李 棟，平 揚

(1.深圳市龍崗區(qū)水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518000； 2.中電建生態(tài)環(huán)境集團，廣東 深圳 518000)

1 概述

降雨是誘發(fā)地質災害的主要因素，90%地質災害的發(fā)生都與降雨有關。這主要是由于降雨會導致邊坡內部土體含水量增高，改變土體的強度參數(shù)，使土體的有效應力變小，同時，雨水會增大邊坡向下的滑動力，導致滑坡災害的發(fā)生[1-5]。因此，分析比較不同降雨條件對邊坡滲透特性和穩(wěn)定性的影響是十分有必要的。

降雨入滲是誘發(fā)滑坡災害發(fā)生的主要原因之一[6]。影響降雨入滲的直接因素主要有降雨類型、降雨強度、降雨持時等，間接因素主要指土體本身的性質。Rubin[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，在不同降雨強度的作用下，入滲率最后都會趨于一個相同的值，但是這個過程并沒有重合，說明了在不同降雨強度的作用下，入滲率的發(fā)展變化形式具有一定的相似性。在此之后，Smith和Parlange[8]發(fā)現(xiàn)地面積水時間對降雨強度存在一定影響，其間關系具體表現(xiàn)在降雨強度越大，地面積水時間就越長，即地表越早開始積水。隨后，Mein和Larson[9]對Green-Ampt入滲模型進行了改進，指出入滲率的算法在地面積水前后是不相同的。劉子振[4]考慮到基質吸力和滲流力對非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性的影響，基于極限平衡條分法，推導了一個用來評價黏土邊坡飽和-非飽和滲流的計算公式。隨著社會進步，人們開始越來越多地使用計算機，這使得數(shù)值分析方法成為了一種實用且高效的研究手段。孫勇帥[10]利用數(shù)值模擬軟件Geo-studio，改變降雨強度、坡度比等參數(shù)，計算得到其邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并將數(shù)值模擬結果與室內模型實驗進行了對比。蔣中明[11]等通過編寫FISH函數(shù)對FLAC3D軟件中針對非飽和滲流計算的功能進行了完善，證明了自編FISH函數(shù)實現(xiàn)邊坡三維非飽和滲流計算的可靠性。由此可見，降雨對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響，其主要與降雨入滲有著密切的聯(lián)系，分析滲流場與滑坡穩(wěn)定性的關系有助于更好的認識邊坡失穩(wěn)的本質。

本文以飽和-非飽和滲流理論為基礎，采用二維數(shù)值模擬軟件Geo-studio建立了簡單均質邊坡模型。利用SEEP/W模塊對降雨邊界進行了不同的假設，通過分析降雨邊坡滲流場，總結了在不同降雨強度以及降雨類型下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

2 降雨入滲對滑坡穩(wěn)定性影響分析

2.1 邊坡降雨入滲過程

在降雨入滲的過程中，邊坡土體的強度參數(shù)會發(fā)生變化，巖土體本身的抗剪強度會降低。隨著雨水逐漸深入邊坡巖土體中，土體入滲率逐漸減小，孔隙水壓力變大，土體中將會出現(xiàn)一部分暫態(tài)飽和區(qū)，這對邊坡的穩(wěn)定性是不利的。如圖1所示，土體地表開始有積水入滲時，典型含水率分布剖面可分為四個區(qū)，分別為飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導區(qū)和浸水區(qū)。

飽和區(qū)中水分位于土體中的各個部分，而且每個部分都是飽和均勻的；過渡區(qū)深度越深，滲入到土體中的雨水量就越小；傳導區(qū)土體含水率幾乎不隨著深度的變化而變化；濕潤區(qū)土體隨著深度的增加，其含水率接近初始值；濕潤區(qū)干燥的土體和濕潤的土體形成了一個接觸面。

2.2 非飽和土中水分運動基本方程

非飽和土是一種三相土，與飽和土存在一定區(qū)別，非飽和土中不僅有固相和液相，還有氣相。正是由于氣相，非飽和土的性質與飽和土相比就顯得更加復雜。

飽和土的達西定律為：

(1)

