间歇性降雨条件下非饱和土边坡降雨入渗的变化规律

朱志广，杨宇，肖成明，卢利坤

（1.广西交通职业技术学院；2.广西路建工程集团有限公司 广西南宁 530023）

0 引言

边坡失稳形成滑坡灾害不仅影响到经济建设的发展，而且严重威胁人们的生命财产安全。绝大多数的滑坡是发生在降雨期间或降雨之后，降雨成为诱发边坡失稳产生滑坡的重要影响因素，目前，国内外学者对降雨条件下边坡稳定性的影响开展了一系列的研究，基本上单方面考虑降雨强度、降雨次数、降雨时长等方面进行研究分析，实际上，降雨过程是一个复杂多变的过程，存在降雨强度动态变化、降雨停歇的交替变化的一个多变过程[1-5]，本文在收集详细的气象数据资料基础上，分析实际降雨环境的间歇性降雨类型，采用Geo-Studio 软件中的SEEP/W 模块模拟实际间歇性降雨工况下，非饱和土边坡降雨入渗的变化规律，对降雨条件下非饱和土体渗流分析具有重要的实践意义。

1 非饱和土边坡降雨入渗基本理论

降雨入渗是非饱和土典型的渗流问题，降雨入渗量的多少直接影响土体的含水量的变化，从而导致土体强度的降低，对于非饱和土而言，储存在孔隙中的水的体积很大程度上依赖于孔隙水的负压，非饱和土的基质吸力定义为空气压力和水压力的差值，基质吸力对非饱和土的力学性质具有重要影响，非饱和土的基质吸力随着含水量的变化而变化，含水量和基质吸力的关系曲线称为体积含水量函数，体积含水量函数描述了当土体排水时，空隙保持了多少比例或者体积的孔隙水。刻画体积含水量函数的3 个主要特征量为：空气进入值（记为AEV），从负到正的孔隙水压力范围内的函数斜率（用mw表示）以及残余含水率或饱和度（θ或者Sr）。Van Genuchten通过对体积含水量函数的研究，得出非饱和土体含水量与基质吸力之间的幂函数形式的关系式，其表达式如下：

式中：θ—体积含水量；θs—饱和体积含水量；θr—残余体积含水量；ψ—负孔隙水压力；α、n、m—曲线拟合参数。

饱和土的渗透系数可以通过做试验测得，但对于非饱和土的渗透系数测定却是一个相当复杂的过程，因为土体孔隙中含有气体，水的渗流路径需要绕过气体孔隙而变得更加曲折，也导致土的导水能力减小，渗透系数降低，因此，土体中水的渗透能力依赖于土体中现有含水量，而土体现有含水量可以通过体积含水量函数来表征，Van Genuchten 通过体积含水量函数提出了描述水力渗透系数作为土介质的基质吸力的函数形式：

式中：k(θ)—非饱和土渗透系数；ks—饱和土渗透系数；其余参数同前。

2 工程模型建立

选取南宁市非膨胀性黏土作为研究对象，采用Geo-Studio 软件中的SEEP/W 模块建立模型，模型的几何尺寸设置为边坡高度10 m，坡比为1∶1.0，为了控制边界对边坡的影响，计算的边坡模型坡坡脚、坡顶都延申了3倍的边坡高度即30 m[3]，模型总长70 m，模型总高度30 m，模型网格划分长度为1 m，采用四边形或三角形的网格划分模式，网格划分得节点1830个，1736个单元。

边界条件：初始分析时采用稳态分析，设置左侧地下水位高度为16 m，右侧地下水位高度为12 m，在左右两侧地下水位以上部分及模型底部边界设置为零流量边界，在瞬时渗流分析时，坡面设置为各个降雨工况，采用单位流量，具体模型与边界条件见图1。

图1 降雨分析边坡模型

为了研究在实际间歇性降雨条件工况下，边坡土体雨水入渗的变化规律，分别在坡顶、斜坡中部、坡脚地面以下每间隔1 m 设置观测点，共计9 个观测点，观测点布设位置具体见图1和表1。

表1 观测点布设表

参数选取：根据土工室内变水头试验测得饱和土渗透系数为ks=4.3×10-7m/s，根据经验取土体的饱和含水量θs=0.4，残余体积含水量θr=0.078，本文采用Van Genuchten 模型估算非饱和土水力渗透系数与基质吸力的函数曲线，体积含水量与基质吸力关系曲线见图2，非饱和土水力渗透系数与基质吸力的关系曲线见图3。

