史振寧 戚雙星 劉登生

(①長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114，中國(guó))

(②長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114，中國(guó))

(③中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300450，中國(guó))

0 引 言

覆蓋層邊坡特指底部為中風(fēng)化或弱風(fēng)化基巖，上部覆蓋有較松散坡積土的一類邊坡，廣泛分布于我國(guó)華東、華南等地區(qū)，在云貴川等地也有大量分布。尤其是在浙江西部地區(qū)主要以沉積巖為主，極易形成全-強(qiáng)風(fēng)化覆蓋層邊坡。對(duì)于覆蓋層邊坡而言，上覆土層土質(zhì)較為松散，強(qiáng)降雨所導(dǎo)致的入滲過(guò)程會(huì)使覆蓋層內(nèi)部含水狀態(tài)發(fā)生改變，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。已有學(xué)者明確指出，基巖風(fēng)化形成的殘坡積覆蓋層滑坡是浙江地區(qū)土質(zhì)滑坡中最主要的滑坡形式，約占浙江地區(qū)滑坡總數(shù)量的80%左右(王洲平，2001；俞火明等，2008；岳麗霞，2012；Ma et al.，2015)。

為此，眾多學(xué)者針對(duì)覆蓋層邊坡非飽和入滲過(guò)程以及穩(wěn)定性變化開(kāi)展了許多有益的研究。在邊坡降雨入滲特性方面，Montrasio et al.(2009)在研究中假定雨水在松散覆蓋層邊坡內(nèi)部會(huì)迅速滲流至底部，導(dǎo)致地下水位上升，其入滲過(guò)程對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小。但Sung (2017)的研究成果表明降雨入滲過(guò)程中土體內(nèi)部會(huì)形成濕潤(rùn)鋒，可使邊坡內(nèi)部形成潛在滑動(dòng)面，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；Trandafir et al.(2008)研究得出日本三重縣殘積土邊坡內(nèi)部孔隙水壓力沿高程分布呈上部較低，底部較高的線性分布，且降雨入滲深度隨降雨總量增加而增加，并與雨型密切相關(guān)。潘俊義等(2018)根據(jù)野外模擬人工降雨試驗(yàn)成果，指出不同雨強(qiáng)條件下的黃土邊坡入滲深度均呈現(xiàn)坡腳最深、坡頂次之、坡中最淺的規(guī)律。Godt et al.(2012)對(duì)美國(guó)西雅圖某坡積土邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了約100id范圍內(nèi)的降雨量以及邊坡體積含水率和孔隙水壓力的變化規(guī)律。詹良通等(2003)對(duì)湖北棗陽(yáng)市某引水渠膨脹土邊坡進(jìn)行了體積含水率以及表面位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于膨脹土邊坡而言，降雨入滲的影響多在2im之內(nèi)，揭示了膨脹土多發(fā)淺層滑坡的主要原因。

在邊坡穩(wěn)定性分析方面，蔣中明等(2018)給出了可考慮不同類型暫態(tài)水壓力的覆蓋層邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。劉順青等(2019)指出邊坡塊石含量以及分布會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成明顯影響，但該研究成果沒(méi)有考慮降雨入滲的作用，忽略了對(duì)邊坡安全影響最重要的因素。馬世國(guó)等(2015)的研究成果表明強(qiáng)降雨入滲期間，淺層邊坡潛在的滑裂面沿濕潤(rùn)鋒和基巖面近似呈雙折線形；覃小華等(2017)進(jìn)一步考慮了層狀邊坡的滲透系數(shù)變異性，結(jié)合蒙特卡洛法，建立了考慮飽和滲透系數(shù)變異性的基巖型層狀邊坡穩(wěn)定性可靠度計(jì)算模型，但上述研究對(duì)含水率的初始分布仍采用整體均一性假設(shè)，與大量試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)不完全相符。由此可見(jiàn)，目前針對(duì)覆蓋層邊坡的滲流特性分析中對(duì)初始含水率分布的假定仍缺少試驗(yàn)驗(yàn)證，在邊坡穩(wěn)定性分析中較少考慮非飽和浸潤(rùn)線對(duì)穩(wěn)定性的影響，邊坡穩(wěn)定性對(duì)各類影響因素的響應(yīng)程度也鮮見(jiàn)討論。

