降雨入滲對邊坡穩定性影響的試驗研究*

倪凱軍 安海堂 張衛強

(1.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢);2.中南市政工程中南設計研究院有限公司;3.中國礦業大學資源與地球科學學院)

降雨是誘發邊坡失穩的一個重要影響因素，主要體現在:降雨入滲使坡體含水率增大，重度增大，使邊坡的下滑力增大;降雨使邊坡體的力學性能劣化;降雨使地下水位上升，在坡體中產生孔隙水壓和滲透力，導致抗滑力減小下滑力增大［1-3］。因此研究降雨入滲對邊坡穩定的影響是十分重要和有意義的。目前，對邊坡的穩定性研究主要集中在實測和數值模擬兩個方面，且已取得了不少成果。如陳正洪等從幾十個典型滑坡事例出發，分析了我國湖北省降雨型滑坡泥石流的時空分布特征和與之密切相關的降雨氣候條件的時空分布規律，得到日降雨量大于50 mm天數為最緊密因子［4］;謝劍明等根據浙江省降雨的特點，研究了區域性滑坡災害與臺風區和非臺風區降雨量及降雨強度的相關性［5］;日本Jagannath Jos hi等對日本福岡縣阿波羅山國有林地降雨引起的31處滑坡進行了統計分析，結果表明，42%的滑坡發生在凹坡，32%發生在直坡，26%發生在凸坡［6］;Lumb研究了降雨和滑坡的關系，并率先提出了一種簡化的一維垂直入滲模型［7］;陳守義通過數值計算方法，求解了任意給定的入滲和蒸發邊界條件下，邊坡土體的瞬態含水率分布，及與其相對應的瞬態抗剪強度參數分布［8］。

為更深入全面的分析降雨入滲對邊坡穩定性的影響，本文通過室內邊坡試驗，考慮降雨入滲條件，模擬了降雨過程中水分在邊坡中的滲流過程，并通過對土體壓力、位移等參數的檢測，得到了降雨入滲過程中物理力學參數的變化，通過數值模擬方法，分析了水分的運移規律，并計算出了潛在滑動面，為邊坡的穩定運行提供指導。

1 室內邊坡試驗

試驗模型為長120 cm，寬110 cm，高100 cm的透明硬質鋼化玻璃箱，玻璃板厚2 cm。模型箱兩側和后端均有等間距分布的1.5 cm直徑的圓孔。為便于試驗材料的鋪設和觀察試驗結果，在模型箱上預先畫有10 cm的網格。

試驗土體為普通黏土和1 cm以下的細砂，土體和細砂的主要物理參數如表1所示。邊坡制作過程中采用分層填筑，每層5 cm，夯實后繼續鋪設下一層;在坡體中間鋪設一細砂層，模擬邊坡中軟弱夾層;在邊坡頂部開挖一長40 cm、高15 cm的水槽，保持15 cm水頭，模擬降雨入滲過程;采用高清數碼相機觀察水分的入滲過程和土體變形。試驗模型如圖1所示。

表1 土的物理力學參數

圖1 試驗模型

2 試驗結果及分析

圖2為降雨過程中水分的入滲過程。由圖2可知，降雨在邊坡入滲分為垂向入滲和橫向入滲，由于重力作用，垂向入滲速率大于橫向入滲速率，水槽下面的土體率先達到飽和。隨著時間的延長，坡體內部浸潤線不斷向橫向和垂向移動，浸潤面積也在不斷擴大，黏土邊坡中夾雜的砂土層濕潤峰前進的速度大于黏土層，這是由于沙土的滲透系數大于黏土的滲透系數?；轮袧B透系數大的層面容易形成滑移面，在邊坡防治中應加強對此層的處理。

砂層浸潤線隨時間變化曲線的試驗測點見圖3，試驗數據的擬合函數為:擬合相關系數R2=0.998。

圖2 入滲過程浸潤曲線變化

圖3 入滲砂層浸潤線長度變化

由圖3可以看出，水在砂土層中的入滲隨時間慢慢擴散，時間越長浸潤長度越大。但入滲的速度與時間不是一一對應關系。由R2=0.998可知，式(1)與實際曲線的相關度非常高，可近似看成一條對數線，時間越長入滲速率越低，入滲越慢。在時間60～70 min、砂層土浸潤線長度在40～45 cm時，入滲速率明顯降低，之后趨于平穩。分析原因主要由于水在滲流過程中能量不斷消耗，水力坡度變小，水動力作用趨于平穩，入滲速率也隨之變低。

