王金華，王玉林，王 倩，鐘瑜隆

(1.武夷學院 土木工程與建筑學院，福建 武夷山 354300；2.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

武夷山地處武夷山脈東南側，轄區(qū)內(nèi)以丹霞地貌為主，山區(qū)土壤主要以紅壤土為主，土層厚度大，約占全市土壤總面積的76%，地貌復雜多樣，地質(zhì)條件較為復雜，是福建省地質(zhì)災害多發(fā)的地區(qū)。年平均降雨量1926.9mm，年平均降雨天數(shù)達164.6天，降雨量最多的為1975年，209天，降雨量最少的為2003年，110天。2010年為極端年最大雨量，降雨量達2847.2mm，1971年為極端年最少雨量，降雨量為1028.5mm，主汛期為每年3-6月，其中6月降雨量最多。在主汛期，日降雨量大，由于雨水入滲使土壤含水量過于飽和，導致土體的抗剪強度降低，因而容易產(chǎn)生山體滑坡。近年來，武夷山市政府大力推進基礎設施建設，如縱八線(G322)武夷山市上梅至杜壩段公路工程以及“四好農(nóng)村公路”項目的建設，產(chǎn)生大量的高陡邊坡，因此研究不同降雨強度對粘性土邊坡穩(wěn)定性影響具有重要意義。

國內(nèi)外許多學者采用數(shù)值模擬或室內(nèi)模型試驗等手段對不同降雨強度條件下的邊坡穩(wěn)定性展開一系列研究，并取得了一定的成果。關曉迪等[1]采用室內(nèi)邊坡降雨模型箱研究了降雨強度和坡比對黃土邊坡的穩(wěn)定性影響；劉林林等[2]采用Geo-Studio軟件研究了不同降雨強度對黃土邊坡的穩(wěn)定性影響；蔡欣育等[3]基于飽和-非飽和滲流原理，利用Geo-Studio軟件研究了云南省某邊坡在不同降雨類型時的穩(wěn)定性；包小華等[4]通過室內(nèi)模型試驗研究了不同滲流邊界條件下粉砂邊坡的失穩(wěn)規(guī)律；王述紅等[5]運用有限元軟件ABAQUS模擬降雨條件下邊坡滲流場和應力場耦合，并運用強度折減法，研究了不同降雨條件下的邊坡的穩(wěn)定性；秦世偉等[6]基于廣西某邊坡，對考慮氣候條件下的邊坡滲透穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬；黃明奎等[7]以重慶市某高速公路高填方路基邊坡為研究對象，分析了極端降雨對邊坡土體基質(zhì)吸力、強度和邊坡穩(wěn)定性的影響。雖然許多學者對強降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性展開了研究，也取得了一定的成果，但針對武夷山特殊的巖土工程地質(zhì)條件及降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性研究少之又少。隨著武夷山地區(qū)工程建設規(guī)模的不斷擴大，許多高陡邊坡隨之出現(xiàn)，因此很有必要針對該地區(qū)粘性土邊坡在強降雨條件下的穩(wěn)定性展開研究。

1 非飽和土邊坡降雨入滲基本理論

土質(zhì)邊坡降雨入滲過程是一種典型的飽和-非飽和滲流過程，雨水入滲是影響邊坡巖土體含水量大小的主要因素之一，也是造成邊坡不穩(wěn)定的主要因素之一。影響土質(zhì)邊坡雨水入滲能力的因素較多，主要有降雨強度、雨型、歷時、土壤的滲透能力、初始含水率、地下水位深淺等。雨水是否全部入滲到邊坡土體中取決于降雨強度與土體滲透系數(shù)之間的大小關系，當土體滲透系數(shù)大于降雨強度時則雨水全部入滲，否則只有部分入滲，其余部分隨地表徑流排走。

研究表明，降雨在非飽和土中的入滲過程符合達西定律，其二維滲流控制方程表達式如式(1)所示。

(1)

式中：kx為x方向的滲透系數(shù)；ky為y方向的滲透系數(shù)；mw為儲水曲線的斜率；γw為儲水曲線的斜率；H為總水頭；Q為時間的邊界流量；t為時間。

2 模型建立與計算方案

2.1 模型建立及監(jiān)測點布置

在建模中，邊坡坡率按照GB50330-2013《建筑邊坡技術規(guī)范》相關規(guī)定選取，選取堅硬的粘性土作為研究對象，坡率為1:1，坡高為10m，其余參數(shù)如圖1所示。網(wǎng)格形狀為四邊形或三角形單元，按0.5m劃分一個網(wǎng)格，劃分后共計1867個節(jié)點，1779個單元。在坡體內(nèi)設置土體體積含水量觀測點，觀測點布置如下：觀測點1(點號9)坐標為(6，19)，觀測點2(點號10)坐標為(6，16)，觀測點3(點號11)坐標為(15，14)，觀測點4(點號12)坐標為(15，12)，觀測點5(點號13)坐標為(20，9)，觀測點6(點號14)坐標為(20，7)，觀測點7(點號15)坐標為(26，9)，觀測點8(點號16)坐標為(26，7)。

