降雨入渗对多层非饱和土边坡稳定性影响

2023-07-28姜超

陕西水利 2023年7期

姜超

（西安市高陵区渭河管理站,陕西西安 710200）

1 引言

降雨是引发边坡灾害的重要因素,有调查显示90%的边坡灾害中滑坡是因降雨发生。降雨使土体颗粒间的水压力增大,进而使颗粒孔隙的基质吸力下降,土体因为颗粒间的引力减小抗剪强度降低,滑坡现象发生。Gavin 等研究了均质土坡的雨水入渗模型,推导了不同时刻雨水的浸润锋发展情况。常金源等探究了动水压力对边坡稳定性的影响,但仅针对等厚匀质的土层。

本文结合某库岸边坡工程实例,针对非饱和土边坡雨水入渗造成的稳定性下降问题进行定性分析,并根据Green-Ampt 模型提出了降雨强度和降雨时间与入渗浸润锋深度的计算模型。为不同土层的边坡稳定性分析提供理论依据。

2 分析方法

2.1 边坡降雨入渗机理

雨水在渗入土体边坡时,边坡的土体会从非饱和逐渐转变为饱和状态,而根据入渗路径可以将土体剖面入渗过程划分为四个区域。具体划分情况见图1。根据土层的由浅入深,水分向深层传导,土体的饱和度逐渐降低,湿润区的前段边缘区域会出现湿润锋。随着浸润峰位置的向下移动,含水率曲线呈平稳发展趋势。

图1 边坡入渗剖面图

降雨入渗对非饱和土边坡的影响过程被划分为两阶段,具体的划分过程见图2。两个阶段的区分点被称为积水点。随着降雨的进行,雨水入渗深度逐渐增加,浅层土体渐渐达到饱和状态,饱和土层的厚度和饱和区域不断扩大,边坡内部出现暂时饱和区域,该区域土体的强度要低于非饱和区域,导致边坡失稳的几率增大。

图2 入渗率与时间的关系

2.2 入渗深度计算

Green-Ampt 模型常用于评价土体湿润锋的状况,但在实际工程中,湿润锋之上的土层的含水率要小于饱和土壤,因此本文将经典的Green-Ampt 模型改进,在新的模型中考虑了湿润锋之上的土层的含水率问题以及浸润峰发展状态,并推导了模型。

（1）浸润锋处于第一层土时,土壤入渗率K1大于降雨强度i,在这种情况下,降雨水量全部渗入土体中,此时t

式中：L1为第一层土厚度用 ,m；n 为第一层土孔隙度用 ,%；t 为降雨时间 ,h；sf为入渗后饱和度；s0为初始饱和度；为边坡坡角 ,（°）。

浸润锋处于第一层土时 ,土壤入渗率K1（mm/h）小于降雨强度 i（mm/h）, 在这种情况下 , 降雨水量部分渗入土体中 , 此时此时t ≤t1。

通常的实际工程中非饱和土层大多由多层土壤组成,计算多层非饱和土的浸润锋深度,要根据降雨时间推断入渗深度和入渗的土层位置,然后在根据获得的入渗后饱和度以及入渗率计算多层非饱和土的浸润锋深度。

（1）i 层土壤入渗率Ki（mm/h）大于降雨强度i（mm/h）,在这种情况下,降雨水量全部渗入i（mm/h）层土体中：

式中：Li-1为第i-1 层土厚度,m；ni为第i 层土孔隙度,%；t为降雨时间,h；sfi为入渗后饱和度；s0i为初始饱和度；α 为边坡坡角,（°）。

（2）i 层土壤入渗率K1小于降雨强度i,在这种情况下,降雨水量部分渗入i 层土体中：

雨水在渗入土体边坡时,边坡的土体会从非饱和逐渐转变为饱和状态,浅层的土壤可以快速达到饱和状态,在以下位置的土层仅能达到接近饱和的状态。这部分土体的饱和度多在80%~90%之间。在本文中选取这部分土体的含水量为饱和土体的0.9。同时本文在进行拟合计算时,假设土体渗透系数的数值等于入渗率。

2.3 多层非饱和土降雨入渗边坡稳定性

文中土体的内摩擦角取值参考涂平晖的研究结论,在数值上等于天然内摩擦角。采用强度折减法分析边坡的稳定性。在强度折减法中土体的内摩擦角c（kPa）和粘聚力（°）均要除以F,F 为折减系数,之后得到虚拟c'（kPa），φ'（°）值,带入模型中进行计算。但边坡处失稳的临界情况时,F 被称为稳定性系数。F 的计算公式为：

本文构建的模型使用了摩尔-库仑准则,假设土体为弹塑性体,折减系数的取值范围为0.5~2,以0.25 为间隔。计算稳定系数前需要先初步计算一个大概范围,然后将折减系数精细化,最后计算出准确的稳定系数。当边坡失稳时,发生失稳部分的坡体会由静态变为动态,坡体发生滑动,产生塑性应变和大位移。此时滑动面的土体处于塑性流动状态,在此情况发生时,可以判定边坡失稳,在建模软件中表现为计算结果不收敛。

