饱和度或者基质吸力的深流函数。根据质量守恒原理，非饱和土二维非稳态渗流情况下，流入与流出单元的水量变化率等于该单元内水量随时间的变化率，由此可得出土中水运动的连续方程为：

(1)

将Darcy定律代入上式，即可得出非饱和土：

(2)

3.1.2 饱和-非饱和渗流的基本微分方程及边界控制条件

进行饱和-非饱和渗流问题探讨和求解过程中，需要对模型建立控制方程和边界条件，孔隙水分稳定流的微分方程为[18]：

(3)

3.2 抗剪强度

随着非饱和土力学的发展，目前对于非饱和状态下的土体，需要考虑基质吸力的作用。所以，本文采用Fredlund等提出一种延伸的Mohr-Coulomb屈服公式,即双参数抗剪强度公式[19]:

τf=c′(σn-Ua)tanφ′+(Ua-Uw)tanφb

(4)

式中:σn为法向应力;Ua为孔隙气压力;Uw为孔隙水压力;Ua-Uw为土中吸力;c′，φ′为有效黏聚和有效内摩擦角;φb为随吸力变化的内摩擦角。

从公式(4)中可以看出,当降雨时,土体含水量增大时,Uw也随着增大,Ua-Uw减小,τf也减小,土坡稳定性减小[20]。

对于稳定系数的计算方法，本文采用的 Morgenstern-Price祛，此方法能同时满足力和力矩的平衡。从计算方法来说，降雨渗流情况下土质边坡的稳定性时间特征，主要是降雨渗流导致滑体重心下移和参数折减的影响。

4 实例分析

4.1 工程概况

本实例主要研究的是滑坡形态特征对于此研究的影响，该土质边坡位于贵州省某景区附近，根据现场定性分析，坡前有缘临空，前缘和后缘高差为50 m左右，长为150 m左右，斜坡坡度在30°～45°之间，滑体平均坡度在25°～40°之间，坡面上局部有小的裂缝，其上建筑物、植被无新的变形迹象，后缘有断续的小裂缝发育，整体上发育为两条主裂缝。由于调查时为雨季，土体较潮湿，该斜坡出露岩性为寒武系下统明心寺组(∈1m)泥(页)岩，上覆第四系为碎石土与耕植土，耕植土厚约0.2 m，碎石土可见厚度约2～8 m。地层产状为40°∠20°，斜坡两侧为沟，前侧为河流，位于东侧冲沟有断层通过，该斜坡中上部未见地下水出露。该斜坡体上于2016年上半年修建完县道，多处见新修房屋。可以看出，该斜坡对下部村民有威胁。见图1。

图1 倾斜摄影测量滑坡全景图

根据裂缝情况和现场调查，根据工程地质分析原理预测，该处会有两个潜在滑移面，这里没有考虑降雨渗流使滑移面变形的问题，因为通过研究，这个变形并不大。分为局部滑移面和整体滑移面，见图2。

图2 滑坡模型剖面图

4.2 工况设计

4.2.1 降雨设计

根据实际降雨材料，设计暴雨工况如下：考虑连续降雨8天，周期为30天。因为土体湿润，前面4天日降雨量为8 mm，后面4天为日降雨量为120 mm，降雨量见图3。

4.2.2 参数选取

根据室内试验结果，通过反演分析得出寒武系下统明心寺组(∈lm)中风化泥页岩和碎石土参数，见表1及图4-图5。

图3 降雨设计图

表1 参数选取表

图4 碎石土渗透函数曲线

图5 碎石土水-土特征曲线

4.2.3 模型基本假定、边界条件及初始条件

1) 真实模型基本假定。真实工况下的岩土体材料分布不均、降雨时空分布也是未知的，坡体的饱和-非饱和状态受到前期降雨、排水状态和周围土体渗水等诸多影响。为简化计算和突出分析重点，在进行分析前，基本假定如下：①不考虑降雨全过程的水分蒸腾；②前期降雨为零，且无土体富水态；③边坡底面为不透水，坡体两侧与周围土体水气运移是等量的。

2) 模型的初始条件。降雨历时作用下的边坡入渗是一个随时间变化的动态过程，边坡体内的水气分布也是动态的，边坡降雨下的雨水入港过程模型就是对降雨过程中不同时间点的瞬态渗流场分布进行计算，因此确定瞬态流计算的初始条件就显得异常重要。在具体计算中，天然状态下边坡内的孔隙水压力和体积含水量等分布情况即是后续瞬态分析的初始条件。地下水位以下的孔隙水压力随着埋深线性递增，地下水位线处孔隙水压力为零。水位线以下的初始含水量为对应土体饱和含水率，水位线以上则逐渐减小。在此基础上，对模型进行稳态分析计算得到的渗流场即可作为瞬态流计算的初始条件。

