降雨入渗对渣土堆积体边坡稳定性的影响

孙世国，方晓楠，何 健，邓王倩

(北方工业大学 土木工程学院，北京 100144)

堆积体边坡由于具有结构松散、强度低、渗透性高等特点，在外界不利因素影响下极易发生边坡失稳，给人民的生命财产安全造成极为恶劣的影响。大量的边坡失稳案例表明，滑坡产生的主要诱因之一是降雨[1]。目前国内外有许多学者研究了降雨对堆积体边坡的影响。如马陆江[2]等从可靠度的角度研究了不同降雨强度下的排土场边坡稳定性。张书华[3]研究了降雨条件下不同体积含水率对压力水头的影响。王维早[4]通过离心模型试验剖析了堆积体边坡滑动失稳机制。雷小芹[5]认为细颗粒迁移所引发的土体渗透性、强度的变化会降低堆积体边坡稳定性。邓喜[6]研究了短时间强降雨、长时间弱降雨两种工况作用下的边坡入渗规律。

目前大多数研究主要集中在露天渣土堆积体上，对于高陡高速公路堆积体边坡的研究却少见。因此，本文以赤峰市某高速公路堆积体边坡为研究目标，确定了与当地实际情况相符合的降雨强度与时长，并利用数值模拟对堆积体边坡在不同降雨条件下的入渗特征、稳定系数变化、危险滑面的演化规律进行分析，经研究得出的结论对同类工程边坡稳定性分析提供参考。

1 非饱和渗流基本理论

当土体为各向异性时，根据三维达西定律和质量守恒定律可知，非饱和渗流的基本微分方程如式(1)所示。

(1)

式中：H表示总水头；ki(θ)表示i方向的渗透系数；θ表示体积含水率；T表示时间。

在非饱和土中，体积含水量的变化仅由应力变化所控制。且对于它以及饱和土而言，其应力状态都可以用(σ-ua)和(ua-uw)这两个应力变量来表征，其中，σ表示总应力，ua表示孔隙气压力，uw表示孔隙水压力。在假设不考虑土体加载或卸载的情况下，即土体总应力不变，也不考虑孔隙气压力的变化时，体积含水量的变化单单只受到孔隙水压力的影响。此时两者之间的关系如式(2)所示。

(2)

式中：mw表示土水特征曲线斜率。

总水头如式(3)所示。

(3)

式中：γw表示水的容重；Z表示位置水头。

将式(3)代入式(2)，可得：

(4)

其中：z为常数。

将式(4)代入式(1)，可得瞬态非饱和渗流微分方程如式(5)所示。

(5)

2 非饱和土的降雨入渗特点

边坡土体大都是以非饱和的形式存在。非饱和土的降雨入渗实际上就是岩土体在雨水渗入过程中由非饱和状态向饱和状态逐步演化的过程[7]。依据岩土体饱和度的不同，自上而下可分为四个区域，最上部为饱和区，该区域最先与雨水接触，很快区域内的孔隙会完全被水占据，达到饱和状态；其次是过渡区，该区域越接近表层岩土体，含水率是逐渐增长的，但还未达到饱和；再次为传导区，该区域内的含水率增长较少，饱和度相对稳定；最下部的为湿润区，该区域由于接触到地下水，当深度在逐渐减小时，饱和度反而迅速提升。

非饱和土体的雨水入渗反映了降雨强度与岩土体渗透性的关系[8]。当岩土体渗透性较高时，雨水入渗岩土体的强度由降雨强度决定；而当降雨强度较高时，部分雨水会转化为地表径流流走，在岩土体表层区域形成饱和区，导致渗透性降低[9]。当降雨时长在不断增加时，更多的岩土体进入到饱和的状态，此时整个边坡的入渗率会明显下降。

3 不同降雨条件下堆积体边坡渗流模拟分析

3.1 工程概况及模型建立

该高速公路起于赤峰市，终于通辽，路线全长450km，其中K45段穿过赤峰市鸡冠山矿区堆积体。该矿区地处中温带，属于半干旱大陆性季风气候，年平均降雨量在400～500mm，降雨主要集中在7月份，最大降雨量达140mm/d。堆积体由花岗岩、辉绿岩和流纹岩组成。堆积体下部为粉质黏土、粉土和岩石碎屑，下部基岩主要是安山岩。本文中的渗流模型选取堆积体坡角最大的剖面为标准剖面，经适当简化后的模型长为328m，高度为145m，坡角39度。模型主要土层由上到下依次为堆积体、粉质黏土和安山岩。进行渗流分析时，将边坡体的左右两边和底部设置为不透水边界，边坡顶面、坡面及坡底表面设置为流量边界，流量大小即为降雨强度[10]。地下水位线在坡高60m处，利用Geo-studio软件中的Seep模块建立的二维模型如图1所示。

