不同降雨强度对粘性土边坡稳定性影响研究

王金华，王玉林，王 倩，钟瑜隆

(1.武夷学院 土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300；2.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013)

武夷山地处武夷山脉东南侧，辖区内以丹霞地貌为主，山区土壤主要以红壤土为主，土层厚度大，约占全市土壤总面积的76%，地貌复杂多样，地质条件较为复杂，是福建省地质灾害多发的地区。年平均降雨量1926.9mm，年平均降雨天数达164.6天，降雨量最多的为1975年，209天，降雨量最少的为2003年，110天。2010年为极端年最大雨量，降雨量达2847.2mm，1971年为极端年最少雨量，降雨量为1028.5mm，主汛期为每年3-6月，其中6月降雨量最多。在主汛期，日降雨量大，由于雨水入渗使土壤含水量过于饱和，导致土体的抗剪强度降低，因而容易产生山体滑坡。近年来，武夷山市政府大力推进基础设施建设，如纵八线(G322)武夷山市上梅至杜坝段公路工程以及“四好农村公路”项目的建设，产生大量的高陡边坡，因此研究不同降雨强度对粘性土边坡稳定性影响具有重要意义。

国内外许多学者采用数值模拟或室内模型试验等手段对不同降雨强度条件下的边坡稳定性展开一系列研究，并取得了一定的成果。关晓迪等[1]采用室内边坡降雨模型箱研究了降雨强度和坡比对黄土边坡的稳定性影响；刘林林等[2]采用Geo-Studio软件研究了不同降雨强度对黄土边坡的稳定性影响；蔡欣育等[3]基于饱和-非饱和渗流原理，利用Geo-Studio软件研究了云南省某边坡在不同降雨类型时的稳定性；包小华等[4]通过室内模型试验研究了不同渗流边界条件下粉砂边坡的失稳规律；王述红等[5]运用有限元软件ABAQUS模拟降雨条件下边坡渗流场和应力场耦合，并运用强度折减法，研究了不同降雨条件下的边坡的稳定性；秦世伟等[6]基于广西某边坡，对考虑气候条件下的边坡渗透稳定性进行了数值模拟；黄明奎等[7]以重庆市某高速公路高填方路基边坡为研究对象，分析了极端降雨对边坡土体基质吸力、强度和边坡稳定性的影响。虽然许多学者对强降雨条件下的边坡稳定性展开了研究，也取得了一定的成果，但针对武夷山特殊的岩土工程地质条件及降雨条件下的边坡稳定性研究少之又少。随着武夷山地区工程建设规模的不断扩大，许多高陡边坡随之出现，因此很有必要针对该地区粘性土边坡在强降雨条件下的稳定性展开研究。

1 非饱和土边坡降雨入渗基本理论

土质边坡降雨入渗过程是一种典型的饱和-非饱和渗流过程，雨水入渗是影响边坡岩土体含水量大小的主要因素之一，也是造成边坡不稳定的主要因素之一。影响土质边坡雨水入渗能力的因素较多，主要有降雨强度、雨型、历时、土壤的渗透能力、初始含水率、地下水位深浅等。雨水是否全部入渗到边坡土体中取决于降雨强度与土体渗透系数之间的大小关系，当土体渗透系数大于降雨强度时则雨水全部入渗，否则只有部分入渗，其余部分随地表径流排走。

研究表明，降雨在非饱和土中的入渗过程符合达西定律，其二维渗流控制方程表达式如式(1)所示。

(1)

式中：kx为x方向的渗透系数；ky为y方向的渗透系数；mw为储水曲线的斜率；γw为储水曲线的斜率；H为总水头；Q为时间的边界流量；t为时间。

2 模型建立与计算方案

2.1 模型建立及监测点布置

在建模中，边坡坡率按照GB50330-2013《建筑边坡技术规范》相关规定选取，选取坚硬的粘性土作为研究对象，坡率为1:1，坡高为10m，其余参数如图1所示。网格形状为四边形或三角形单元，按0.5m划分一个网格，划分后共计1867个节点，1779个单元。在坡体内设置土体体积含水量观测点，观测点布置如下：观测点1(点号9)坐标为(6，19)，观测点2(点号10)坐标为(6，16)，观测点3(点号11)坐标为(15，14)，观测点4(点号12)坐标为(15，12)，观测点5(点号13)坐标为(20，9)，观测点6(点号14)坐标为(20，7)，观测点7(点号15)坐标为(26，9)，观测点8(点号16)坐标为(26，7)。

2.2 边界条件设置

左侧地下水位高为8m，右侧地下水位高为6m，左右两侧地下水位以上部分及模型底边界均设为零流量边界，坡面部分设置为降雨边界，边界条件如图1所示。

图1 边坡稳定性分析模型图

2.3 参数选取

非饱和土体的渗透系数很难通过试验获得，SEEP/W软件中提供了三种渗透系数函数估算方法，本文采用Van Genuchten参数估算方法，并选用该模型相应的模型参数，取粘性土饱和渗透系数Ks=1.04cm/h，饱和体积含水量θs=0.43，残余体积含水量θr=0.078。其余土体参数采用现场取样、室内土工试验的方法获得，数值模拟参数取值情况如表1所示。