綜上所述，本文利用自主設(shè)計(jì)的土體降雨入滲試驗(yàn)裝置，分析了覆蓋層邊坡在自然狀態(tài)下的初始含水率分布規(guī)律以及降雨入滲規(guī)律。在此基礎(chǔ)上提出了一種新型邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。根據(jù)此方法對(duì)典型覆蓋層邊坡穩(wěn)定性對(duì)多種影響因素響應(yīng)的敏感程度開(kāi)展了研究。所得成果可對(duì)同類邊坡穩(wěn)定性分析具有參考意義。

1 初始含水率分布與非飽和入滲過(guò)程

為探究覆蓋層邊坡的初始含水率分布以及在降雨入滲條件下含水率沿高程分布與演化規(guī)律，設(shè)計(jì)了室內(nèi)降雨入滲實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1，圖2所示。利用該裝置首先研究覆蓋層土體初始含水率分布，然后開(kāi)展降雨入滲試驗(yàn)，分析土體各個(gè)高程處的含水率變化規(guī)律(曾鈴等，2018)。

降雨入滲試驗(yàn)方案如表1所示。在降雨入滲試驗(yàn)之前，首先使模型桶中的填土達(dá)到飽和狀態(tài)，然后打開(kāi)模型桶底部的排水孔，使土中的水分自然流出。當(dāng)含水率長(zhǎng)期不變時(shí)(每天含水率變化小于1%)，則認(rèn)為土體達(dá)到了穩(wěn)定的初始狀態(tài)。此時(shí)記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)的含水率即為自然狀態(tài)下覆蓋層邊坡的初始含水率分布狀態(tài)。此時(shí)關(guān)閉模型桶底部排水孔，然后進(jìn)行模擬降雨，試驗(yàn)所設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為6.6×10-6m·s-1(小時(shí)降雨量23imm，為暴雨級(jí)別)。在降雨入滲過(guò)程中，每5min記錄一次各個(gè)測(cè)點(diǎn)的體積含水率。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme

根據(jù)筆者前期研究成果(史振寧等，2020)可知，土體在自然狀態(tài)下初始含水率分布規(guī)律為隨高程增加，含水率逐漸下降，如圖3所示。因此，可建立描述土體內(nèi)部含水率沿高程分布規(guī)律的反比例函數(shù)模型，如式(1)所示。

ω∈[B，ωs]，hw∈[0，H]

(1)

式中：h為土層計(jì)算高度；ω為覆蓋層土體體積含水率；A為初始含水率分布參數(shù)；B為初始狀態(tài)下土體表面含水率；hw為地下水位；ωs為覆蓋層土體飽和含水率；H為覆蓋層總厚度；α、β為初始含水率分布修正系數(shù)，由式(2)，式(3)表示，其中K值可由式(4)得到。

(2)

(3)

(4)

將式(1)反向推導(dǎo)即可得到土體初始含水率沿高程分布的反比例模型，如式(5)所示。

(5)

由于在試驗(yàn)過(guò)程中模型底部處于不透水狀態(tài)，根據(jù)Mein-Larson理論，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于飽和滲透系數(shù)時(shí)濕潤(rùn)鋒深度由總降雨量控制，如式(6)所示：

I=pt=zw(ωw-ωi)

(6)

本研究在上述理論基礎(chǔ)上，考慮若降雨強(qiáng)度小于滲透系數(shù)時(shí)，濕潤(rùn)鋒高程可通過(guò)式(7)～式(9)計(jì)算得到：

(7)

(8)

(9)

