云南省公路开发投资有限责任公司 云南昆明 650200
摘要：为了探讨降雨对坡体渗流场及稳定性的影响，本文以某填方边坡为研究对象，利用Geo-studio有限元软件分析短期强降雨及长期中小雨对坡体渗流场的影响，并结合雨后坡体失稳机理，根据降雨入渗深度及坡底饱和区的面积，建立了雨后安全系数回归方程。计算结果表明：边坡在降雨作用下，短期暴雨工况易在坡顶达到饱和，且饱和时间随降雨强度增大近似线性降低，而长期中小雨工况较难出现饱和，仅表现为基质吸力的降低；坡体的降雨入渗影响范围随降雨强度的增加近似线性增加。
关键词：填方边坡；降雨入渗；渗流场；安全系数
Study on The Stability of Embankment Slope Consided of Rainfall Infiltration
Li Jianlong，Ren Jixiang
（Yunnan Provincial Highway Development Investment Co.Ltd，Yunnan Kunming 650200，China）
Abstract：In order to study the influence of rainfall on the slope seepage and stability of the embankment slope，a fill slope was used as the research object，analysis of the impact of short-term heavy rainfall and long rain on slope seepage field by using the finite element software Geo-studio，and combined with the slope instability mechanism，according to the rainfall infiltration depth and the bottom of the slope，the saturated area zone，established the safety coefficient of regression equation.The calculation results show that：the slope under rainfall condition in the top of the hill，short-term rainstorm is easy to reach saturation，and the saturation time with the rainfall intensity increases linearly with decreasing light conditions，and in the long term is difficult to be saturated，only to reduce the matrix suction；The slope of the effect of rainfall infiltration range with the increase of rainfall intensity increase linearly.
Keywords：fill slope；rainfall infiltration；the seepage field；safety factor
0 引 言
目前许多学者对降雨入渗的边坡稳定性作了初步研究，黄润秋[1~3]教授认为在雨水下渗过程中边坡内部会产生一个暂态饱和区，由于该暂态饱和区的产生，削弱了边坡的基质吸力，稳定性受到了很大的影响；陈守义[4~6]等人通过对香港区域的雨水及地下水位分布的分析，用有限单元法深入的分析在降雨强度、持时、土体自身渗透特性等不同条件下对坡体稳定性能作用。鉴于此，本文在前人研究的基础上，结合云南省某填方边坡，通过对研究区域的二维简化，利用有限元软件分析降雨条件下边坡的渗流特性，从而结合雨水入渗深度及坡底饱和区面积对雨后坡体安全系数进行回归分析，以期为类似填方工程提供参考。
1 模型的建立及降雨方案
1.1 模型的建立
本文利用数值分析软件Seep/w对某填方边坡降雨入渗过程进行数值模拟分析，选取边坡特征剖面为研究对象，其有限元模型如图1。
由于饱和-非饱和土体参数研究较为困难，所以，到目前为止量化研究还比较少。本文利用饱和与非饱和渗流理论通过工程类比法及土体饱和渗透系数曲线，图2所示。根据Fredlund xing模型拟合确定了填方边坡岩土体的土水特征曲线[7~8]，图3所示。由此确定土体的非饱和渗透函数，进行降雨作用下高填方边坡饱和与非饱和渗流分析。
图3 体积含水率与基质吸力关系曲线
Fig.3 the curve of the relationship between the volumetric water content and the matrix suction
边界条件：初始状态下，边坡两侧为定水头边界以定义地下水位线，其水头大小为压力水头与位置水头之和；地下水位以上为不透水边界，即Q=0；坡面为降雨入渗面，其中边坡斜坡面降雨强度按实际坡率进行折减。