2.2 邊界條件設置

左側地下水位高為8m，右側地下水位高為6m，左右兩側地下水位以上部分及模型底邊界均設為零流量邊界，坡面部分設置為降雨邊界，邊界條件如圖1所示。

圖1 邊坡穩(wěn)定性分析模型圖

2.3 參數(shù)選取

非飽和土體的滲透系數(shù)很難通過試驗獲得，SEEP/W軟件中提供了三種滲透系數(shù)函數(shù)估算方法，本文采用Van Genuchten參數(shù)估算方法，并選用該模型相應的模型參數(shù)，取粘性土飽和滲透系數(shù)Ks=1.04cm/h，飽和體積含水量θs=0.43，殘余體積含水量θr=0.078。其余土體參數(shù)采用現(xiàn)場取樣、室內(nèi)土工試驗的方法獲得，數(shù)值模擬參數(shù)取值情況如表1所示。

表1 土體物理力學參數(shù)表

2.4 降雨方案

氣象部門根據(jù)12h和24h的降雨量大小將降雨強度劃分為6個等級，劃分標準如表2所示。

表2 降雨強度分級標準 單位：mm

在研究過程中選取降雨量分別為8mm/d、20mm/d、40mm/d、80mm/d、120mm/d、160mm/d、200mm/d、240mm/d八種工況進行研究，粘性土邊坡在降雨持續(xù)1d、2d、3d后土體的體積含水量、飽和度和邊坡安全系數(shù)的變化情況。

2.5 計算方案

先采用Geo-Studio軟件中的SLOPE/W模塊進行穩(wěn)態(tài)分析，獲得邊坡土體的初始含水量和安全系數(shù)，然后再利用SEEP/W模塊進行瞬態(tài)分析，在分析中通過改變降雨邊界條件來模擬不同降雨強度，根據(jù)計算結果分析邊坡在不同降雨強度下的土體體積含水量變化情況，最后采用SLOPE/W模塊計算不同降雨強度下的粘土邊坡安全系數(shù)。

3 計算結果分析

3.1 不同降雨強度下邊坡土體體積含水量變化規(guī)律分析

在數(shù)值模擬過程中，對邊坡坡體中8個土體體積含水量觀測點進行觀測，觀測頻率為0.25天/次，對觀測數(shù)據(jù)進行整理可得，8個觀測點的土體體積含水量變化情況如圖2所示。

(a)觀測點1體積含水量變化曲線

(b)觀測點2體積含水量變化曲線

(c)觀測點3體積含水量變化曲線

(d)觀測點4體積含水量變化曲線

(e)觀測點5體積含水量變化曲線

(f)觀測點6體積含水量變化曲線

(g)觀測點7體積含水量變化曲線

(h)觀測點8體積含水量變化曲線

對于觀測點1、觀測點3、觀測點4來說，土體體積含水量隨降雨持續(xù)時間的增加而增大，增大速率與降雨強度的大小有關，當降雨強度較低時土體體積含水量增加較為緩慢，達到飽和體積含水量的時間較長，當降雨強度增加時，土體體積含水量增加速率隨之增加，降雨強度越大土體達到飽和體積含水量的時間越短。

對于觀測點2來說，在降雨初期到降雨持續(xù)1.5天時，土體體積含水量基本不變，這是因為該觀測點距地表較遠，雨水入滲到此處所需時間較長導致的。當降雨持續(xù)1.5天以上時，隨著降雨強度的增加土體體積含水量隨之增加，降雨強度越大增加速率越快。

對于觀測點5、觀測點6、觀測點7、觀測點8來說，土體體積含水量的變化曲線趨勢基本一致，這幾個觀測點均位于坡腳處，一方面由于這幾個觀測點離地下水位線較近，另一方面是坡腳處的雨水入滲不僅來自于降雨同時也來自于坡面徑流，雨水容易在此處匯集。從圖2(e)-圖2(h)可以看出，當降雨強度越大時，坡腳處的土體達到飽和體積含水量的時間越短。

綜上分析可得，在降雨條件下，邊坡坡腳處的土體體積含水量最容易達到飽和，坡體處的土體次之，坡頂處的土體最后達到體積含水量飽和。

3.2 不同降雨強度下邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律分析

根據(jù)2.4節(jié)中的降雨方案對同一邊坡在不同降雨強度作用下的穩(wěn)定性進行模擬，獲得邊坡在8種不同降雨強度作用下的邊坡安全系數(shù)，邊坡安全系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 邊坡安全系數(shù)變化曲線圖

對圖3進行分析可得：當降雨強度小于40mm/d時，邊坡安全系數(shù)隨降雨持續(xù)時間影響很小，受降雨強度的影響也很小。當降雨強度大于80mm/d時，邊坡安全系數(shù)隨著降雨持續(xù)時間增加而逐漸降低，降雨持續(xù)時間越長，安全系數(shù)降低越多。在降雨持續(xù)時間相同時，降雨強度越大，邊坡的安全系數(shù)降低越多。

4 結論

本文采用Geo-Studio軟件研究了粘性土邊坡在8種不同降雨強度下的邊坡土體體積含水量及邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，經(jīng)研究可以得出以下幾點結論。

(1)降雨持續(xù)時間增加時，邊坡內(nèi)土體體積含水量隨之增加，增加速率與降雨強度成正相關，降雨強度越大，土體體積含水量增加速率越快，達到飽和體積含水量時間越短。

(2)在降雨條件下，邊坡土體體積含水量達到飽和順序如下：坡腳處土體最快，坡面處土體次之，坡頂處的土體最后。同時，離地表越近越容易達到飽和。

(3)當降雨強度小于40mm/d時，降雨強度大小和降雨持續(xù)時間長短對邊坡安全系數(shù)影響很小。

(4)當降雨強度為暴雨、大暴雨或特大暴雨時，降雨持續(xù)時間越長，邊坡安全系數(shù)降低越多，降雨強度越大時，安全系數(shù)降低越多。