图1 SEEP/W降雨模型图

3.2 参数的选取及降雨方案的设计

根据施工现场勘查报告和室内试验，选取边坡岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

根据赤峰市鸡冠山当地近50年的降雨资料，并结合我国气象部门划分的降雨强度等级标准，设计小雨、大雨、暴雨三种不同的降雨工况，降雨时长为12h，其中这三种工况的降雨强度分别取9.9mm/d，49.9mm/d和99.9mm/d。

3.3 不同降雨条件下的孔隙水压力变化分析

利用Seep/W模块对建立的堆积体边坡模型进行渗流分析，探讨该边坡降雨12h后的孔隙水压力在小雨、大雨以及暴雨强度下的变化。图2是降雨入渗前的初始孔隙水压力分布。

图2 堆积体边坡初始孔隙水压力

在持续降小雨12h后，根据图3可以看出，坡顶处无积水条件，且降雨强度小，雨水能够全部渗入到岩土体中，从而导致该位置浅表层处的孔隙水压力发生了较为明显的变化，由初始-800kPa增长到-250kPa，降雨入渗深度有3～4m左右。该堆积体边坡坡度陡，大部分雨水会以地表径流的形式流走，孔隙水压力在坡面处增长较少，雨水入渗深度平均约为2～3m。由于坡脚处地势平缓，坡顶和坡面处的径流量会在坡脚处积聚，导致该位置处的入渗量较大。此时坡脚处的孔隙水压力值由-100kPa增长至-50kPa；在持续降大雨12h后，由图4可以看出，坡顶表层的孔隙水压力增长到-100kPa，雨水入渗深度为5m，坡面处的降雨入渗深度为4m，坡脚处开始进入饱和状态，且距离坡脚一定范围内的岩土体其孔隙水压力值也增长到了-50kPa；在持续降暴雨12h后，由图5可以看出，坡顶与坡面0.5m范围内的岩土体已经进入饱和状态，且形成贯通趋势，降雨入渗深度达到了5～6m。

图3 12h小雨后堆积体边坡孔隙水压力

图4 12h大雨后堆积体边坡孔隙水压力

图5 12h暴雨后堆积体边坡孔隙水压力

4 不同降雨条件下堆积体边坡稳定性分析

稳定性和安全系数会随着降雨的不断渗透呈现出动态的变化[11]。为了分析边坡在不同雨强、降雨历时条件下的稳定性系数变化情况，采用四种极限平衡法分别对该边坡进行计算，取最小值为边坡稳定系数。计算出的边坡稳定系数与不同降雨条件下的关系图如图6所示。

图6 不同降雨强度和时长下边坡稳定性系数折线图

从上图中可以看出，当降雨时长在不断增加时，不同降雨强度下的边坡稳定性系数总体上呈现下降的趋势。持续降雨3h后，小雨、大雨和暴雨边坡稳定系数的下降幅度近似相同，约为2%左右。持续降雨6h后，暴雨边坡稳定系数的下降幅度开始发生变化，由原来的2%增长至10%左右。持续降雨9h后，大雨和暴雨的边坡稳定系数均出现显著的下降，下降幅度最大达到了12%。可以看出，边坡的失稳往往发生在强降雨的后期。长时间的强降雨导致边坡入渗量增加，土体重度增大，基质吸力与抗剪强度逐渐降低，导致边坡安全系数急剧下降，使边坡发生滑坡破坏。

图7 持续降雨12h后在三种强度下的边坡危险滑移面

持续降小雨12h后，计算出的边坡稳定性系数为0.937，小于《公路路基设计规范》中规定的安全系数1.1，此时滑坡现象随时有可能出现，边坡处于较危险的状态，边坡产生整体滑动，滑动面表现为圆弧状，滑面深度为8～10m左右；当持续降大雨12h后，计算得到的边坡稳定性系数为0.817，边坡发生失稳破坏，滑面贯穿整个坡顶至坡脚，且滑面深度达到了10m左右；当持续降暴雨12h后，边坡稳定性系数降为0.712，此时的滑面的深度最大达到了13m，并且滑面呈现出广而深的特点。

5 结论

降雨极易导致堆积体边坡发生失稳，为高速公路的安全运行带来极大的风险。本文结合该地区近50年的降雨资料，利用Geo-studio软件进行降雨条件下堆积体边坡的入渗特征、 稳定系数变化、危险滑面的演化规律分析，为高速公路后期的正常运营提供有效的保障。主要得出以下结论：

(1)在持续降小雨12h后，雨水渗入表层土体但尚未达到饱和，入渗深度为3～4m；在持续大雨12h后，雨水即将接近饱和状态，入渗深度约为5m，在持续降暴雨12h后，堆积体边坡表层0.5m范围内完全达到饱和，入渗深度达到了5～6m。

(2)随着降雨时长的不断增加，边坡稳定性系数逐渐下降。在降小雨、大雨和暴雨12h后，边坡的稳定系数分别下降至0.937、0.817和0.712。

(3)在持续降雨9h后，不同降雨强度下的边坡稳定性系数急剧降低，此时边坡极易发生滑坡破坏。

(4)随着降雨强度的增加，边坡危险滑移面会逐渐向岩土体内部延伸，并呈现出广而深的特征。