孫志杰

(山西省交通科學(xué)研究院，黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006)

邊坡穩(wěn)定性受各種內(nèi)在和外在因素的影響，這些因素包括坡體幾何形態(tài)、土體物理力學(xué)特性、地震力、降雨條件等，其中降雨是導(dǎo)致土質(zhì)邊坡滑坡、坍塌的主要因素之一。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面已開展了大量的研究，文獻(xiàn)［1－2］簡(jiǎn)要分析了多孔介質(zhì)非飽和滲流力學(xué)模型，對(duì)降雨入滲工況下邊坡坡體內(nèi)滲流場(chǎng)分布進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［3］分析了降雨入滲條件下的水力學(xué)參數(shù)的敏感性，得出滲透性差的土質(zhì)對(duì)土水特征曲線擬合參數(shù)的影響程度較滲透性好的土質(zhì)要強(qiáng)。文獻(xiàn)［4－7］研究了降雨因素(雨強(qiáng)、歷時(shí)、前期降雨、土體滲透特性以及降雨類型等)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)［8－9］采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)方法對(duì)黃土高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)［10］分析了邊坡含水率和抗剪強(qiáng)度隨降雨時(shí)間的變化特性，建立了持續(xù)小強(qiáng)度降雨入滲條件下非飽和邊坡土的總黏聚力和內(nèi)摩擦角與時(shí)間的關(guān)系。文獻(xiàn)［11］對(duì)降雨入滲通道對(duì)黃土開挖邊坡影響進(jìn)行分析，得出降雨入滲通道間距與坡高擬合關(guān)系式。

上述文獻(xiàn)對(duì)不同降雨要素下邊坡土體孔隙水壓力的影響規(guī)律的分析居多，且多以邊坡某一特定部位(如坡肩)進(jìn)行分析，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析居多。同時(shí)在進(jìn)行非飽和土體的土水特征曲線試驗(yàn)時(shí)需專用儀器且耗時(shí)較長(zhǎng)?；诖耍疚耐ㄟ^試驗(yàn)得到土體飽和含水率等參數(shù)，結(jié)合SEEP/W提供的典型含水率函數(shù)得出滿足模型要求的孔隙水壓力－滲透系數(shù)曲線，建立有限元數(shù)值模型對(duì)降雨入滲條件下土質(zhì)邊坡土體含水率分布的變化規(guī)律進(jìn)行研究。通過邊坡土體含水率分布結(jié)合現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性分析方法，得到安全系數(shù)的變化規(guī)律。

1 非飽和土滲流模型建立

把降雨入滲條件下土質(zhì)邊坡的滲流問題簡(jiǎn)化為典型的二維非飽和滲流問題，達(dá)西定律仍然適用。土體內(nèi)非飽和滲流控制方程形式為［4］:

式中:h為總水頭;kx、ky為x、y方向的滲透系數(shù);Q為匯源項(xiàng);mω為土水特征曲線斜率的絕對(duì)值;ρω為水的密度;g為重力加速度;t為時(shí)間。邊界條件:

根據(jù)軟件提供的不同類型土的典型含水率函數(shù)［12］，試驗(yàn)獲得土體飽和含水率為47%，殘余含水率為 4.7%。

試驗(yàn)使用GEO－Experts應(yīng)力相關(guān)的土水特征曲線壓力板儀系統(tǒng)。試驗(yàn)前對(duì)土樣進(jìn)行充分飽和，并進(jìn)行預(yù)固結(jié)。通過調(diào)節(jié)垂直氣動(dòng)加載系統(tǒng)，間隔一定時(shí)間調(diào)整基質(zhì)吸力，讀取水體積。然后進(jìn)行下一級(jí)基質(zhì)吸力加載，循環(huán)得出土樣基質(zhì)吸力對(duì)應(yīng)試樣中水體積的變化。通過實(shí)驗(yàn)得到的的土－水特征曲線如圖1。

