降雨类型对边坡稳定性的影响分析

纵岗，王耀

（盐城工业职业技术学院建筑工程学院，江苏 盐城 224000）

降雨类型对边坡稳定性的影响分析

纵岗，王耀

（盐城工业职业技术学院建筑工程学院，江苏 盐城 224000）

文章基于饱和-非饱和渗流理论和降雨入渗原理，利用有限元软件ABAQUS模拟分析了不同降雨类型下的边坡稳定性。短时强降雨导致边坡上部土体发生短暂的饱和，形成暂态饱和区甚至导致地表径流。长时弱降雨情况下雨水能够渗入到土体深部位置，补给地下水。短时强降雨情况下边坡安全系数降低的程度更大，但是长时弱降雨情况下的滑坡危害程度更大。

短时强降雨；长时弱降雨；稳定性；ABAQUS

0 引言

降雨作为常见的自然现象，是山体滑坡的主要诱因。每年发生的山体滑坡事故都会给人们的生产生活带来巨大损失，因此研究降雨条件下的边坡稳定性十分重要。同时不同的降雨类型对边坡的稳定性也会产生不同的影响，例如我国的西南地区作为滑坡事故的常发地带，针对该地区的降雨特点，对短时强降雨和长时弱降雨两种降雨类型下的边坡稳定性进行对比分析就很有必要，能够为滑坡的预防和治理提供理论参考。

1 饱和-非饱和渗流理论

在降雨条件下的边坡渗流场的分析中，雨水的流动是典型的二维饱和-非饱和问题，达西定律仍然适用其渗流规律的描述。土体内非饱和-饱和渗流的控制方程[1-4]形式为：

式中：h为总水头；kx和ky为x和y方向的渗透系数；w为汇源项；mw为比水容量；ρw为水的密度；g为重力加速度；t为时间。

边界条件为：

所使用的土-水特征曲线模型为V-G[5]数学模型：

式中：a、b、n为拟合参数；ψ为基质吸力；θ为体积含水量；θs为饱和体积含水量；θr为残余体积含水量；Se为饱和度。

降雨过程的土-水特征曲线为吸湿过程值，本模型中的土-水特征曲线如图1所示。

图1 吸湿过程的土—水特征曲线

2 降雨入渗影响边坡稳定性原理

降雨入渗是一个复杂的过程，包括坡顶入渗、坡面入渗、顺裂隙入渗、裂隙向土体渗流和重力条件下土体内渗流等多种形态。当降雨强度小于边坡土体渗透系数时，降雨很容易渗流到土体深部饱和区，直接补给地下水，而浅部土体难以达到较高的饱和度，边坡处于稳定状态。

当降雨强度大于边坡土体的入渗率时，雨水渗入边坡表层土体，使得边坡非饱和区上部土体的含水率逐渐增大，基质吸力逐渐降低，边坡内出现暂态饱和区，暂态饱和区逐渐向内部发展，边坡坡面上出现正的水压力（暂态水压力），影响边坡稳定。此外，坡面形成地表径流，对坡面造成冲刷，进一步降低了土体的稳定性。

与此同时，雨水渗透到土体表层中，使得土坡非饱和带土体的基质吸力不断的降低，随着基质吸力的降低，使得土坡非饱和带土体的抗剪强度下降，进而导致土坡稳定性显著降低。因此当降雨历时和降雨强度超过一定的极限限度时，也就是说存在一个临界降雨量值，当降雨量超过该值时，土坡则会失稳，产生滑坡。

因此，降雨破坏边坡时，要经历降雨→雨水边坡渗透（包括裂隙渗透和地表径流）→边坡土体重力增大、强度降低→稳定系数减小→局部失稳滑动→滑动破坏的过程。

3 建立模型和计算方案

为了分析不同降雨类型条件下的边坡稳定性问题，拟选用某一土质边坡，按照二维模型进行数值模拟分析。该边坡的几何尺寸及地下水位如下图所示。

图2 边坡尺寸（单位：m）

数值模拟计算所用的均值土坡的各项物理参数如表1所示。

土体各项物理参数 表1

该模型的边界条件设置如下。

①位移边界条件。约束模型两侧AF、DE的水平位移，约束模型底部FE的水平位移和竖直位移，坡面BC、AB、CD均为自由边界。

②孔压边界条件。边坡模型AB边所处位置为地下水位线，在AF、DE两侧水位线以下设置随深度线性增加的静水孔压边界，水位线以下边坡土体饱和度为1.0。

③降雨边界条件。把BC、CD边设置为降雨流量边界来模拟降雨，由于AB面为饱和面，AB边设置为降雨对其不产生影响的边界。

④渗透边界条件。本算例考虑雨水沿坡面BC、CD边进行入渗，AB边为饱和边界降雨不引起雨水的入渗，模型底面EF设置为不透水边界。

图3 模型边界条件

图4 计算网格模型

不同的降雨类型对边坡的稳定性会产生不同的影响，本文主要研究短时强降雨和长时弱降雨两种降雨类型下的边坡稳定性，针对研究所做的对比方案如表2。

短时强降雨、长时弱降雨的对比方案 表2

4 结果分析

4.1 初始状态分析

在降雨入渗分析前，需要知道边坡初始孔隙水压力、初始饱和度、初始应力分布等一系列初始条件。本文首先进行一个静水位作用的分析，以建立后续分析需要的初始状态。

图5所示为初始孔隙水压力等值线图，由图可见水压力的分布呈线性变化，底部水压力为100kPa，顶部水压力为-200kPa（吸力），这和我们所给出的条件是符合的。图5孔隙水压力为零的地下水浸润线成为正负孔隙水压力的分界线。

