广东省核工业地质局二九一大队 广东广州 510000
摘 要:近年来，降雨导致的滑坡灾害时有发生，社会影响重大。所以深入研究降雨入渗对非饱和土边坡失稳的影响是很值得重视的一个课题。本文结合工程实例，分析不同暴雨持续时长下，非饱和土质边坡内孔隙水压力的分布、变化规律及影响范围，对边坡稳定性进行评价，为类似工程提供参考。
关键词:降雨入渗；边坡稳定性；渗流分析；影响
引言
边坡失稳是常见的自然灾害。在诸多边坡稳定影响因素中，降雨入渗是最为主要的诱发因素，特别是对于非饱和土边坡影响很大。降雨入渗将显著降低非饱和土的基质吸力，从而降低边坡土体抗滑力。因此，需要深入分析、研究降雨入渗引起非饱和土边坡中水压力的分布及变化规律，以便对边坡失稳进行预防，减小降雨入渗对边坡失稳造成的影响，避免地质灾害的发生。本研究的主要内容和成果如下：
1 工程概况
某弃土体为车站及两端深路堑边坡开挖弃土，成份复杂，有残坡积(Q4el+dl)粉质黏土、碎石土，冲洪积(Q4al+pl)粉质黏土及基岩全—弱风化层等。弃土场占地62.96亩，弃方量37.74×104m3，最大填高31.0m；弃土场分4级边坡堆弃，留3～5m平台，采用植草防护，坡脚设4m高浆砌片石挡墙。该场地排水设施完善，外围汇水可通过侧沟、顶部明渠排出场外，坡面无积水。弃土场区属亚热带海洋气候，雨量丰富，多年平均降水量1632.5mm。弃土场周围敏感点密集，上游山坡辟为果园及经济作物园，有少量民房；下游谷地为农田、密集村庄、铁路、公路等。弃土场稳定性对周围敏感点影响较大。
2 边坡稳定分析
2.1 断面计算
根据弃土场堆弃前、后矢量化1:1000地形图，弃土填高，边坡坡率等综合考虑，选取稳定性最不利位置作剖面，进行稳定性分析。
根据地质资料，依据边坡原型建立Geo-Studio计算模型，弃土体概化为似均质体，基底以下地层各自独立分层(见图1)。
图1 代表性断面有限元网格
参考工勘报告，得到弃土场岩土参数值，见表1。
图2 边坡降雨下渗过程示意
暴雨工况下，降雨一部分沿着坡面形成地表径流，另一部分渗入弃土体内部，使得土体含水量增加。在弃土场渗流计算中，主要考虑降雨入渗部分的强度，将入渗雨强作为第二类流量边界，即入渗速率边界条件。计算模型底部取隔水边界，坡脚挡墙顶部和挡墙泄水孔为出水点，定义为零水压力点。
(2)渗流系数函数的定义
饱和土体渗透系数被假定为一个常数。非饱和土的渗透系数不是常数，而是基质吸力的函数，非饱和土的基质吸力随含水量的变化而发生变化。
在降雨入渗过程中，非饱和弃土体的含水量分布不断发生变化，其内部的渗流系数也将随之改变。
非饱和弃土的土－水特征曲线(即非饱和土的基质吸力随含水量的变化关系)和渗流函数曲线对暴雨工况下边坡稳定性的影响至关重要。对于瞬态分析，需要输入体积含水量函数，即土－水特征曲线。通常由实测结果拟合出经验关系，再利用拟合参数的闭合解定义该曲线。或通过制定某种数学模型，用少量的实验数据确定经验参数后，定义出土－水特征曲线，在确定弃土的土－水特性曲线及渗流函数曲线时，通常采用Van Genuchten模型建立两者与孔隙水压力的函数关系，见图3、图4。
图4 非饱和土渗透系数曲线
由图3可知:基质吸力随着含水量的不断增大逐渐变小，当非饱和土趋于饱和状态时，基质吸力趋于零。由图4可知:渗透系数随着基质吸力的不断减小逐渐变大，当基质吸力趋于零时，渗透系数趋于定值。