式中：z為濕潤(rùn)鋒高程(從地下水位至濕潤(rùn)鋒處的高度)；I為總?cè)霛B量(降雨強(qiáng)度乘以降雨時(shí)間)；ωw為與降雨強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的土體表面含水率，從式(9)中可以看出，式兩側(cè)均有z變量，屬于Alnx+Bx+C=0類型的方程式，無(wú)法通過(guò)直接解方程得到z的值，只能通過(guò)迭代法對(duì)z進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)數(shù)學(xué)證明可知，該函數(shù)為定義域上的單調(diào)函數(shù)，必有至多一個(gè)實(shí)根，并且該函數(shù)在定義域范圍內(nèi)可取到正負(fù)值，可見(jiàn)該方程必有一個(gè)實(shí)根。因此該函數(shù)可采用迭代法進(jìn)行近似取值，如式(10)所示：

(10)

當(dāng)│zn-zn-1│<10-5時(shí)，則認(rèn)為迭代結(jié)束，此時(shí)的zn值即為在總?cè)霛B水量為I的條件下，濕潤(rùn)鋒的高度，H-zn即為降雨入滲深度。當(dāng)濕潤(rùn)鋒的深度達(dá)到地下水位的位置后，入滲的雨水進(jìn)入地下水中，在不考慮土體排水的情況下，地下水位隨之上升。此時(shí)邊坡表面的含水率仍然保持不變，土體含水率由底部向上逐漸達(dá)到飽和。根據(jù)水量守恒原理可以推導(dǎo)出降雨導(dǎo)致地下水位上升的過(guò)程，如式(11)所示。

(11)

(12)

在求解hw時(shí)，應(yīng)采用上述迭代法進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)hw超過(guò)zωw時(shí)，則采用式(13)計(jì)算hw高度。

+(hw-hw0)(ωsat-ωw)

(13)

根據(jù)上述研究得到如圖4所示的簡(jiǎn)化模型可知，隨著降雨時(shí)間增加，降雨入滲深度hωw逐漸增加，最終引起地下水位上升。對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果(圖5)(曾鈴等，2018)可知該模型與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2 非飽和土抗剪強(qiáng)度

Vanapaui et al.(1996)采用雙應(yīng)力變量對(duì)非飽和土的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行描述，提出了考慮雙應(yīng)力變量的抗剪強(qiáng)度理論公式，如式(14)所示。

τff=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(14)

式中:c為表示非飽和土的有效黏聚力；(σf-ua)f為剪切面上的凈法向應(yīng)力；ua為剪切面上的孔隙氣壓力；φ為與凈法向應(yīng)力狀態(tài)變量(σf-ua)f有關(guān)的內(nèi)摩擦角；(ua-uw)f為破壞時(shí)在破壞面上的基質(zhì)吸力；φb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力(ua-uw)f而增加的速率。該理論指出，對(duì)于非飽和土而言，抗剪強(qiáng)度不僅受有效應(yīng)力的影響，同時(shí)還會(huì)受到土中基質(zhì)吸力的影響，影響幅度與tanφb有關(guān)，因此可將非飽和土抗剪強(qiáng)度拓展至三維包絡(luò)面，如圖6所示。

對(duì)于參數(shù)tanφb而言，Vanapalli et al.(1996)將其采用式(15)進(jìn)行表示。

(15)

式(14)中的基質(zhì)吸力可通過(guò)式(16)得到。

(16)

將式(15)、式(16)代入式(14)中，且不考慮含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響(張鈞堂等，2016)，可得到如式(17)所示的土體抗剪強(qiáng)度分布規(guī)律。

(17)

