降雨入渗对填土高边坡稳定性影响研究

董 雪

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

0 引言

降雨是诱发非饱和土体边坡失稳的主要因素之一，在降雨入渗条件下边坡土体逐渐从非饱和状态向饱和状态转换，非饱和区基质吸力降低，土体抗剪强度降低，渗流力加剧了边坡的下滑趋势，从而诱发边坡失稳破坏[1，2]。降雨过程中影响边坡稳定性的因素包括边坡形态特征、岩土体结构性质、岩土体前期水分条件和初始水位、降雨参数(雨型、雨强和持时)等[3,4]。本文基于非饱和土体的强度理论并结合边坡刚体极限平衡方法，以丹东市某硼泥堆填土高边坡为例，利用有限元软件Geo-studio模块耦合对高边坡在天然状态和降雨入渗条件下的稳定状态进行分析，得出两种状态下，高边坡的安全系数，并探讨降雨因素对边坡稳定性的影响机理，为硼泥堆高边坡后续的地质灾害防治工作提供理论依据。

1 降雨入渗规律和雨水运动特征

大多数情况下，边坡土体按含水量情况可呈现渐变特征[5]，从表及里依次划为浅表层的干土区域、过渡的非饱和区域、地下水位以下饱和区域如图1a)所示。降雨入渗将引起土体的含水率、孔隙水压力、地下水位等参数发生变化。在降雨初期阶段，因浅层土体干燥，毛细负压大，水分在毛细负压和重力共同作用下下渗，当土壤颗粒的含水量大于其自身的持水量时，干土区域消失，并转变成非饱和区，这个过程也叫做渗润阶段，此时降雨能全部渗入到边坡土体内部，坡脚处出现逸出点，土体孔隙水压力升高，出现暂态饱和区，如图1b)所示。随着降雨历时持续，雨水分子在重力、毛管力等作用下，通过土壤颗粒孔隙向深部运移延伸，土体颗粒孔隙逐渐被雨水分子充填趋于饱和，这个阶段是渗漏阶段，当土体孔隙完全被水分充填饱和时，水分子在重力作用下呈稳定流动，达到渗透阶段[6]。此时斜坡浅层(坡顶和坡表处)土体由非饱和状态趋于暂态饱和状态，浸润线附近土体含水量增大，孔隙水压力由负压状态变为正压状态，土体结构强度降低。降雨强度超过地表入渗能力时，便产生地表坡流，如图1c)所示。降雨结束后，坡脚附近的地表径流还要持续一段时间，斜坡浅表层饱和土体中的水分因蒸发作用变成干燥状态，暂态饱和区消散，潜水位会因雨水入渗而上升，在潜水位以上局部区域分布着非饱和土区域，如图1d)所示。

2 工程概况

丹东市某硼泥堆位于低山山脚处，地貌单元属河流Ⅱ级阶地。项目区系东北地区暴雨中心区，日降水量最高达657.9 mm，平均年降水量1 000 mm～1 200 mm，最多年降雨量达1 815 mm(1985年)，最少年降雨量659.5 mm(1965年)。

根据前期勘察资料，硼泥堆高边坡是人工填筑的方式形成的，填土压实性差，土体渗透性较好。边坡坡顶高程265 m，坡底高程215 m，相对高差达50 m，边坡共分4级修建，从底到顶，坡高分别为15 m，15 m，10 m,10 m，坡角34°，34°，32°，32°，每级坡间设置5 m宽平台。地层岩性从新到老顺序为素填土(主要成分以硼泥矿渣为主，局部含角砾)、粉质黏土(原始地表层)、花岗岩(全风化～强风化)，地下水高程209 m，详见图2。

3 计算模型及参数

3.1 建立模型

数值模拟采用有限元软件Geo-studio的Seep/w和Slope/w模块耦合计算，应用Seep/w模块进行稳态和瞬态渗流分析，确定硼泥堆边坡的初始孔隙水压力条件、浸润线、应力分布等特征参数的变化，再将计算文件作为父文件导入Slope/w模块，计算不同降雨时步下的边坡安全系数。结合现场实际情况，将硼泥堆高边坡概化模型分成3层，素填土、粉质黏土和花岗岩，模型网格密度1.0 m，共划分单元数6 981个，7 177个节点。

3.2 设置边界条件

Seep/w模块边界条件设置如下：底部不透水边界(即不设置任何边界条件)；两侧边界条件地下水以上按零流量边界，地下水位以下按压力水头边界，水头值等于地下水位；上部边界当降雨强度小于土壤表面的入渗能力时，计算入渗速率取为降雨强度，边界条件为第二类边界条件；当降雨强度大于土壤表面的入渗能力时，可按给定水头边界处理，边界条件转换为第一类边界条件。