滲透系數(shù)與孔隙水壓力曲線如圖2所示，飽和滲透系數(shù) k=1×10－5m/h。

2 模型和計(jì)算方案

以某一均質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，其各項(xiàng)同性，不計(jì)變形對(duì)滲流的影響。邊坡幾何尺寸見圖3。模型采用SEEP/W模擬，邊界條件:坡表為流量邊界q=0.001 m/h。當(dāng)雨強(qiáng)小于坡表入滲能力時(shí)，入滲速率取雨強(qiáng)，滲流邊界為流量邊界;當(dāng)雨強(qiáng)大于坡表入滲能力時(shí)，邊界條件轉(zhuǎn)換為給定水頭邊界條件。不考慮地下水位的影響。有限元模型如圖4所示。

圖1 土－水特征曲線

圖2 滲透系數(shù)－孔隙水壓力曲線

圖3 邊坡幾何尺寸及監(jiān)測(cè)斷面布置(單位:m)

為分析邊坡不同部位以及不同土層深度的土體含水率的變化規(guī)律，故特設(shè)置如圖3所示的特征剖面及特征點(diǎn)來對(duì)邊坡在降入條件下的滲流特性進(jìn)行研究。

同時(shí)將滲透系數(shù)對(duì)土體含水率的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，采用表1的計(jì)算工況。

對(duì)不同飽和滲透系數(shù)條件下的土質(zhì)邊坡進(jìn)行了滲流計(jì)算，持續(xù)總時(shí)長(zhǎng)為24 h。重點(diǎn)對(duì)不同工況下坡頂平臺(tái)中部、坡肩、坡體中部、坡腳、坡底平臺(tái)中部坡表以下5 m深度范圍內(nèi)含水率豎向變化進(jìn)行分析。

圖4 邊坡降雨有限元模型

表1 考慮土體飽和滲透系數(shù)影響的計(jì)算方案

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 降雨持時(shí)影響

以滲透系數(shù)k=1×10－5m/h為例，圖5為工況A斷面Ⅲ地表不同深度處含水率隨降雨歷時(shí)的變化曲線。

圖5(a)和圖5(b)含水率變化曲線基本相同?？梢钥闯?，降雨1 h時(shí)，不同深度土體含水率差異不大，約為20%。隨著降雨時(shí)間的增加，坡表土體含水率迅速增加，但由于土體入滲能力有限，隨著入滲深度的增加，含水率迅速衰減，并在坡表以下1.3 m處減小至最小值，從1.3 m到2 m，含水率有稍許回升，而后逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。坡表土體含水率在降雨24 h時(shí)達(dá)到41%，增加了約1倍。且2 h～8 h，含水率增長(zhǎng)最快;到 8 h時(shí)，含水率已增至40.5%;后期8 h～24 h，含水率幾乎不變。

對(duì)于圖5(c)，降雨8 h時(shí)，坡表含水率已達(dá)到工況A、工況B歷時(shí)24 h的含水率41%;降雨大于18 h，入滲影響深度由工況A、工況B的1.3 m增加到3 m;降雨24 h土體含水率達(dá)到46%。

綜合對(duì)比圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)，當(dāng)滲透系數(shù)較小時(shí)，滲透系數(shù)對(duì)土體含水率影響較小，當(dāng)滲透系數(shù)增大到一定程度，滲透系數(shù)變化對(duì)水入滲深度及表層一定范圍內(nèi)含水率變化影響較大。

圖5 含水率隨地表深度變化曲線

3.2 滲透系數(shù)影響

為進(jìn)一步分析邊坡不同部位含水率受滲透系數(shù)及降雨歷時(shí)的影響，提取坡肩Ⅱ斷面、坡中Ⅲ斷面、坡腳Ⅳ斷面各工況含水率時(shí)間曲線，如圖6所示。

圖6(a)，工況A、工況B含水率變化規(guī)律相同，從1 h～6 h，含水率增大到約40%，之后含水率基本保持穩(wěn)定。工況C含水率6 h～18 h繼續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，增幅較之前稍小。18 h后含水率基本穩(wěn)定，含水率達(dá)到48%，約為A、B的1.22倍。