3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

許多學(xué)者在邊坡穩(wěn)定性分析中，根據(jù)邊坡淺層滑坡的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化的穩(wěn)定性計(jì)算方法(Shin et al.，2013；莊建琦等，2013；賀可強(qiáng)等，2017)。該種計(jì)算方法假設(shè)邊坡為半無(wú)限空間體，底部為基巖，上部為覆蓋層土體，邊坡滑動(dòng)面位于覆蓋層土體中，與基巖面平行。降雨入滲的濕潤(rùn)鋒或地下水位也平行于基巖層，這樣的假設(shè)較為符合覆蓋層邊坡的工程實(shí)際和破壞形式，并且在計(jì)算過(guò)程中可以簡(jiǎn)便地將降雨入滲以及地下水位變動(dòng)引入穩(wěn)定性計(jì)算中。該種方法已經(jīng)得到了較多學(xué)者的應(yīng)用。如Tran et al.(2017)均采用此種假設(shè)計(jì)算了降雨入滲時(shí)邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律(Godt et al.，2012；Antinoro et al.，2017)?？梢?jiàn)該方法切實(shí)可行，并且易于廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。本研究開(kāi)展穩(wěn)定性分析時(shí)同樣采用上述假設(shè)，如圖7所示。由于不同高程處的含水率不同，浸潤(rùn)土體所受重力計(jì)算方法也有所不同，因此首先分析不同位置處的浸潤(rùn)土體所受重力計(jì)算方法。

(1)降雨入滲情況下：考慮擬定滑動(dòng)面位于覆蓋層邊坡浸潤(rùn)線上部的情況，此時(shí)土體處于非飽和狀態(tài)，沒(méi)有孔隙水壓力作用，浸潤(rùn)土體的重度如式(18)所示：

W=[ωqrw+Gs(1-n)](h-hs)Δs

(18)

考慮擬定滑動(dòng)面位于浸潤(rùn)線下部的情況，此時(shí)土體仍處于非飽和狀態(tài)，沒(méi)有孔隙水壓力作用，浸潤(rùn)土體所受重力應(yīng)考慮上部浸潤(rùn)狀態(tài)以及浸潤(rùn)線以下至滑動(dòng)面以上的含水狀態(tài)，如式(19)、式(20)所示。

W=Gs(1-n)(h-hs)Δs+ωqrw(h-hq)Δs

(19)

(20)

(2)地下水位上升情況下：考慮擬定滑動(dòng)面位于地下水位以上的情況，此時(shí)滑動(dòng)面上部土體含水率一致，仍為非飽和狀態(tài)，含水率可視為是等降雨強(qiáng)度含水率，重度計(jì)算與式(18)相同?？紤]擬定滑動(dòng)面位于地下水位以下，此時(shí)滑動(dòng)面上部存在飽和區(qū)域，因此飽和區(qū)域水的作用按照孔隙水壓力的方式計(jì)算，在計(jì)算滑面上部浸潤(rùn)土體所受重力時(shí)并不再考慮浮重度，如式(21)所示。

W=Gs(1-n)(h-hs)Δs+ωqrwΔs(h-hw)

(21)

式(18)～式(21)中：W為滑動(dòng)面上部土條重；Gs為土顆粒重度；ωq為等降雨強(qiáng)度；含水率rw為水重度；n為土體孔隙率；h為覆蓋層厚度；hs為潛在滑動(dòng)面高度；Δs為條塊底部寬度；hq為降雨濕潤(rùn)鋒深度；hw為地下水位高度。在得到滑動(dòng)面上部的浸潤(rùn)土體所受重力后，即可針對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行受力分析。邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法如式(22)～式(26)所示：

(22)

Td=Wsinβ+F

(23)

Ts=τ

(24)

F=γw·sinβ·cosβ·hw·Δs

(25)

N=Wcosβ

(26)

式中：Ts、Td分別為覆蓋層邊坡潛在滑動(dòng)面處的抗滑力與下滑力；β為覆蓋層邊坡傾角；F為滲流力；N為滑動(dòng)體底面法向力；C為總黏聚力；各參數(shù)的作用點(diǎn)以及方向如圖7所示?？偨Y(jié)上述計(jì)算方法，可以得到降雨入滲條件下覆蓋層邊坡不同位置滑動(dòng)面的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法。(1)在降雨入滲情況下，擬定滑動(dòng)面位于濕潤(rùn)鋒上部時(shí)邊坡穩(wěn)定性可根據(jù)式(27)算出。

(27)