3.3 选取计算参数

硼泥堆高边坡的各层岩土物理力学参数具体见表1。

表1 各层岩土物理力学参数

根据当地水文气象资料，选取暴工况下降雨强度4 mm/h，降雨持续时间96 h，因降雨强度小于边坡土体的入渗强度，坡面按流量边界处理。

4 数值模拟结果分析

4.1 在天然状态下的稳定性分析结果

在天然状态下，边坡内部地下水位以上土体为非饱和区，孔隙水压力为负值且呈线性特征分布，由非饱和土理论可知，负孔隙水压力(基质吸力)对于边坡整体稳定有利；在地下水位附近及以下部位为饱和区，孔隙水压力变为正值，在压力水头的作用下，水分由坡体内部向坡外运移。根据文献[7]中相关规定，按照Morgenstern-Price极限平衡法求出此状态下边坡安全系数Fs=1.32>Fst=1.3，判定边坡处于稳定状态，计算分析结果如图3所示。

4.2 降雨对边坡渗流影响

降雨过程中硼泥堆高边坡坡体孔隙水压力整体变化趋势：坡内部非饱和区内负孔隙水压力(基质吸力)随着降雨持续时间的增大而逐渐降低，浅表部的负压转变成正值，地下水水位升高，浸润线上升。如图4a)所示在降雨初期，因坡面表土干燥，土体入渗能力强，负孔隙水压力值较大；图4b)和图4c)中降雨历时持续增加，在浅表部坡面形成了由暂态饱和区构成的“饱和壳”，其随着降雨过程持续而向边坡深部扩展，即坡表的土体由非饱和土变成饱和土，相应的土体孔隙水压力由负压转变成正值，坡内部负孔隙水压力值也逐渐降低，坡脚处的渗流量逐渐增加；降雨持续75 h以后，坡体内部的暂态饱和区变化程度减弱，这也符合文献[5]的研究观点，降雨过程主要影响坡面以下30 m范围内，此范围内土体基质吸力变化形成暂态饱和区。在坡体浅表部，因土体饱和后含水量增加，水分从顶部向下方运移，地下水位升高，在渗透性突变的素填土与粉质黏土的界面处，地下水向下部运移受阻转而向坡脚临空面方向运动，导致地下水流集中于坡脚界面附近如图4d)所示。

4.3 降雨入渗对土质高陡边坡稳定性影响机理分析

降雨条件下，雨水在重力作用下沿土体孔隙、空隙下渗，坡体浅表部土体由非饱和转变成饱和状态并逐渐向坡体深部延展，孔隙水压力值由负变正，则有效应力降低，导致土体的抗滑力逐渐降低；加之土体含水量增加，土体的下滑力不断增大；在重力场和渗透场作用下，地下水位升高，坡脚附近临空面附近剪应力集中现象。随着降雨入渗过程的持续增加，土体的抗滑力与下滑力此消彼长，边坡稳定性不断的降低。本例中硼泥堆高边坡属于人工填筑，填土压实性差，为降雨入渗提供了良好的渗流通道；硼泥堆成分以硼泥矿渣为主，其力学性能具有“结构性强度”特征，即在干燥缺水的情况下，土体表现出良好的力学性能，一旦遇水后，土体强度会大幅度降低。

通过前文的分析，降雨入渗对硼泥堆高陡边坡的稳定性影响范围多集中在坡体浅表部，边坡的破坏模式以浅部剪切滑动破坏为主，随着降雨历时的逐渐累加，边坡的安全系数逐渐降低，至降雨结束时刻，安全系数最小Fs=1.07

5 结论

通过对丹东市某硼泥堆高边坡降雨入渗对其稳定性影响的数值模拟分析，得出以下结论：

1)天然状态下，安全系数Fs=1.32>Fst=1.3，硼泥堆高边坡处于稳定状态；

2)降雨条件下，降雨强度4 mm/h，降雨持续时间96 h，安全系数Fs=1.07

3)通过研究硼泥堆高边坡破坏机理得出：在降雨入渗条件下，边坡表层土体逐渐从非饱和向饱和状态转换，孔隙水压力由负转正，有效应力下降，土体抗剪强度降低；随着降雨入渗过程的持续增加，土体的抗滑力与下滑力此消彼长，加剧了边坡的下滑趋势，从而诱发边坡失稳破坏；

4)降雨入渗对硼泥堆高边坡的稳定性影响范围主要集中在坡体浅表部的土体，边坡的破坏模式以浅部剪切滑动破坏为主，随着降雨历时的累加，边坡的安全系数逐渐降低，至降雨结束时刻，安全系数最小。