不同降雨模式下土质边坡渗流场分析的数值模拟研究

摘 要：为准确分析短期强降雨、长期弱降雨和周期性降雨中哪种降雨模式对土质边坡渗流场的影响最大，根据非饱和土渗透系数和饱和土渗透系数的对应关系，该文利用FLAC3D软件监测降雨入渗过程中的地下水位，并用FISH语言实时更新非饱和土的渗透系数，进而确定边坡内部的渗流场变化规律。在广西平陆运河边坡工程现场中监测坡面土质含水量的变化，并将数值模拟结果与现场试验数据进行比较，验证数值模拟结果的可靠性。通过该文提出的数值模拟分析程序，绘出在不同降雨模式下边坡上非饱和土的渗流特征情况，研究结果可指导边坡工程在降雨过程中制定支护方案。

关键词：边坡工程；降雨模式；渗流场；数值模拟；非饱和土

中图分类号：TU43 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0090-04

Abstract： In order to accurately analyze which rainfall mode has the greatest influence on the seepage field of soil slope among short-term heavy rainfall， long-term weak rainfall and periodic rainfall， according to the corresponding relationship between the permeability coefficient of unsaturated soil and the permeability coefficient of saturated soil， we use FLAC3D software to monitor the groundwater level in the process of rainfall infiltration， and use fish language to update the permeability coefficient of unsaturated soil in real time， and then determine the variation law of seepage field in the slope. The change of soil water content on the slope was monitored in the Pinglu Canal slope project in Guangxi， and the numerical simulation results were compared with the field test data to verify the reliability of the numerical simulation results. Through the numerical simulation analysis program proposed in this paper， the seepage characteristics of unsaturated soil on the slope under different rainfall modes are drawn， and the research results guide the slope engineering to formulate the support scheme in the process of rainfall.

Keywords： slope engineering; rainfaGZBTzePtEyhB8uehVjTBQdi0Cfia2L0TiNJ1mGY9UmA=ll model; seepage field; numerical simulation; unsaturated soil

降雨模式包括长期弱降雨、短期强降雨、雨季周期性降雨。在降雨过程中，由于地下水位的上升，边坡负孔隙压力和安全系数急剧下降。在过去的几十年中，越来越多的研究人员开始研究不同降雨模式下边坡渗流场的变化规律[1-2]。该研究从降雨模式的2个方面进行[2]：降雨强度和持续时间[3-4]。在研究降雨对边坡稳定性影响的过程中，研究人员更愿意研究短期强降雨对边坡稳定性的影响[5]。然而，在长期弱降雨和周期性降雨期间，有许多边坡工程事故发生[6-8]。

由于试验条件的限制，一些研究人员转向数值模拟软件来模拟和分析降雨条件下边坡的渗流场变化规律。数值模拟软件包括GEO-slope、FLAC3D等。此外，GEO-Slope软件的渗漏模块仅限于分析二维边坡的安全性。因此，一些研究人员转而使用FLAC3D来分析降雨条件下三维边坡的安全性。FLAC3D软件在模拟渗流过程中无法考虑非饱和土的渗透系数，从而使得渗流场计算结果有一定偏差。因此，有必要使用FLAC3D软件的FISH语言在降雨期间实时更新非饱和土的渗透系数。

本文研究目的是在FLAC3D软件模拟降雨入渗过程中实时更新非饱和土渗透系数的有效方法，分析短时强降雨、长时间弱降雨和周期性降雨模式中哪种模式对边坡渗流场影响更大。本文利用FLAC3D软件的FISH语言监测降雨过程中边坡土壤孔隙压力和含水量的变化规律，为了验证数值模拟结果的准确性，将含水率变化规律与现场试验结果进行了对比。利用数值模拟软件模拟不同降雨模式下边坡孔隙压力的变化规律，确定何种模式对边坡渗流场影响最大，并将模拟结果作为分析雨季实际边坡稳定程度的参考。

1 现场试验结果验证数值模拟结果的准确性

为了验证数值模拟程序的准确性，对现场试验和数值模拟监测点数据进行了对比分析。以广西平陆运河马道枢纽范围内陆上的某段边坡工程为例，根据边坡工程在现场试验中的实际情况，建立了相应的数值模拟计算模型（如图1所示）。地下水位分别距模型左右两侧底部12 m和15 m。边坡岩土体的物理力学参数和SWCC参数见表1。

为了模拟降雨过程中边坡渗流场的变化，将边坡模型的降雨密度设置为16 mm/h。选择命令“vwell”作用于边坡表层土体模拟降雨，荷载值为4.44×10-6 m/s。降雨持续时间值为4 h，对应于现场试验。在计算过程中，边坡饱和土的渗透系数为1×10-7，非饱和土渗透系数实时更新。