非飽和土中水的流動依然服從達西定律，只是由于空隙中氣的存在，水的流動受到一定程度的阻礙。如圖2所示，在土體中取單元體進行分析。

在穩(wěn)定滲流的情況下，單元體流進流出的水量相等。

(2)

所以:

(3)

將達西公式代入式(3)，便可得到:

(4)

式(4)中的滲透系數(shù)不能提到微分符號的外面，這是由于非飽和土的Kw不是常量，所以上式展開后可表示為：

(5)

其中，Kw為非飽和土滲透系數(shù);hw為總水頭。

3 降雨滑坡數(shù)值仿真

3.1 模型介紹

采用Geo-studio數(shù)值仿真軟件建立一個均質的土質邊坡，邊坡土體的滲透性表現(xiàn)為各向同性，即各向的滲透系數(shù)相等。邊坡底面長100 m，坡頂寬40 m，斜坡的坡度比為1∶1，坡腳寬20 m。選取邊坡中部截面(x=41 m)作為分析截面，用來監(jiān)測在降雨作用下的邊坡內部孔隙水壓力和體積含水量的變化規(guī)律。設置ah,gf為零流量邊界，ab,ef,hg代表不滲透水分的零流量邊界，bcde代表降雨入滲流量邊界。采用四邊形與三角形的組合網(wǎng)格劃分，模型示意圖如圖3所示。

邊坡土體選用的是摩爾-庫侖模型，邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計算方法是極限平衡法。邊坡土體選取為中強風化粉砂巖，干密度為2 050 kg/m3，黏聚力為57.25 kPa，內摩擦角為32.42°，土體飽和滲透系數(shù)0.648 m/d，飽和含水量取值為0.3 m3/d，殘余含水量取值為0.1 m3/d。

3.2 模擬方案

3.2.1 降雨強度

根據(jù)氣象部門對降雨強度的規(guī)定，設置降雨工況如表1所示。為分別探究降雨過程中和降雨結束時不同降雨強度下邊坡滲流場和邊坡穩(wěn)定性的差異，降雨持時統(tǒng)一為5 d，對不同降雨強度影響下的邊坡穩(wěn)定性進行評價。

表1 不同降雨強度的工況

3.2.2 降雨類型

為了模擬不同降雨類型下的邊坡滲流特性，并對其穩(wěn)定性進行評價，根據(jù)實際氣象部門的規(guī)定設置。在降雨持時為10 d，降雨總量為500 mm的情況下，選擇四種現(xiàn)實中常見且典型的降雨類型，分別包括平均型降雨、前鋒型降雨、中鋒型降雨和后鋒型降雨(見圖4)。該模擬設定的工況為降雨持時10 d，同時對停雨5 d的邊坡情況進行了評價。

4 結果分析

4.1 降雨強度的影響

通過分析不同降雨強度下的邊坡穩(wěn)定性，得到的邊坡滑動面位置以及安全系數(shù)如圖5所示。

從圖5可以看出，不同降雨強度下，5 d降雨結束后邊坡的安全系數(shù)各不相同。降雨強度為50 mm/d,100 mm/d和200 mm/d對應的邊坡安全系數(shù)分別是1.538,1.532和1.522?？梢娊涤陱姸仍綇娺吰掳踩禂?shù)越小，邊坡穩(wěn)定性越差，從而更易引發(fā)滑坡災害。這是因為在降雨時長內，整個邊坡只是接近飽和狀態(tài)而并未進入完全飽和狀態(tài)，所以降雨強度越大會導致更多的雨水滲入坡體內部，對坡體的穩(wěn)定性造成不利影響。

圖6為三種降雨強度下邊坡安全系數(shù)隨降雨時間的變化曲線圖。從圖6中可看出，降雨強度越大土坡安全系數(shù)的降低速率就越大。這是由于在土坡土體入滲率一樣的情況下，降雨強度越大，土坡表層的土體在相同時間內就會吸收越多的雨水。邊坡表層的土體體積含水率迅速上升，基質吸力也隨之消散，從而導致淺層滑坡。