表1 土体物理力学参数表

2.4 降雨方案

气象部门根据12h和24h的降雨量大小将降雨强度划分为6个等级，划分标准如表2所示。

表2 降雨强度分级标准 单位：mm

在研究过程中选取降雨量分别为8mm/d、20mm/d、40mm/d、80mm/d、120mm/d、160mm/d、200mm/d、240mm/d八种工况进行研究，粘性土边坡在降雨持续1d、2d、3d后土体的体积含水量、饱和度和边坡安全系数的变化情况。

2.5 计算方案

先采用Geo-Studio软件中的SLOPE/W模块进行稳态分析，获得边坡土体的初始含水量和安全系数，然后再利用SEEP/W模块进行瞬态分析，在分析中通过改变降雨边界条件来模拟不同降雨强度，根据计算结果分析边坡在不同降雨强度下的土体体积含水量变化情况，最后采用SLOPE/W模块计算不同降雨强度下的粘土边坡安全系数。

3 计算结果分析

3.1 不同降雨强度下边坡土体体积含水量变化规律分析

在数值模拟过程中，对边坡坡体中8个土体体积含水量观测点进行观测，观测频率为0.25天/次，对观测数据进行整理可得，8个观测点的土体体积含水量变化情况如图2所示。

(a)观测点1体积含水量变化曲线

(b)观测点2体积含水量变化曲线

(c)观测点3体积含水量变化曲线

(d)观测点4体积含水量变化曲线

(e)观测点5体积含水量变化曲线

(f)观测点6体积含水量变化曲线

(g)观测点7体积含水量变化曲线

(h)观测点8体积含水量变化曲线

对于观测点1、观测点3、观测点4来说，土体体积含水量随降雨持续时间的增加而增大，增大速率与降雨强度的大小有关，当降雨强度较低时土体体积含水量增加较为缓慢，达到饱和体积含水量的时间较长，当降雨强度增加时，土体体积含水量增加速率随之增加，降雨强度越大土体达到饱和体积含水量的时间越短。

对于观测点2来说，在降雨初期到降雨持续1.5天时，土体体积含水量基本不变，这是因为该观测点距地表较远，雨水入渗到此处所需时间较长导致的。当降雨持续1.5天以上时，随着降雨强度的增加土体体积含水量随之增加，降雨强度越大增加速率越快。

对于观测点5、观测点6、观测点7、观测点8来说，土体体积含水量的变化曲线趋势基本一致，这几个观测点均位于坡脚处，一方面由于这几个观测点离地下水位线较近，另一方面是坡脚处的雨水入渗不仅来自于降雨同时也来自于坡面径流，雨水容易在此处汇集。从图2(e)-图2(h)可以看出，当降雨强度越大时，坡脚处的土体达到饱和体积含水量的时间越短。

综上分析可得，在降雨条件下，边坡坡脚处的土体体积含水量最容易达到饱和，坡体处的土体次之，坡顶处的土体最后达到体积含水量饱和。

3.2 不同降雨强度下边坡安全系数变化规律分析

根据2.4节中的降雨方案对同一边坡在不同降雨强度作用下的稳定性进行模拟，获得边坡在8种不同降雨强度作用下的边坡安全系数，边坡安全系数变化曲线如图3所示。

图3 边坡安全系数变化曲线图

对图3进行分析可得：当降雨强度小于40mm/d时，边坡安全系数随降雨持续时间影响很小，受降雨强度的影响也很小。当降雨强度大于80mm/d时，边坡安全系数随着降雨持续时间增加而逐渐降低，降雨持续时间越长，安全系数降低越多。在降雨持续时间相同时，降雨强度越大，边坡的安全系数降低越多。

4 结论

本文采用Geo-Studio软件研究了粘性土边坡在8种不同降雨强度下的边坡土体体积含水量及边坡安全系数变化规律，经研究可以得出以下几点结论。

(1)降雨持续时间增加时，边坡内土体体积含水量随之增加，增加速率与降雨强度成正相关，降雨强度越大，土体体积含水量增加速率越快，达到饱和体积含水量时间越短。

(2)在降雨条件下，边坡土体体积含水量达到饱和顺序如下：坡脚处土体最快，坡面处土体次之，坡顶处的土体最后。同时，离地表越近越容易达到饱和。

(3)当降雨强度小于40mm/d时，降雨强度大小和降雨持续时间长短对边坡安全系数影响很小。

(4)当降雨强度为暴雨、大暴雨或特大暴雨时，降雨持续时间越长，边坡安全系数降低越多，降雨强度越大时，安全系数降低越多。