图2 体积含水量与基质吸力关系曲线

图3 水力渗透系数与基质吸力的关系曲线

3 间歇性降雨工况设置

我国气象部门把降水强度定义为某一时间段降下水量的多少，通常计量时段常取为12 h或24 h为一个时段，根据降水量的多少，可将降雨划分为：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六个等级[3]，划分标准见表2。

表2 降雨强度分级标准

南宁为典型的亚热带季风气候区，日照充足，雨量充沛，气候湿热，夏长冬短，降雨一般多集中在5 月至8 月间，约占全年降雨量的65%，本文收集了南宁市近3 年5-7 月份的降雨数据（见表3）。本文选取降雨强度较高、持续时间较长的典型间歇性降雨作为本次模拟的工况，分别选取大雨-中雨集中型降雨工况（2020 年5 月）、间歇性中雨-小雨型降雨工况（2021 年6 月）、突发大暴雨型降雨工况（2021年7月）、间歇性小雨-暴雨-中雨型降雨工况（2022 年5 月）的降雨数据作为模拟降雨的边界条件，该4个月份的详细降雨数据趋势见图4-图7。

表3 2020-2022年5-7月份详细降雨数据

图4 2020年5月降雨分布（大雨-中雨集中型）

图5 2021年6月降雨分布（间歇性中雨-小雨型）

图6 2021年7月降雨分布（突发大暴雨型）

图7 2022年5月降雨分布（间歇性小雨-暴雨-中雨型）

4 计算结果分析

4.1 初始稳态结果分析

在进行降雨入渗瞬态分析前，需要进行初始稳态渗流分析，各降雨工况初始稳态分析结果如图8所示，根据图8 可以得出，在初始稳态渗流分析中，边坡内部土体含水量随着高度的增加而降低，坡顶的土体含水量会比坡脚的低，但位于斜坡的土体，受斜坡坡度的影响，斜坡土体含水量偏低。

图8 各观测点稳态分析体积含水量图

4.2 各降雨工况渗流分析

在SEEP/W 模块设置降雨边界条件时，采用样条数据点函数根据表2中相应月份每天的降雨数据输入到降雨边界中，分别模拟“大雨-中雨集中型降雨工况（2020 年5 月）、间歇性中雨-小雨型降雨工况（2021年6月）、突发大暴雨型降雨工况（2021年7月）、间歇性小雨-暴雨-中雨型降雨工况（2022 年5月）”等4种工况下边坡不同部位（9-17号观测点）土体含水量的变化情况，模拟具体结果见图9-12。

图9 大雨-中雨集中型降雨工况体积含水量变化图

图10 间歇性中雨-小雨型降雨工况体积含水量变化图

分析图9-12 土体含水量的变化情况。可以得出以下结论：

（1）通过对不同间歇性降雨工况分析可以看出，土体含水量变化曲线基本与降雨强度分布相一致，尤其对暴雨情况响应显著（如图11所示），2021年6月前20天基本为间歇性小雨，土体体积含水量增长不明显，到21日突发大暴雨，土体含水量迅速增长。

图12 突发大暴雨型工况体积含水量变化图

（2）通过对比不同深度的观测点体积含水量变化情况可知，距离地表越近的土体，受降雨影响变化越明显，体积含水量变化越大，越往边坡土体深处，含水量变化越小，对降雨的响应程度越小。

（3）综合边坡坡顶、斜坡、坡脚土体含水量的变化情况可知，距离地表以下同一深度内，斜坡土体体积含水量大于坡顶和坡脚土体，受降雨影响程度大于坡顶和坡脚。

5 结论

本文收集了南宁2020-2022年5-7月份的详细降雨气象数据，在此基础上，采用Geo-Studio软件中的SEEP/W模块分别模拟“大雨-中雨集中型降雨工况（2020 年5 月）、间歇性中雨-小雨型降雨工况（2021 年6 月）、突发大暴雨型降雨工况（2021 年7月）、间歇性小雨-暴雨-中雨型降雨工况（2022年5月）”等4 种工况下边坡不同部位（9-17 号观测点）土体含水量的变化情况，总结得出非饱和土体降雨入渗的规律：边坡内部土体含水量变化曲线基本与降雨强度分布相一致，且对暴雨响应较为明显，距离地表越近的土体，受降雨影响变化越明显，越往边坡土体深处，含水量变化越小，对降雨的响应程度越小，距离地表以下同一深度内，斜坡土体体积含水量大于坡顶和坡脚土体，受降雨影响程度大于坡顶和坡脚。