不同降雨入渗影响因素下坝肩边坡稳定性分析

周清勇 熊 磊,2 胡国平,2

(1.江西省水利科学院，江西 南昌 330029;2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

降雨入渗引起的边坡变形与失稳是一种常见、多发的灾害现象。降雨入渗会使边坡土体内非饱和区含水量增高，基质吸力减小，浸润线以上形成暂态饱和区，孔隙压力逐步增加，土体抗剪强度减小，导致边坡稳定性降低。王一汉等分析了考虑降雨历时及不同降雨强度下的某土石坝稳定性。黄龙波等以某安置点边坡为例，分析不同降雨入渗时间边坡渗流路径、渗流速度和孔隙水压力对边坡稳定性的影响；唐正光以地形地貌、植被及介质孔隙特性等作为降雨入渗因子，分析多因素影响下降雨入渗及地下渗流状况；曾铃等对某炭质泥岩路堤边坡在常见的三种降雨入渗因素变化下的边坡稳定性进行了分析。

目前，大多数边坡降雨入渗影响是以单独考虑降雨强度和降雨历时两大外因为主，而较少考虑到降雨类型、土体渗透特性、坡比等其他因素对降雨入渗过程的影响。鉴于此，本文以潭湖水库右岸坝肩边坡为研究对象，采用二维有限元计算方法，综合考虑受降雨历时、降雨强度、降雨类型、土体渗透特性和坡比等因素影响下的坝肩边坡安全稳定性。

1 渗流与强度理论

1.1 饱和与非饱和渗流理论

一般情况下，水库坝肩边坡内浸润线以下滑体处于饱和状态，而浸润线以上滑体处于非饱和状态。随着外部降雨因素的介入，雨水的流动会使临界变化处的土体存在典型的饱和与非饱和问题，达西定律仍然适用其渗流规律的描述。本文分析将边坡假定为各向同性多孔介质，建立x和y方向上的饱和与非饱和渗流控制方程:

(1)

式中：H为水头；K为土层渗透系数；Q为边界水流量；θ为体积含水率；r1为水头边界；h(x,y,t)为边界水头；r2为流量边界；q(x,y,t)为边界单宽补给流量；n为外法线方向；t为时间。

初始条件为降雨前计算起始时刻的稳定渗流场，求解方程时，二维有限元程序采用Galerkin加权残数法原理分析，采用极限平衡方法求解滑动面与安全系数的变化情况。

1.2 非饱和土抗剪强度理论

土层内浸润线以下，其非饱和土的抗剪强度随着土体含水量的变化而不同，采用的计算式为

τf=c′+[(σ-ua)+x(ua-uw)]tanφ′

式中：τf为土的抗剪强度；c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；σ为总应力；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力。

边坡安全系数分析采用土体极限平衡方法求解。

2 影响边坡稳定性的因素分析

2.1 边坡计算概况

潭湖水库右岸坝肩边坡高约70m，坡脚高程51.20m。边坡基本为岩质边坡，边坡岩体风化破碎。受F3断层的影响，边坡岩体风化强烈，全强风化带深厚，全强风化带自坡面垂直厚度为16～30m。边坡间隔10～15m设马道一级，马道设计高程分别为61m、71m、81m、96m及110m，其中高程71m处的马道宽5.0m，其余马道宽2.0m。马道内侧设排水沟，坡顶外2.0m处设截水沟。分析右坝肩边坡安全性，其主要受降雨影响，考虑边坡地形、全强风化层深厚、主滑方向与边坡倾向夹角较大等多种因素。地质参数建议值见表1。模型概化见图1。采用有限元计算方法，分析在降雨历时、降雨强度、降雨类型、土体渗透特性和坡比等影响下边坡稳定性。

表1 右岸坝肩边坡地质参数建议值

图1 潭湖水库右岸坝肩边坡模型概化图

2.2 降雨历时

选取模拟降雨历时为24h，降雨量为10mm/h，根据图2计算的安全系数随降雨历时变化值，分析不同降雨历时下(0h、8h、12h、24h)的孔隙水压力随高程变化，见图3。

图2 安全系数随24h降雨历时变化情况(10mm/h降雨量)