3 工程概况

本文以某库岸边坡为研究对象,由于夏季强降雨和台风的影响,在连续24 小时降雨量为156.7 mm 时,边坡坡体发生滑移变形。坡体前缘74 m 和后缘50 m 出现滑坡现象,形成裂缝错距1.6 m~3.4 m。

发生滑坡区域的的主体构架为东北向。该地区年平均温度为26℃,多年的平均降雨量为1635.6 mm,年降雨量可达2652.8 mm,边坡坡度为30°~40°,高程为10.3 m~46.4 m。坡体大面积被植被覆盖,钻孔勘探发现从上到下共分为4 个土层,对每个土层的土壤进行试验后发现,土质力学性能较差,抗剪强度低,以发生崩解,土层具体参数见表1。

表1 边坡土层参数

4 边坡稳定性分析

4.1 建立模型

根据库岸边坡的实测数据,选取该地域边坡的典型剖面进行有限元分析计算,建模断面见图3。将图3 进行有限元网格划分,使用平面应变分析法计算边坡的失稳情况。边界条件设置中采用竖向约束,孔压边界设置在地下水位下,边坡边界设置为不排水。

图3 计算模型剖面图

4.2 结果分析

对文中边坡的稳定性进行分析时,设计了两种工况：极端降雨状态和无降雨状态。强度折减法用于天然状态的分析计算。根据极端降雨情况的计算的降雨入渗深度和边坡浸润面（见图4）。极端降雨状态和无降雨状态的稳定性安系数和降雨入渗深度见表2。

表2 不同工况下降雨入渗深度

图4 实际强降雨工况浸润锋位置

在无降雨的情况下边坡会存在潜在滑动面。滑动面的前缘在坡中处,后缘在高压线塔的下方。潜在滑动面会沿边坡深层的岩面滑动,在岩土的交界面处两者的力学特性存在显著差异,安全系数的计算发现数值大于1.5,因此在无降雨的情况下,坡体处于稳定安全状态,具体情况见图5。在极端降雨的条件下,设置的稳定安全系数小于1,滑坡面的前缘移动到坡中上方的路面处,后缘处于高压电塔前5 m 左右,具体情况见图6。由于雨水的入渗,湿润锋以上土层的土体含水率越来越高,土体自身重力增大,基质吸力也随之减小,粘聚力下降,表现为土体整体的抗剪强度降低。

图5 无降雨工况塑性区分布图（F s=1.57）

图6 实际强降雨工况塑性区分布（F s=0.98）

由图6 可知实际的滑动面位置与理论计算的滑动面位置比较吻合,得到的稳定系数为0.98,符合在极端降雨条件下出现的工程实际。滑坡后缘位置与剪切破口位置吻合,但实际滑坡面的深度要大于理论计算深度,原因可能是忽略了不同土层间雨水入渗的特性不同导致。通过图9 中试验现象的比较发现,采用文中提出的模型结合有限元建模对非饱和土边坡的稳定性问题进行分析是可行的。

4.3 边坡稳定性参数敏感性分析

4.3.1 降雨历时的影响

降雨强度降雨时长是影响边坡稳定性的主要因素,为了探究这两个因素对非饱和土边坡的稳定性影响规律,设置不同降雨时长和降雨强度作用在边坡上,观测滑动面的变化情况,具体工况安排见表3。不同工况的计算结果见图7、图8。由图可知,相较于长期降雨,短期降雨容易发生浅层的边坡失稳情况,主要是因为短期降雨的降雨强度大,土体入渗速率可以达到5.3 mm/h~7.3 mm/h,雨水的入渗速率远小于降雨强度,75%的雨水从坡面径流排出,平均入渗深度仅有0.6 mm。因此短时降雨的雨水入渗量较小,浅层土壤先达到饱和状态,湿润峰位置较浅。在长期降雨后,虽然降雨量较小,但雨水入渗量大,入渗深度增加到0.79 m,达到较高饱和度的土层深度增大,会出现较大范围较深层得边坡失稳情况。

表3 不同工况下降雨入渗深度及稳定性安全系数

4.3.2 降雨强度的影响

降雨强度和降雨时长是影响边坡稳定性的主要因素,为了探究这两个因素对非饱和土边坡的稳定性影响规律,设置相同降雨时长和不同降雨强度作用在边坡上,观测滑动面的变化情况,具体工况安排见表4。结果表明边坡的最大入渗深度与降雨强度呈正比,降雨强度越大,雨水入渗越深。边坡的稳定性系数与降雨强度呈反比,降雨强度越大,边坡越容易出现失稳的现象。边坡的滑动面深度和宽度与降雨强度呈正比,降雨强度越大,滑动面面积越大。浸润锋处于粉质黏土层时,发生滑动的位置在浸润锋前段；当雨水继续入渗,浸润深度处于土-岩结合和界面时,边坡的滑动主要源于基岩界面,雨水入渗在岩石的表面形成水膜,起到润滑的作用,加速了边坡土体的滑动,促进里边坡的失稳发生。