3 數值模擬

本文數值模擬在SLOPE/W上完成。SLOPE/W是Geoslope公司生產的巖土工程有限元數值分析軟件GeoStudio中的一個模塊，專用在邊坡的穩定性評價，即邊坡安全系數的分析計算。該軟件可以采用多種邊坡穩定性分析方法，能夠計算孔隙水壓力下的邊坡穩定性問題。本文在此軟件上計算時采用Bishop法。

圖4為試驗模型有限元網格劃分圖。圖5為模型降雨入滲過程的Slop數值模擬圖，圖中箭頭表示滲流方向，長度表示滲流速率，1線表示潛水的位置。由圖5可以看出，開始是在各個方向入滲，但垂向的入滲明顯大于橫向，所以水先向下運動比較快。由于水的不斷入滲，邊坡上層的容重增加，下層土體逐漸飽和，受到擠壓。隨著入滲時間的增加，壓力愈來愈大，邊坡土體內部的孔隙水壓力也不斷增加，土體內部的水位線不斷上升，邊坡下部土體處于飽和狀態，上部土體處于非飽和狀態，土體下部的孔隙水壓力大于上部。

當經過砂土層時，圖中等水位線明顯由砂土層的位置向外凸起，說明了水在砂土層的入滲速率大于土層(沙土的滲透系數大于土層滲透系數)。這與試驗過程中整個邊坡的浸潤線在砂土層的位置向外凸起非常吻合。

圖4 有限元網格劃分

圖5 Slop數值模擬

當土體飽和時，由圖5可以看出砂土層的滲流速率較大，明顯大于其上部與下部的土層，形成了一個潛在的滑移面。一旦邊坡的穩定性遭到破壞的時候，就很有可能沿著這層潛在的滑移面滑動。

圖6為 Janbu法、Bishop法、Morgenstern-Price法計算出來的、隨著最大潛水面升高的最小安全系數變化曲線。由圖6可知，最小安全系數隨著入滲程過的進行逐漸減小，當最大潛水位為0.8 m左右時，最小安全系數已經接近1，這時邊坡處于滑動臨界狀態，十分危險。圖7為Janbu法計算出的最危險滑動面，可以看出，最危險滑動面穿過砂層，位于下層黏土與砂層的交界面上。這是由于砂土的抗剪強度較低。數值計算結果表明，在邊坡中存在強度較低的土層時，容易在該層產生滑坡。

4 結論

圖6 最小安全系數與最大潛水位關系

圖7 Janbu法計算出的最危險滑動面

通過考慮降雨入滲的室內邊坡試驗，模擬了降雨過程中雨水在邊坡中的入滲過程及運移規律，計算了最小安全系數隨最大潛水位的變化關系和最危險滑動面。得到主要結論如下:

(1)雨水在邊坡入滲過程中，垂向入滲大于橫向入滲，細砂層為水分的優勢滲流層。砂層浸潤線的長度隨著時間的延長逐漸增大，增大規律符合對數函數。滲流速度隨著時間的增長逐漸減慢，在60～70 min時，入滲速率有明顯降低。

(2)通過數值模擬，分析了降雨過程中水分在邊坡中的運移規律，水分的垂向運移大于橫向運移，當邊坡下部飽和后橫向運移速率變大，細砂層為水分的優勢滲流層，滲流速率大于黏土層，易形成邊坡失穩的潛在滑移面。

(3)隨著降雨入滲，最小安全系數逐漸減小。通過Janbu法，計算出了最危險滑動面穿過砂層，位于下層黏土與砂層的交界面上。

［1］ 王恭先.邊坡滑坡原因分析及防治辦法［J］.重慶建筑，2005(6):18-21.

［2］ 武 麗.降雨入滲對邊坡滲流特性及穩定的影響研究［D］.南京:河海大學，2005.

［3］ 陳書生.基于強度折減技術的邊坡穩定性及其影響因素分析［J］.勘查科學與技術，2009(3):3-7.

［4］ 陳正洪，萬素琴，毛以偉.三峽庫區復雜地形下的降雨時空分布特點分析［J］.長江流域資源與環境，2005，14(5):623-627.

［5］ 謝劍明，尹顯科，郭勁松.飛水崖堆積體邊坡的穩定性分析與評價［J］.水電站設計，2007，23(1):62-65.

［6］ Tsaparas I，Rahardjo H，Toll D G，et al.Controlling parameters for rainfal-l induced landslides［J］.Computers and Geotechanics，2002，29(1):127.

［7］ Wang G，Sassa K.Factors affecting rainfall-induced flowslides in laboratory flume tests［J］.Geotechnique，2001(7):587-599.

［8］ 陳守義.考慮入滲和蒸發影響的土坡穩定性分析方法［J］.巖土力學，1997，18(2):8-13.