查阅弃土场区域百年一遇降雨记录，可知弃土场所处区域雨量最大值:24h持续降雨时长的降雨量为400mm，暴雨强度为5.56mm/h。通过Geo-Studio软件中seep/w模块，拟合出弃土场两个代表性剖面渗流场分布(如图5)。
图5 非饱和弃土边坡代表性剖面24h暴雨渗流场
由图5可知:雨水在深厚非饱和土边坡中运动过程为降雨入渗导致非饱和弃土边坡内孔隙水压力不断增大，孔隙水压力由负值(基质吸力)逐渐增大为正值。随着降雨持续，下渗表水不断浸润弃土体，浸润线(饱和与非饱和分界线)由地表逐渐下移，并向纵深扩展，直至浸润整个非饱和土体。
2.3 边坡稳定分析
基于极限平衡条分法理论，运用Geo-Studio软件的SLOPE/W模块和SEEP/W模块，使用瑞典条分(Ordinary)法、简布(Janbu)法、毕肖普(Bishop)法和摩根斯坦－普赖斯(Morgenstern-Price)法等对弃土场的边坡稳定性进行计算。
(1)工况
①正常工况:即天然状态，自重荷载作用下边坡稳定状态。
②暴雨工况:自重+24h暴雨入渗引起孔隙水压力条件下边坡稳定状态。
(2)计算结果分析
天然工况:直接采用SLOPE/W模块搜索圆弧滑面。暴雨工况:利用Seep/W模块计算出24h暴雨渗流场耦合SLOPE/W模块搜索圆弧滑面。分别采用瑞典圆弧法、Janbu法、Bishop法和Morgenstern-Price计算弃土场两个代表性剖面，得到边坡稳定性系数(见表2)。
表2 弃土场边坡稳定计算结果
由表2可知:弃土场边坡在24h持续暴雨工况下，安全系数下降值A－A断面为12%，B－B断面为25%～28%。降雨入渗导致非饱和土质边坡内孔隙水压力不断增大，基质吸力减小，抗剪强度减小，边坡稳定性安全系数降低，是导致边坡失稳的因素之一。降雨下渗浸润弃土体对边坡稳定安全系数影响较大，稳定安全系数降幅可达28%。
为研究持续暴雨条件下非饱和土边坡安全稳定性系数变化规律，进一步计算72h持续降雨条件下非饱和土边坡在不同时刻稳定安全系数值(见图6)。
图6 边坡安全系数随降雨持续时间变化曲线
由图6可知:非饱和土边坡在持续暴雨下渗条件下，安全系数逐渐减小，且降幅在降雨初期较大；随着降雨持续，非饱和土边坡在下渗表水浸润下，由非饱和状态逐渐达到饱和状态，稳定安全系数降幅逐渐减小，最后趋于定值。
3 结束语
总而言之，降雨与边坡稳定性的有着复杂的关系，影响因素较多，特别是降雨入渗的影响。本文对降雨入渗对非饱和土边坡稳定性影响进行研究，结果表明：降雨下渗对非饱和边坡稳定安全影响较大，稳定安全系数降幅可达28%；非饱和土质边坡稳定安全系数在降雨初期下降较明显，随着降雨持续，非饱和土逐渐达到饱和状态，稳定安全系数趋于定值。
参考文献:
[1] 秦文涛.降雨特性对非饱和土边坡稳定可靠性的影响研究[J].重庆大学.2015
[2] 刘翠,徐文成.降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定性研究进展[J].黄河水利职业技术学院学报.2015(3):24-27
论文作者:刘莉莉
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/12/1
标签：入渗论文; 基质论文; 安全系数论文; 吸力论文; 稳定性论文; 暴雨论文; 稳定论文; 《防护工程》2017年第17期论文;