图3 不同降雨历时下孔隙水压力随高程变化情况

从图2可知，当降雨量为10mm/h时，边坡安全系数随着降雨历时的增加而不断减小，因为土体在降雨条件下不断软化，可能造成滑移等不良现象。在降雨初期，因为表层土体入渗能力大，雨水大部分能渗入到土体，随着入渗雨量的增加，入渗能力逐渐减小，浸润线上移，使土体含水量增加的趋势减慢，边坡安全系数降低幅度亦变缓。从图3可知，在不同降雨历时条件下，边坡上某点处孔隙水压力随高程变化，其孔隙水压力上升幅度大致相同，在大于某高程点以上时，随着降雨历时的增加，孔隙水压力也呈现一定变化，即孔隙水压力增加较小。

2.3 降雨强度

选取四种不同降雨强度进行模拟，其降雨强度分别为5mm/h、10mm/h、15mm/h、20mm/h，模拟降雨历时为12h，计算结果见图4。

图4 安全系数随降雨历时变化情况

从图4可知，4种降雨强度条件，每小时降雨强度增大，则坝肩边坡安全系数降低较明显，呈负相关性；随着降雨持续时间的增加，边坡安全系数下降率越明显，说明随着雨水在土壤中入渗的不断深入，暂态饱和区不断扩大，孔隙水压力和含水量增加，基质吸力相应地降低，安全系数也持续降低。所以，坝肩边坡的稳定安全系数受到降雨强度与降雨时长的双重影响，在巡查维护时特别要做好强降雨下的边坡发生滑坡等不利情况的监测工作。

2.4 降雨类型

为反映降雨模式对边坡降雨入渗的影响，选取常见的四种降雨模式：减弱型、集中型、平均型及增加型。本文模拟降雨历时为72h，降雨总量为100mm，选取0～48h为降雨期，48～72h为无降雨期，计算结果见图5。

图5 不同降雨模式下安全系数随降雨时间的变化情况

由图5可知，四种降雨模式中，对坝肩边坡内孔隙水压力的影响较大者为减弱型降雨模式，其安全系数明显降低更多，而平均型、集中型和增加型孔隙水压力和安全系数的增减趋势大致相同。减弱型降雨模式因其前期降雨量较大，造成边坡内快速形成了传导区和过渡区，使雨水容易入渗，同时在暂态饱和区重力作用下，大量雨水向下坡脚处流去，安全系数也更小，而平均型、集中型和增加型等模式因前期降雨量不大，边坡渗透速度比较稳定，达到暂态饱和区前期时间相似，安全系数比减弱型情况下的安全系数更高，坝坡稳定性亦更好。

2.5 土体渗透特性

土体渗透特性特别是表层土体渗透特性亦是影响边坡稳定的主要因素之一，本文选取三种不同渗透系数，分析改变表层土情况下降雨入渗的边坡安全性。假设降雨量均为10mm/h，模拟降雨历时为24h，不同渗透系数影响下边坡安全系数与降雨历时变化值见图6。

图6 不同渗透系数条件下安全系数与降雨历时变化情况

由图6可知，边坡表层土体渗透系数越大，边坡安全系数下降幅度越明显。土层渗透系数越大，雨水入渗速率相对越快，重度增大和基质吸力的丧失也越快，安全系数的降低也越明显，安全性能稳定值提前达到。

2.6 坡比

坡比也对常见工程边坡稳定性有着重要影响，结合坝肩边坡开挖的斜度，本文选取常见的几种开挖后的坡比，分别为：坡比1∶2.5即坡度为22°，坡比1∶2.25即坡度为24°，坡比1∶2.10即坡度为25°。相关材料参数保持不变，降雨量设置为10mm/h，模拟降雨历时为24h，计算结果见图7。

图7 不同坡比受降雨影响的安全系数变化情况

由图7可知，在不同坡比情况下，其边坡在受到降雨入渗影响后安全系数变化具有一致性。坡比越小即坡度越缓，其安全系数越高。不同坡角下边坡安全系数在某一时刻的下降率相近，说明坡比变小在降雨影响下其安全系数减小具有一致性。

3 结 语

通过对潭湖水库右岸坝肩边坡稳定计算，结合渗流与强度理论，采用二维有限元法，探讨了降雨入渗多因素影响下的边坡稳定性变化规律，结论如下：

a.坝肩边坡稳定安全性随着降雨历时与强度的增加而不断降低。

b.不同降雨模式下，减弱型降雨相对于平均型、集中型和增加型，因其前期降雨量较大，提早形成过渡区和传导区，安全系数更小。而平均型、集中型和增加型的安全系数增减趋势大致相同。

c.土体渗透特性对边坡稳定起着重要作用，边坡表层土渗透系数越大，安全性随之越好。

d.不同开挖坡比，其边坡在受到降雨入渗影响后，安全系数及下降率变化具有一致性。