图5 降雨之前的孔压分布图

边坡初始状态稳定性分析为：图6和图7表示的是降雨之前土坡稳定性分析中位移等值线云图和用增量位移判断的滑动面图。边坡失稳数值计算的整个过程历时0.6569s，从位移云图上可以看出最大的位移出现在坡脚的位置，从而可以判定首先边坡的坡脚出现屈服，然后向上延伸，当时间等于0.6569s时出现塑性区的贯通，边坡破坏。图8表示的是边坡左上角的顶点的场变量FV1随X方向位移的变化曲线图，如果以数值的计算不收敛作为土坡失稳的评价标准，那么相对应的场变量FV1为1.50532，即边坡的安全系数Fs为1.50532。

图6 位移等值线

图7 增量位移判断的滑动面

图8 FV1随U1的变化关系

4.2 计算结果分析

图9为上述边坡在经历短时强降雨、长时弱降雨两种不同雨况下，边坡坡肩孔隙水压力随高程变化的对比图。在I、J短时强降雨方案下，表层的土体（5m以内）孔隙水压力几乎增到0kPa,接近饱和状态。主要原因是此时的降雨强度大于土体的饱和渗透系数，水分在边坡内部的运移很慢，在边坡的上部形成暂态饱和区。K、L长时弱降雨方案下，上部土体远远没有达到饱和，只是影响深度加大。也就是说如果一旦发生土体滑坡，长时弱降雨下的滑坡危害性会更大。因为短时强降雨下的滑坡多会发生在边坡的上部，滑坡土体的体积相对较小。而长时弱降雨下的滑坡影响范围大，滑坡土体的体积较大。

图9 短时强雨、长时弱雨，孔隙水压力随高程变化对比图

图10 短时强降雨下，安全系数随时间的变化

图11 长时弱降雨下，安全系数随时间的变化

由图10、11分析后可知，在饱和渗透系数一定时，无论短时强降雨还是长时弱降雨，在降雨结束时，边坡安全系数都大幅的降低。在降雨停止后随着时间的推移，入渗到土体内的雨水开始蒸发或由坡面向外渗出，边坡内的孔隙水压力开始减小，基质吸力增大，导致边坡安全系数又逐渐的升高。由于水分消散的速度由快到慢，安全系数上升的幅度也由大到小，最后基本维持在一个定值，在一定的时间之内不能恢复到雨前初始状态的安全系数大小。说明了降雨时间间隔的长短对于安全系数的恢复程度有直接的影响，可见降雨时间间隔对边坡的稳定性十分重要。

同时，对比短时强降雨与长时弱降雨方案下土体边坡安全系数大小可知，短时强降雨停止时安全系数较长时弱降雨停止时的安全系数更小。其原因是短时强降雨方案下，降雨强度大于土体的饱和渗透系数而产生地表径流，虽然有一部分雨水并没有渗入到边坡内，但是该部分雨水将随着边坡坡面产生顺坡流动，顺坡流动会对边坡上部土体产生较大的冲刷作用，进一步对边坡的稳定产生不利的影响，边坡的稳定安全系数又会再次降低。

5 结论

通过以上算例分析可知，不同降雨类型对边坡稳定性会产生不同的影响。

①短时强降雨情况下雨水入渗较浅，孔隙水压力变化较大，特别是边坡上部土体甚至出现暂态饱和区；而长时弱降雨情况下孔隙水压力变化较小但是雨水入渗较深。

②无论短时强降雨还是长时弱降雨都会导致边坡的安全系数大大降低，但是短时强降雨导致的安全系数降低程度更大。

③土体渗透系数与降雨强度的比例关系大小对边坡安全性能同样会产生很大的影响，这可以作为以后的一个研究方向。

[1]吴梦喜，高莲士.饱和-非饱和土体非稳定渗流数值分析[J].水力学报，1999(12)：38-42.

[2]毛昶熙，段祥宝，李祖贻.渗流数值计算与程序应用[M].南京：河海大学出版社，1999.

[3]顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京：中国建材工业出版社，2000.

[4]吴林高，缪俊发，张瑞，等.渗流力学[M].上海：上海科学技术文献出版社，1996.

[5]朱军.饱和非饱和三维多孔介质非稳定流分析[J].武汉大学学报（工学版），2001,34(3)：5-8.

TU46

A

1007-7359（2016）06-0091-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.035

纵岗（1985-），男，安徽宿州人，毕业于江苏科技大学，硕士；助教，主要从事建筑工程施工方面的教学工作。