1.2 降雨方案
a.短期强降雨，降雨历时2天，计算参数见表1.1。
b.长期中小雨，降雨历时10天，计算参数见表1.2。
2 计算结果分析
2.1 渗流场分析
图4~图6为历时2天各强降雨作用下的雨后孔隙水压力分布图，从图中可知，随着降雨强度的增强，坡脚处浸润面越高。图7为雨后坡底的饱和区面积趋势图，当降雨强度的6mm/h~18mm/h之间时，饱和区面积增大较明显，当降雨强度大于18mm/h后增长缓慢。图8为各工况坡顶饱和时间曲线图，从图中可知，短期暴雨均使坡顶达到了饱和，降雨强度小于坡体渗透能力时随着雨强的增大，达到的饱和时间越短，并且几乎呈线性影响，而雨强达到土体渗透能力以后，不再变化。由图9可知，随着降雨强度的增加，降雨入渗深度近似线性增加，增幅为47.7%。
通过上述分析可知强降雨对坡体的入渗，并不是雨强越大，影响越大，而是由降雨强度和坡体渗透能力共同决定的。在同等降雨过程中，当降雨强度小于坡体渗透能力时，随着雨强的增大，坡顶饱和时间越短，湿润锋达到的深度越大，基质吸力散失越快，当雨强达到坡体渗透能力后湿润锋深度变化较小，同时基质吸力变动幅度也变小。
图10~图11分别为长期小雨、中雨情况下，雨后孔隙水压力分布图。从图13可知，长期小雨作用下，湿润锋在坡顶中截面达到1.83m，而工况三达到3.92m，增幅1.14倍。同时，通过分析孔隙水压力，可知，这三种状况坡体表层均未达到饱和，而是单纯的基质吸力的降低。对于坡底饱和区的发展，如图12，长期小雨的饱和区面积为410.4m2，工况2的饱和区为419.9m2，工况3的饱和区面积为426.41 m2，其增长趋势近似线性。
通过对长期中小雨的渗流场分析可知，边坡在长期中小雨作用下，由于降雨强度远远小于饱和渗透系数，因而坡体表层很难达到饱和，仅表现为基质吸力的不断散失，同时，随着降雨强度的增大，湿润锋深度相对越深，并且坡底饱和区面积近似线性增大。
2.2 稳定性分析
a.强降雨影响分析：
将强降雨各工况的降雨过程暂态孔隙水压力导入SLOPE，求得其安全系数如图14所示。
图14 强降雨情况下的边坡安全系数变化曲线
Fig.14 The curve of the slope safety factor under the condition of heavy rainfall
从图14可知，在强降雨情况下，随着降雨过程安全系数持续走低，工况1雨后安全系数为1.231，工况2雨后安全系数为1.223，工况3安全系数为1.206，工况4为1.198，工况5为1.196。其中雨强小于坡体入渗能力时，随着降雨强度的增大，安全系数降低的较明显，如图15所示，近似线性关系，降幅约2.7%。而工况4工况5由于降雨强度大于坡体入渗能力，多余的雨水发生地表径流，使得边界转化为固定水头边界，所以两者在整个过程安全系数比较接近，这点与计算的渗流情况类似。
图15 短期强降雨情况下的边坡安全系数
Fig.15 The curve of the slope safety factor under the condition of the short-term strong rainfall
b.长期中小雨对边坡的稳定性分析：
图16 长期中小雨情况下的边坡安全系数
Fig.16 The curve of the slope safety factor under the condition of long in the rain
由图16可知，在整个降雨的10天过程中，边坡的安全系数整体呈持续降低趋势，雨后一天时间仍有降低趋势，但趋势较缓，其后维持稳定。工况6降雨过程从初始的1.255降到雨后1.243，安全系数减小0.012，约0.96%；工况7降雨过程从初始的1.255，降到雨后的1.233，安全系数减小0.022，约1.75%左右；工况8降雨过程从初始的1.255降到雨后1.226，安全系数减小0.029，约2.3%。对比三种工况，降雨强度越大，安全系数降低的相对越快，这是由于三种降雨强度均较小，所以，在总降雨时间内，雨水均充分入渗，从而降雨强度越大，雨水在降雨过程到达坡体的含水量越大。由上文渗流场分析可知，雨强较大的其湿润峰深度越大，从而非饱和区基质吸力越小，且坡脚饱和区面积越大，因而整体稳定性相对而言较小。
对比持续降雨工况8与强降雨工况1，两者雨量相等，强降雨工况雨后安全系数为1.231，而持续降雨的雨后安全系数为1.226，持续降雨安全系数比短期强降雨高0.57个百分点，从两者雨后渗流场分布可知持续降雨的影响范围明显大于短期强降雨，故雨量一定情况下连续降雨对边坡稳定性的影响大于短期强降雨。
2.3 雨后稳定性评价
根据《水利水电工程边坡设计规范》[9]，受降雨影响的边坡，应确定受影响的范围及地下水位变化情况，或掌握滞水情况，从而评判边坡失稳模式。
根据上述8个工况所分析的渗流场分布情况，结合边坡雨水影响深度范围 ，及坡底饱和区面积 ，通过MATLAB回归分析得到雨后安全系数回归方程为：
其中，回归系数置信水平为95%的置信区间分别为[1.4117 1.4742]、[-0.0077 4.5575e-4]、[-5.5604e-4 -3.8793e-4]；拟合优度系数 ； ，远小于0.05，表明回归分析中每个自变量的选取都是有意义的。