在数值模拟计算过程中采集边坡模型监测点孔隙压力的变化，并将其值转换为土壤含水量。在转化过程中，将孔隙压力大于0的土壤单位含水率强行设定为饱和含水率值。将变换结果与实际监测点土壤含水量变化进行比较，结果如图2所示，确定数值模拟计算的准确性。

从图2可以看出，在土壤含水量由残余含水量向饱和含水量转变的过程中，实际监测值与模拟计算值之间的土壤含水量总体趋势接近。但除了监测点含水量从非饱和状态转变为饱和状态的计算时间略小于实际监测时间外，2种土壤达到饱和的时间差为20 min，其差异的主要原因是数值模拟的计算结果较为理想，而实际监测值受试验条件、监测仪器设备等因素影响有偏差。

2 不同降雨模式下边坡渗流场变化规律

2.1 降雨模式的设定

在实际工程中，降雨模式主要包括长期连续弱降雨和短期周期性强降雨。为了分析不同降雨模式下边坡渗流场的变化情况，本文制定了5种降雨模式。模式1是指长期连续的弱降雨；模式2是在短时间内持续暴雨；模式3—模式5为长期周期性强降雨。周期性强降雨的间歇性过程意味着没有降雨。这些降雨模式的具体降雨强度和持续时间显示在表2中。弱降雨的降雨密度为8 mm/h，强降雨的降雨密度为16 mm/h，计算持续时间为8 h，总降雨量为128 mm。

2.2 边坡渗流场的监测点设置

为了分析5种降雨模式对边坡土质孔隙压力的影响，将5种降雨模式加载到边坡上并计算渗流场。边坡模型、地下水位和土壤孔隙压力监测点分别位于边坡的顶部、中部和底部，示意图如图3所示。

2.3 不同降雨模式下的边坡渗流场模拟结果

通过对比模式1和模式2的结果，可以详细分析短期强降雨和长期弱降雨对边坡孔隙压力的影响。模式3、模式4和模式5孔隙压力结果可用于分析周期降雨对边坡孔压力的影响[9]。降雨条件下边坡不同位置孔隙压力的变化规律如图4—图6所示。

不同降雨模式下，边坡不同位置监测点的孔隙压力变化规律相对相似。也就是说，随着降雨时间的不断增加，边坡表面的孔隙压力不断减小。但在周期性降雨的无降雨或小雨过程中，边坡监测点孔隙压力略有增加。负孔隙压力增幅最大的监测点位于边坡底部，其次是边坡中部、边坡顶部。

为了分析短期强降雨和长期弱降雨对边坡孔隙压力的影响，对比了模式1和模式2下的边坡孔隙压力数据。模式1是指长期连续的弱降雨：模式1的降雨密度为8 mm/h，降雨持续时间为8 h。模式2是指短时间内持续暴雨：降雨密度为16 mm/h，前4 h为降雨持续时间，随后4 h为无降雨。在连续降雨的前4 h，2种降雨模式下边坡负孔隙压力持续快速减小，直至边坡监测点孔隙压力接近0，模式2降雨条件下边坡孔隙压力降低幅度大于模式1；在降雨模式的第二个4 h过程中，模式1仍处于连续降雨状态，监测点孔隙压力值不断减小，但其下降速度变慢。而模式2处于无雨状态，坡面土体负孔隙压力迅速增大，然后趋于平坦。

通过对比模式3、模式4和模式5等周期性降雨条件下孔隙压力的变化规律，分析周期性降雨对边坡孔隙压力的影响。结果表明，周期越短，循环降雨次数越多，孔隙压力变化范围越小，越接近模式1的孔隙压力变化规律。

综上所述，在周期性降雨过程中，边坡表面土压的变化范围大于边坡内土体孔隙压力的变化范围。在降雨过程中，边坡表层土体孔隙水压力不断减小，浸水线趋于向边坡顶部发展。当停止降雨时，边坡表层土的孔隙压力迅速减小。监测时间结束时，表层土的孔隙压力略大于边坡内土壤的孔隙压力。

3 结论

本文利用FLAC3D的FISH语言实时更新了非饱和土的渗透系数，从而准确模拟和计算了降雨入渗过程中孔隙压力的变化规律。利用FISH语言的编程功能对坡面土体孔隙压力进行修正。主要步骤包括监测土壤元素的孔隙压力值。如果坡面土的孔隙压力值为正，则需要将其校正为零，否则孔隙压力保持不变。选取实际边坡工程作为研究对象，设置土壤含水量监测点。将监测结果与数值模拟结果进行对比，结果表明差异较小。因此，降雨条件下边坡渗流数值模拟计算方法具有一定的可靠性，为研究提供了一定的可靠性。

参考文献：

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