圖6(b)變化規(guī)律同圖6(a)，不同之處在于三條曲線重合段從坡肩斷面的6 h推遲到坡中斷面的8 h。工況A、工況B穩(wěn)定含水率也為40%，工況C含水率24 h達(dá)到46%，約為工況A、工況B的1.15倍，且并未趨于穩(wěn)定。

圖6(c)中三條曲線重合度較高，變化規(guī)律同圖6(a)、圖6(b)均不同。還表現(xiàn)在1 h～12 h，工況C含水率均稍小于工況A、工況B。

綜合圖6得出，坡肩位置，坡表含水率主要受滲透系數(shù)及降雨歷時(shí)決定，坡中位置受邊坡上部水下滲，含水率得到部分補(bǔ)充。到坡腳位置，邊坡坡腳以上下滲水的補(bǔ)充效果更顯著。

圖6 含水率隨降雨歷時(shí)變化曲線

3.3 邊坡不同部位

除坡體部分外，本文還對(duì)邊坡上、下平臺(tái)土體含水率進(jìn)行了研究，如圖7(a)為坡表不同部位含水率曲線、圖7(b)為距坡表1 m處含水率曲線。

圖7 邊坡不同部位含水率變化曲線

由圖7(a)可看出，由于沒有入滲水源補(bǔ)給，坡頂平臺(tái)中部斷面含水率在整個(gè)降雨歷程中均處于低位;坡腳和坡底平臺(tái)中部斷面含水率變化規(guī)律相似，降雨1 h～4 h、降雨10 h～24 h，Ⅳ、Ⅴ斷面坡表含水率均為5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高;坡肩和坡中斷面含水率變化規(guī)律相似，在降雨初期和末期，Ⅱ、Ⅲ斷面地表含水率居中;4 h～10 h，坡肩和坡中斷面坡表含水率超出坡腳和坡底中部斷面，且Ⅱ、Ⅲ斷面含水率在6 h～8 h以后基本趨于穩(wěn)定。由于有坡體入滲水的補(bǔ)充，Ⅳ、Ⅴ斷面直至10 h～12 h才趨于穩(wěn)定。

與圖7(a)不同的是，圖7(b)含水率隨降雨歷時(shí)變化幅度較小。且含水率在降雨初期先減小，后趨于穩(wěn)定。在整個(gè)降雨歷程中Ⅳ、Ⅴ斷面坡表含水率均為5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高;Ⅰ、Ⅲ斷面居中，坡肩地表下1 m處含水率最小。分析由于邊坡坡度較大，坡肩地表下1 m處受水平入滲的影響導(dǎo)致該處含水率較小。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)得到土體飽和含水率、殘余含水率、飽和滲透系數(shù)，結(jié)合SEEP/W提供的典型含水率函數(shù)得出滿足模型要求的滲透系數(shù)－孔隙水壓力關(guān)系曲線，進(jìn)一步通過非飽和滲流模型，分析了不同降雨歷時(shí)下，土體滲透系數(shù)對(duì)非飽和土質(zhì)邊坡含水率分布的影響。

(1)當(dāng)滲透系數(shù)較小時(shí)，滲透系數(shù)對(duì)土體含水率影響較小。當(dāng)滲透系數(shù)增大到一定程度，滲透系數(shù)變化對(duì)水入滲深度及表層一定范圍內(nèi)含水率變化影響較大。

(2)對(duì)坡體部分而言，坡肩位置坡表含水率主要受滲透系數(shù)及降雨歷時(shí)決定，坡中位置受邊坡上部水下滲，含水率得到部分補(bǔ)充。坡腳位置，邊坡坡腳以上下滲水的補(bǔ)充效果更顯著。

(3)對(duì)整個(gè)邊坡而言，由于坡面受坡表徑流影響，而坡表以下受豎直入滲和水平入滲的綜合影響，故坡表以下土層含水率分布與坡表不同。

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