对边坡在天然状态下的稳定渗流场进行分析，因为下部为泥页岩，为隔水层，再结合当地打钻情况，并未发现地下水，所以计算结果见图6。

图6 初始孔隙水压力分布图

4.2.4 降雨入渗对孔隙压力的影响

根据实际计算情况了解到降雨过程中渗流场的分布变化特征，降雨前期小雨过程，地表水缓慢入渗，边坡表面出现暂态浅层饱和区；随着降雨的持续开始暴雨，暂态饱和区面积不断扩大，浸润线向坡体深处扩展；降雨停止后，饱和区面积则收缩，在坡体内向高程较低处发生迁移，在坡脚等处汇集。见图7。

图7 9 d孔隙水压力分布

到第30天，滑面的的孔隙水压力基本回归到初始值，安全系数应该会经历一个回归的过程，安全系数随时间变化见图8。

图8 安全系数随时间的分布图

4.3 结果分析

结果表明，降雨对边坡稳定性影响效果十分显著，总体来说对边坡的稳定性系数有很大的降低作用，这个结果也比较符合工程实际经验，而且从中可以看出降雨渗流情况下，边坡稳定性的时间特征。下面针对两个滑移面的特点分别加以解释说明。

4.3.1 局部滑坡

由于开始降雨时，强风化层没有地下水，所以土颗粒间没有基质吸力；在开始降雨后，土体由干燥变得湿润，加之局部滑移面较浅，地表水很快就会渗入到滑移面附近，导致滑移面的基质吸力变大，增加了滑移面的力学强度，导致安全系数有所上升，边坡处于基本稳定状态。随着暴雨的开始，地表水量增加，加快了地下渗流，土颗粒间的孔隙水压力有所增加，达到一定值之后，基质吸力会随之变小，土体的稳定系数也就会随之变小，从上面孔隙水压力分布图可以看出，暴雨开始之后孔隙水压力会有明显的增加。随着地下雨水的增加，滑体的自重有所增加，同样会降低边坡的稳定性；同时地下水的流动会产生渗流力，同样会降低稳定系数。从图8中可以看出，稳定性系数最低的是第8天，也就是降雨的最后一天，暴雨对于局部滑坡的具有较高的时效性，因此后面多种极限平衡方法综合计算暴雨工况稳定系数时，也是以这一天的安全系数作为分析值；后面随着暴雨停止，地下水开始从向下流动，随之安全系数有所增加，最后安全系数增加到比最开始的稳定系数还大，这是因为随着地下水的减少，孔隙水压力也会随之降低，这时基质吸力又会出现，起到一定的作用。

4.3.2 整体滑坡

由于开始降雨时，强风化层没有地下水，所以土颗粒间没有基质吸力，在开始降雨后，土体由干燥变得湿润，导致滑移面的基质吸力变大，增加了滑移面的力学强度，导致安全系数有所上升，边坡处于基本稳定状态。但是由于整体滑移面较深，地表水渗入到滑移面附近需要一定的时间，所以稳定系数上升有一定的滞后性。随着暴雨的开始，地表水量增加，加快了地下渗流，土颗粒间的孔隙水压力有所增加，达到一定值之后，基质吸力会随之变小，土体的稳定系数也就会随之变小，从上面孔隙水压力分布图可以看出，暴雨开始之后孔隙水压力会有明显的增加。随着地下雨水的增加，滑体的自重有所增加，同样会降低边坡的稳定性；同时地下水的流动会产生渗流力，同样会降低稳定系数，这两点和上面的局部滑移面稳定性降低的机理相同。从图8中可以看出，稳定性系数最低的是第9天，也就是降雨停止后的第一天，因为坡上面以及坡表的雨水还没有完全渗入到滑体内，而且从剖面图可以看出整体滑动面的前缘到隔水层的距离要比后缘窄很多，从而导致上面渗流下来的地下水要比从滑体中渗流出去的地下水多，雨水停止后，滑体内会汇集的水量为整个降雨过程中水量最大的时刻，等到上部雨水渗流梯度降低到某一时刻，这时滑体内的补给水没有排泄水水量大，滑体内的水呈流出状态，稳定系数就会有所提高。由于滑体体积大，水量存储大，所以稳定系数上升较局部滑移面上升的慢。