3 结论
1、通过对边坡降雨入渗的渗流场分布规律的分析，结合坡顶雨水入渗深度及坡底饱和区面积，得到适用于该高填方边坡雨后安全系数的回归方程。
2、边坡在降雨作用下，短期暴雨工况易在坡顶达到饱和，且饱和时间随降雨强度增大近似线性降低，而长期中小雨工况较难出现饱和，仅表现为基质吸力的降低。
3、坡体的降雨入渗影响范围随降雨强度的增加近似线性增加。
参考文献：
[1]黄润秋.岩石高边坡稳定性工程地质分析[M].北京：地质出版社，2012.（Huang Runqiu.The stability of high rock slope engineering geological analysis[M].Beijing：Geological Publishing House，2012.（in chinese））
[2]王永义，王专翠，胡以高.降雨入渗补给规律分析[J].地下水，1998（20）：74-75.（Wang Yongyi，Wang Zhuan cui，Hu yigao.Analysis of the law of rainfall recharging of groundwater[J].1998（20）：74-75.（in chinese））
[3]陈仲颐.土力学[M].北京：清华大学出版社1994.（Chen Zhongyi.Soil mechanics[M].Beijing：Tsinghua University press，1994.（in chinese））
[4]陈善雄，陈守义.考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法[J].岩土力学，2001，22（4）：447 - 450.（Chen Shanxiong，Chen Shouyi.Consider the rainfall analysis of stability of unsaturated soil slope[J].rock and soil mechanics，2001，22（4）447-450.（in chinese））
[5]刘建军，熊俊，何翔.降雨条件下岩土饱和-非饱和渗流分析[J].岩土力学，2004（2）：559-563.（Liu Jianjun，Xiong Jun，He Xiang.Analysis of saturated-unsaturated rock seepaging under the condition of raining[J].rock and soil mechanics，2004（2）：559-563.（in chinese））
[6]张有天，刘中.降雨过程裂隙网络饱和/非饱和、非恒定渗流分析[J].岩石力学与工程学报，1997，16（2）：104-111.（Zhang Youtian，Liu Zhong.Analysis of Saturated/ unsaturated，non steady seepage in fracture network when raining[J].Chinese Journal of rock mechanics and Engineering，1997，16（2）：104-111.（in chinese））
[7]张芳枝，梁志松，周秋娟.非饱和土性状及其边坡稳定性[M].北京：中国水利水电出版社，2011.（Zhang Fangzhi，Liang Zhisong，Zhou Qiujuan.The properties of unsaturated soil and slope stability[M].Beijing：Water Conservancy and Hydropower Press Chinese，2011.（in chinese））
[8]毛爬熙，李吉庆.土坡渗流整体稳定性分析与控制[J].人民长江，1990（12）.48-52.（Mao Paxi，Li Jiqing.The analysis and control of the stability of the whole slope seepage[J].Yangtze River，1990（12）.48-52.（in chinese））
[9]黄河勘测规划设计有限公司.SL386-2007水利水电工程边坡设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2007.（The Yellow River Hydroelectric Investigation and design of water conservancy and Hydropower Engineering Co.Ltd..SL386-2007 slope design[S].Beijing：Chinese water conservancy and Hydropower Press，2007.（in Chinese））
论文作者:李建龙, 任技香
论文发表刊物:《基层建设》2016年4期
论文发表时间:2016/6/13
标签：入渗论文; 工况论文; 安全系数论文; 强度论文; 雨后论文; 基质论文; 稳定性论文; 《基层建设》2016年4期论文;