當(dāng)擬定滑動(dòng)面位于濕潤(rùn)鋒下部時(shí)邊坡穩(wěn)定性可根據(jù)式(28)算出。

(28)

(2)在地下水位上升階段時(shí)邊坡穩(wěn)定性可根據(jù)式(29)算出。

Fs=

(29)

根據(jù)不同的降雨入滲過(guò)程，分別采用以上三式即可計(jì)算得到覆蓋層邊坡在不同降雨入滲狀態(tài)下，不同層位處的穩(wěn)定系數(shù)。

4 覆蓋層邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

對(duì)于覆蓋層邊坡而言，土層厚度、坡度以及土體持水能力等都是影響其穩(wěn)定性的重要因素(馮杭建等，2017)，本文前述內(nèi)容已經(jīng)詳細(xì)給出了覆蓋層邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法，事實(shí)上覆蓋層邊坡穩(wěn)定性對(duì)不同因素的敏感性有所不同，不同條件下導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主控因素也有所差別。為進(jìn)一步分析不同失穩(wěn)誘因?qū)Ω采w層邊坡穩(wěn)定性的影響特性，設(shè)計(jì)計(jì)算方案如表2所示，土質(zhì)參數(shù)如表3所示。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方案Table 2 Calculation scheme of slope stability

表3 計(jì)算用土質(zhì)參數(shù)Table 3 Soil parameters for calculation

4.1 覆蓋層厚度影響

在影響降雨條件下邊坡穩(wěn)定性的諸多因素中，覆蓋層邊坡的厚度是影響等降雨量條件下邊坡內(nèi)部含水率分布的重要因素之一。設(shè)計(jì)方案I(表2)分析不同厚度覆蓋層邊坡在不同降雨時(shí)間下的滲流過(guò)程以及相應(yīng)的穩(wěn)定性變化規(guī)律。

從圖8中可以看出，在相同的降雨總量前提下，隨著覆蓋層邊坡厚度的增加，土體內(nèi)部的含水率分布明顯不同，當(dāng)覆蓋層土體厚度為1im時(shí)，隨著降雨的持續(xù)，雨水不斷入滲至邊坡內(nèi)部，由于土體厚度較小，當(dāng)降雨達(dá)到160min后，地下水位已經(jīng)開(kāi)始上升，當(dāng)降雨達(dá)到240min后土體已經(jīng)整體達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)覆蓋層厚度為2im及以上時(shí)，240min的降雨量已經(jīng)不足以導(dǎo)致地下水位上升和邊坡土體飽和，整體入滲深度為1.5im。受降雨入滲的影響，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)也有所變化，從圖8a中可見(jiàn)在初始狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定系數(shù)整體較大，在覆蓋層底部的最小值為2.8。隨著雨水不斷入滲，在濕潤(rùn)鋒處的穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒上部的土體穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降。當(dāng)降雨入滲致使地下水位上升后，濕潤(rùn)鋒處的穩(wěn)定系數(shù)也出現(xiàn)了突變，在濕潤(rùn)鋒下部區(qū)域的邊坡穩(wěn)定系數(shù)明顯下降。而當(dāng)土體達(dá)到整體飽和后，各個(gè)位置的穩(wěn)定系數(shù)均達(dá)到最小，對(duì)不同高程處的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行比較可知最小值仍處于覆蓋層最底部。從圖8b～圖8c中還可看出，對(duì)于覆蓋層厚度超過(guò)2im的邊坡而言降雨入滲不會(huì)導(dǎo)致地下水位上升，而在濕潤(rùn)鋒處仍會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)的突變現(xiàn)象，但由于邊坡厚度較大，降雨對(duì)覆蓋層底部的穩(wěn)定系數(shù)影響較小。

