不同降雨条件下渠道边坡的稳定性研究

哈斯也提·依米提；阿力木·许克尔

(新疆伊犁河流域开发建设管理局， 新疆 伊犁 835000)

0 引 言

现有统计研究表明，降水是影响边坡稳定性的关键因素，边坡的失稳往往伴随着强降水(如暴雨)的发生。降水对于边坡的稳定性影响时目前研究的热点，尤其是研究降水条件边坡的入渗机理具有重要的科学意义[1]。目前大多研究集中于降水与边坡稳定性关系，关于降水入渗与防护结构相互作用研究仍然较少，文章采用现场调查以及降雨实时监测数据联合数值有限元开展研究，详细的分析了不同工况下的降水条件对土体孔隙水压和入渗规律，进一步得到了边坡的破坏特征[2-5]。

1 研究方法

研究区春季少雨干旱，夏季多雨湿润，根据历史统计数据(1954-1990)，研究区1-6 月份占全年雨量的23.5%，7-9月份占全年雨量的62.4%。年降水量>600 mm以上时间占27.9%，最大日降水量可达97.5mm。为例与实际情况更为接近，文章根据研究区50a降水情况和考虑近些年极端暴雨天气，分别模拟计算不同降水强度下的雨水入渗规律以及边坡在不同降水条件下的稳定性，具体模拟工况如表1 所示。

文章采用PLAXIS将非饱和土渗流计算与应力计算进行耦合，建立边坡三维模型(图1)。

表1 边坡计算工况表

图1 边坡模型典型剖面图

模型边界条件为：两侧法向约束，底部边界全约束。模拟时，假定基质吸力在水面以上一定范围内范围内呈线性分布，为了与实际相结合，再向上则基质吸力保持不变[8]。

数值模拟中关于土体计算参数和本构模型见表2。

表2 土层计算参数表

2 理论研究基础

2.1 水土特征曲线

在饱和-非饱和渗流中，水土特征曲线通常用来确定土体的渗透系数和基质吸力之间的关系。该曲线一般通过Van Genuchgen确定：

(1)

式中：ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；θr为表残余体积含水量；θw为体积含水量；θs为饱和体积含水量；ψ为土体的基质吸力；ks为饱和渗透系数；m、n、α为待定参数；Sr和kr分别代表饱和度和相对渗透系数；其中素填土的渗透性函数与土水特征曲线如图2所示。

(a)渗透性函数

(b)水土特征曲线

2.2 强度折减理论

文章采用目前比较成熟的强度折减理论进行计算。强度折减理论的基本思想是通过降低土体的抗剪强度(如内摩擦角和内聚力)直至边坡发生破坏为止。通常，安全系数定义为土体的实际抗剪强度与破坏时抗剪强度的比值：

cm=c/Fr

(2)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(3)

式中：cm为土体折减后的黏聚；φm为土体折减后的内摩擦角；c为土体折减前黏聚力；φ为土体折减前的内摩擦角；Fr为边坡的安全系数。

3 计算结果与分析

3.1 不同降雨条件下孔隙水压力的变化

图3得到了不同降水强度下降水入渗深度下边坡负孔隙水压力的变化规律，结果表明，不同工况下的负孔隙水水压力随时间变化规律基本相同，但不同的降水强度在不同深度处的最大孔隙水压了达到峰值所用的时间不同。在降水强度为50mm下，表面的达到最大孔隙水压力需要1.1d，而增大降水强度至100mm时，仅需0.5d即可达到最大。在日降水强度分别为75mm和100mm下，孔隙水压力由负值变为正值，即降水强度达到某一数值时，边坡可能出现暂态积水。此时土体体积含水率迅速增加，渗透系数同时也增大。此外，不同降水条件下土体的入渗规律表明，入渗速度随降水强度的增大而增大。在降水50mm时，10d的降水影响深度为4m，增大至100mm时，10d入渗深度达到10m。这可表明，增大降雨强度会增加雨水入渗的深度。

(a)50mm

(b)75mm

(c)100mm

3.2 相同降雨强度下孔隙水压力分析

图3结果表明，降水强度不变时，雨水入渗土体的速率越来越小。在降水50mm时，雨水入渗1.0m所耗费的时间为1.1d，而入渗至2m时需耗费2.2d，入渗至3m时需要3.8d。可见随入渗深度增大，雨水入渗相同距离所需时间边长。这主要是由于在雨水入渗过程中，一部分雨水会被土颗粒拦截阻挡，这会导致土体的负孔隙水压力与未降水时不同。与此同时，随着下渗量不断减小，负孔隙水压力增速变小。因此，相同降水强度条件下，雨水入渗相同的时间锁耗费的时间边长。

3.3 不同降雨时间下边坡的破坏分析

文章选取降水强度为100mm下的边坡破坏形式进行分析，得到如图4。强度折减计算结果表明，降水发生的第1d，边坡的破坏最开始发生于表面的下级，榆次同时产生潜在滑动面，随时降水进一步增加，变形逐渐向内部扩展，且滑面逐渐向上一级发展。至降水第3d后，边皮形成贯通滑裂面。降水停止后，随时时间的增加，雨水入渗深度进一步增加，滑面仍然向深部扩展，边坡的破坏形式逐渐由浅层破坏转变为深层破坏。究其原因主要是在随着降水持续进行，边坡土体含水率逐渐增大，导致土体基质吸力下降，同时降低了土体的力学参数。随时降水和时间的增大，逐渐形成贯通滑裂面。二降水停止后，入渗深度进一步增大，下渗土体基质吸力锦衣降低，因此导致滑裂面想深处扩展贯通。

3.4 边坡稳定性分析

图5汇总得到采用强度折减法的边坡稳定性系数与时间的关系。可以看出在不同日降水条件下，稳定性系数会随时间变化规律基本相同，均是先减小后增大。相同降水工况下，雨水入渗导致边坡土体基质吸力降低，造成边坡的稳定性降低。在降水结束后，部分雨水通过土体孔隙排水，此时土体强度有所恢复，进一步提高了边坡稳定性。以降水强度50mm为例，日降水75mm时边坡的安全系数比日降水量50mm减小幅度增大了12.3%。而日降水量100mm时边坡的安全系数比日降水量安全系数减小幅度增大了27.8%。因此，降水强度会大大影响边坡安全系数。降水强度越大，安全系数减小越大。在降水阶段，边坡的破坏形式易发生浅表层破坏，当降水结束后，随雨水进一步入渗，边坡的潜在滑动门进一步向下发展，但边坡安全系数有所增加。可见在降水阶段内浅层滑坡最容易发生。

(a)降雨第1d (b)降雨第3d

(c)雨后第1d (d)雨后第3d

(e)雨后第7d

图5 天然状态下边坡安全系数变化图

4 结 论

1)降水强度与雨水入渗深度为非线性关系，一般强度越大，入渗速度和深度也越大。在距边坡表面3-5m内浅层土体的基质吸力降低速度越快，最容易发生失稳；降雨结束后，随着土体内的雨水被部分排水，边坡表明的土体基质吸力有所恢复，边坡的稳定性有所增大。

2)降水入渗主要影响土体的基质吸力和强度参数，与之对应的边坡破坏形式主要是由浅层向深层逐渐扩展贯通。此外，降水过程中边坡失稳的主要部位为表面土体，随降水结束后，由于雨水下渗，滑动面向下发展，但由于雨水排除导致边坡的稳定性有所增加。