4.2 降雨類型的影響

對于不同降雨類型，土體空隙水壓力隨入滲時間的變化不同。邊坡中部監(jiān)測面不同深度的孔隙水壓力隨降雨類型和降雨時間的變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7可看出，在降雨初期(降雨2 d)，邊坡土體表層(深度2 m之內)孔隙水壓力大小排序為：前鋒型>平均型>中鋒型>后鋒型。在邊坡土體中部及深部(深度4 m以上)，孔隙水壓力幾乎無變化。這是由于降雨初期，降雨的影響范圍僅在邊坡表面，邊坡表層孔壓首先達到最大。因此，邊坡土體的孔隙水壓力僅在邊坡表面存在差異，而在邊坡土體深處幾乎無變化。

在降雨末期(降雨10 d)，邊坡土體表面的孔隙水壓力大小排序為：后鋒型>平均型>中鋒型>前鋒型。而在邊坡土體中部(深度5 m～7 m)，孔隙水壓力的大小排序為：前鋒型>中鋒型>平均型>后鋒型。在邊坡深處的位置(深度7 m以上)，四種降雨類型下的孔隙水壓力幾乎相同。

在降雨結束5 d后，邊坡表層土體的孔隙水壓力可按照大小排序為：后鋒型>平均型>中鋒型>前鋒型。而在邊坡土體中部(深度5 m～7 m)，孔隙水壓力的大小順序為：前鋒型>中鋒型>平均型>后鋒型。在土體深部的位置(深度7 m以上)，四種降雨類型下的孔隙水壓力幾乎相同，且變化規(guī)律與降雨10 d即降雨末期時邊坡表層土體的孔隙水壓力大小順序相同。

不同降雨類型與降雨時間下，邊坡安全系數(shù)的變化如圖8所示?？梢婋S著降雨的持續(xù)進行，邊坡安全系數(shù)大致表現(xiàn)為隨降雨的進行越來越小，并在降雨結束后保持不變。降雨過程中的邊坡穩(wěn)定性也與降雨類型存在著聯(lián)系。在降雨前期，不同降雨類型下的邊坡安全系數(shù)按照大小可以排序為：后鋒型>中鋒型>平均型>前鋒型；在降雨后期的安全系數(shù)大小排序為：后鋒型>平均型>中鋒型>前鋒型；降雨結束以后，這四種降雨類型作用下的邊坡安全系數(shù)趨向一個定值，這說明降雨結束之后降雨類型對邊坡穩(wěn)定性的影響是一致的。

5 結論

本文通過Geo-studio數(shù)值模擬軟件，研究了不同降雨強度、降雨類型以及滲流時間對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了土體內孔隙水壓力的變化規(guī)律，主要結論如下：

1)降雨強度的不同會導致邊坡滲流場與孔壓場的變化。在降雨過程中，降雨強度越大，邊坡安全系數(shù)下降的速率越大。降雨強度較小時，雨水有足夠的時間滲入到坡體內部，使整個邊坡的孔壓場上升較為均勻。而降雨強度較大時，邊坡的孔壓會在短時間內上升到一個較高水平，邊坡表面易形成暫態(tài)飽和區(qū)，邊坡穩(wěn)定性急劇下降。

2)在降雨前期，不同降雨類型的邊坡安全系數(shù)按照大小依次為：后鋒型>中鋒型>平均型>前鋒型；降雨后期的安全系數(shù)大小排序為：后鋒型>平均型>中鋒型>前鋒型；降雨結束后，不同類型降雨作用下的邊坡安全系數(shù)均隨著時間趨于某一定值。

3)在降雨初期，邊坡土體表層(深度2 m之內)孔隙水壓力按照大小依次為：前鋒型>平均型>中鋒型>后鋒型；深層的邊坡土體的孔隙水壓力幾乎無變化。在降雨結束時，邊坡土體表層的孔隙水壓力大小順序為：后鋒型>平均型>中鋒型>前鋒型；邊坡土體中部孔隙水壓力的大小順序為：前鋒型>中鋒型>平均型>后鋒型；邊坡土體深部孔隙水壓力幾乎無變化。降雨結束后與降雨結束時的孔隙水壓力變化順序相同。