綜合分析不同厚度覆蓋層邊坡在相同降雨入滲條件下的含水率分布以及穩(wěn)定系數(shù)分布可知，在降雨強(qiáng)度相同的條件下，隨著覆蓋層厚度的不斷增加，濕潤(rùn)鋒的入滲深度基本保持不變，濕潤(rùn)鋒距底面的距離越遠(yuǎn)，對(duì)底面含水率的影響越小。如圖9所示，隨著覆蓋層厚度的增加，邊坡初始狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)由2.8下降至1.09，呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。與此同時(shí)，當(dāng)覆蓋層厚度為1im時(shí)，最小穩(wěn)定系數(shù)隨著降雨時(shí)間的增加由2.8降至1.46，而當(dāng)覆蓋層厚度達(dá)到4im時(shí)，最小穩(wěn)定系數(shù)隨著降雨時(shí)間的增加由1.09降至1.07。由此可見(jiàn)，隨著覆蓋層厚度的增加，降雨時(shí)間對(duì)穩(wěn)定性的影響也越來(lái)越小。呈現(xiàn)上述變化規(guī)律的主要原因?yàn)?，隨著覆蓋層厚度的增加，土體自重也同時(shí)增加，而土體的自重在下滑力中占據(jù)了主要部分，覆蓋層越厚，降雨對(duì)土體自重的影響也越小。并且覆蓋層越厚，降雨越難以滲入至覆蓋層底部，因此對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響也越小。

4.2 覆蓋層土體含水率分布參數(shù)影響

根據(jù)上節(jié)研究可知，不同土質(zhì)具有不同的含水率分布參數(shù)，一般而言，初始含水率分布參數(shù)越小，土體越接近砂土，初始含水率分布越接近“L”形，而初始含水率分布參數(shù)越大，土體越接近黏土，初始含水率分布越接近直線形?？梢?jiàn)初始含水率分布參數(shù)對(duì)土體的滲流特征也有著明顯影響，進(jìn)而也會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響。因此本節(jié)根據(jù)計(jì)算方案Ⅱ探討了覆蓋層初始含水率分布參數(shù)對(duì)覆蓋層邊坡滲流過(guò)程以及穩(wěn)定性變化的影響。

從圖10中可知，不同土質(zhì)的初始含水率分布狀態(tài)有所不同，分布參數(shù)偏小時(shí)分布曲線更接近“L”型，隨著分布參數(shù)值增加，分布曲線更接近于斜線型。受含水率分布影響，邊坡穩(wěn)定系數(shù)也隨分布參數(shù)的增加而減小。如圖10b所示，當(dāng)經(jīng)過(guò)80min降雨后濕潤(rùn)鋒逐漸入滲至邊坡內(nèi)部，在相同的降雨時(shí)間條件下，隨著含水率分布參數(shù)的增加，濕潤(rùn)鋒位置不斷下降，濕潤(rùn)鋒處含水率的突變幅度也有所下降，相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性突變位置也隨著分布參數(shù)的增加而下降，突變幅度也隨之減小。當(dāng)降雨達(dá)到160min后，邊坡內(nèi)部濕潤(rùn)鋒持續(xù)下降，含水率分布參數(shù)為2的粉質(zhì)黏土類邊坡由于初始含水率較高，已經(jīng)出現(xiàn)了地下水位上升現(xiàn)象，相對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性也出現(xiàn)了大幅下降，降雨時(shí)間達(dá)到240min后，分布參數(shù)為0.002和0.02的邊坡濕潤(rùn)鋒持續(xù)下降，而分布參數(shù)為0.2的邊坡也開(kāi)始出現(xiàn)地下水位上升，相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性也不斷下降。

可以看出，初始含水率分布對(duì)后續(xù)的滲流過(guò)程以及穩(wěn)定性變化規(guī)律有著明顯的影響，隨著初始含水率分布參數(shù)值的增加，土體初始含水率越接近線性分布，邊坡底部的穩(wěn)定系數(shù)也逐漸降低。這是由于同樣的降雨量條件下，當(dāng)初始含水率分布參數(shù)較大時(shí)覆蓋層邊坡內(nèi)部水量較多，重度較大，與此同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致覆蓋層地下水位上升，從而對(duì)邊坡底部產(chǎn)生孔隙水壓力以及滲流力，大幅降低邊坡穩(wěn)定性。從圖11中可知，初始含水率分布參數(shù)為0.002和0.02時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)變化不明顯，但初始含水率分布參數(shù)為2時(shí)，邊坡穩(wěn)定性則迅速下降。在降雨時(shí)間較小時(shí)，初始含水率分布參數(shù)對(duì)最小穩(wěn)定系數(shù)的影響差異并不明顯。而當(dāng)降雨持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，累計(jì)降雨增加時(shí)，初始含水率分布參數(shù)對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響幅度逐漸增加。

4.3 邊坡角度影響

邊坡角度是影響邊坡穩(wěn)定性最為明顯的因素。在較為陡峭地區(qū)的覆蓋層穩(wěn)定性明顯小于地勢(shì)平緩地區(qū)。在本文的假設(shè)中，降雨垂直入滲，高程方向與水平方向垂直，邊坡角度不會(huì)對(duì)滲流特性造成影響，但邊坡傾角增加會(huì)導(dǎo)致平行邊坡方向的重力分力增加，垂直于坡面的正應(yīng)力分量減小，進(jìn)而導(dǎo)致抗滑力下降，下滑力增加，引起邊坡失穩(wěn)。本節(jié)針對(duì)邊坡角度對(duì)穩(wěn)定性的影響分析如方案Ⅲ所示，邊坡滲流規(guī)律見(jiàn)圖8b。

從圖12中可以看出，當(dāng)邊坡傾角為20°時(shí)，邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)較大，最小值為3.27，在濕潤(rùn)鋒處的變化量也較大，當(dāng)傾角為30°時(shí)邊坡各個(gè)位置處的穩(wěn)定系數(shù)均減小，最小值降至2.23。當(dāng)傾角為45°時(shí)，邊坡各處的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)一步縮小，最小值降至1.58。當(dāng)邊坡傾角為60°時(shí)邊坡各位置穩(wěn)定性降至最低，最小穩(wěn)定系數(shù)降至1.29。可見(jiàn)隨著邊坡角度的增加，各位置的穩(wěn)定系數(shù)均不斷下降。

圖13為不同降雨時(shí)間條件下，邊坡角度對(duì)覆蓋層邊坡穩(wěn)定性的影響變化規(guī)律。從圖中可以看出在初始狀態(tài)下，邊坡角度增加所引起的最小穩(wěn)定系數(shù)下降幅度最大，但是最小穩(wěn)定系數(shù)仍較大。隨著降雨時(shí)間的增加，各個(gè)角度下的穩(wěn)定系數(shù)均明顯下降，但隨角度增加穩(wěn)定系數(shù)的下降幅度也相應(yīng)減小。

5 結(jié) 論

(1)研發(fā)了一種土體降雨入滲實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到土體在自然狀態(tài)下的初始含水率分布可采用反比例函數(shù)進(jìn)行描述，并基于此建立了降雨入滲過(guò)程中土體含水率分布解析計(jì)算方法。

(2)給出了覆蓋層邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。根據(jù)該理論得到在降雨入滲過(guò)程中，不同位置的穩(wěn)定性會(huì)在濕潤(rùn)鋒處發(fā)生突變，但一般而言最小穩(wěn)定系數(shù)所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面位于土體與基巖的交界處。在相同降雨強(qiáng)度條件下，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，越容易發(fā)生深層失穩(wěn)，降雨時(shí)間越短越容易發(fā)生淺層失穩(wěn)。

(3)在相同降雨量條件下，隨著覆蓋層厚度的增加邊坡初始穩(wěn)定性下降，且降雨入滲對(duì)穩(wěn)定性的影響越小。在相同降雨量條件下，邊坡穩(wěn)定性隨著初始含水率分布參數(shù)的增加而下降，隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，初始含水率分布參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響更為顯著。初始狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定性最大，邊坡角度增加所引起的最小穩(wěn)定系數(shù)下降幅度最大，隨著降雨量的增加，邊坡穩(wěn)定性受角度影響越小。