浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

关键词： 入渗 降雨 土体 边坡

浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响（精选7篇）

篇1：浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

降雨强度对黄土边坡入渗性能影响的研究

降雨入渗使得非饱和土边坡内含水量增大,进而令土的抗剪强度降低,这是降雨诱发浅层边坡失稳的重要原因之一.通过有限元方法计算三种不同降雨强度下边坡内瞬态渗流场分析降雨入渗性能,数值计算结果表明:在历时3 h降雨以内,大于或等于土体饱和渗透性能的雨强条件下湿润锋深度相差不大,但饱和度明显不同;雨强越大,边界瞬时入渗量越大,稳定入渗量越大;在降雨期间,雨水不会以饱和入渗速度入渗,而是随时间呈非线性变化.

作 者：李守升 张俊云 作者单位：西南交通大学土木工程学院,四川成都,610031刊 名：四川建筑英文刊名：SICHUAN ARCHITECTURE年，卷(期)：200929(2)分类号：P642.2关键词：雨强 边坡 最大负孔隙水压 瞬态渗流 相对入渗量

篇2：浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

降雨入渗对土坡稳定性影响分析

在饱和-非饱和渗流理论基础上,从降雨强度、前期降雨总量、不同的土坡坡度以及是否考虑植被护坡等方面对大气降雨条件下土坡的.稳定性进行了探讨.分析结果表明,在土体饱和渗透系数一定的条件下,强降雨对土坡稳定系数影响显著;土坡越陡,降雨强度大小对土坡安全性影响就俞显突出;土坡表层植物根系的存在影响非饱和区渗流场分布,可以延缓非饱和区含水量的增大,土坡稳定系数得到提高.

作 者：刘小文 耿小牧 LIU Xiao-wen GENG Xiao-mu  作者单位：南昌大学建筑工程学院,南昌,330029 刊 名：水文地质工程地质  ISTIC PKU英文刊名：HYDROGEOLOGY & ENGINEERING GEOLOGY 年，卷(期)： 33(6) 分类号：P64 关键词：降雨   入渗   非饱和土渗流   土坡  

篇3：浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

关键词：膨胀土,渗流场,应力场,土水特征曲线,边坡,稳定性

膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石, 伊利石组成, 具有膨胀结构, 以及多裂隙性, 强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土[1]。膨胀土一直以来都是岩土工程界的重要课题之一, 而膨胀土边坡的稳定性问题又是膨胀土地区最主要的工程地质问题之一。降雨对膨胀土滑坡的影响与对土质边坡滑坡的影响作用有着显著的区别, 水在膨胀土滑坡中既是土-水体系作用中的参加成分, 又是滑坡产生滑动的促滑剂, 而且常常是导致滑坡发生的直接诱导因素。因此, 大多数滑坡都是发在降雨期间或者降雨结束后的短时间内。

在以往的研究中, 考虑降雨的渗流对边坡稳定性的影响, 通常是根据工程地质经验, 采用的简便方法:静水压力法和代替容重法, 通常把土体当成饱和土。虽然这些方法在一定程度上使计算简化, 但是这些方法在某些情况下是不合实际的, 某些经过极限平衡方法计算安全系数小于1的非饱和土坡仍能保持较高的稳定性。本文将在已有的研究基础上, 基于ABAQUS大型有限元数值计算软件, 考虑渗流场和应力场耦合对吉林至珲春客运专线非饱和膨胀土边坡在降雨入渗条件下稳定性影响。

1 土水特征曲线

在降雨入侵到边坡的过程, 到达潜水面实际上是经历了一个饱和-非饱和的过程[2], 在非饱和土空隙中包含着水和气两相, 与饱和土相比, 由于气的存在会影响到水的流动, 在非饱和土中, 渗透系数同时受到土中孔隙比和饱和度 (或含水量) 的强烈影响, 而饱和度通常被表述成基质吸力的函数。

1.1 渗透系数随饱和度的变化

在非饱和土中, 渗透系数显然受饱和度的影响, 饱和度高, 空隙中大部分体积被水占据, 气对水流动的阻碍也减少, 过水断面面积也较大, 渗透系数高。Brooks和Corey提出了由饱和度估算渗透系数的经验公式[3]:

(1) 时, 吸力小于土的进气值, 气不能进入土体空隙, 土处于饱和状态, KW=KS (1)

(2) 时, 相反, 气能进入土体, 则

式中:

KW─非饱和土的渗透系数

δ─经验常数

─关系曲线的斜率

1.2 渗透系数随吸力的变化

非饱和土另一重要特征变量是吸力, 与饱和度密切相关, 因此也可建立渗透系数与吸力之间的经验公式:

式中η=2+3λ

Arbhiraman提出

式中n为经验参数。

1.3 膨胀土土水特征曲线

在分析雨水入渗对膨胀土边坡稳定性影响时, 需要知道非饱和膨胀土土体的体积含水率 (重力含水率或饱和度) 与土体的吸力之间的关系, 也就是土水特征曲线, 是分析非饱和土性质的重要指标之一。本文依据室内试验, 参考类似工程对红色膨胀土试验结果进行曲线拟合, 得到如图1所示土水特征曲线。

2 流固耦合分析

流固耦合反映变形固体在流场作用下的各种响应以及固体响应对流场的影响, 研究固体和流体两种介质之间的基本力学耦合规律[4]。

降雨入渗土体过程中, 渗流场与应力场之间是相互作用、相互影响的, 降雨入渗会引起土体静水压力和渗流力的改变, 使边坡的位移, 应力, 应变发生改变, 而应力场的改变会使土体中吸力和土体空隙发生改变, 导致非饱和土体渗透系数发生改变, 引起渗流场发生变化。

因此, 在降雨入渗土体过程中, 应当考虑渗流场和应力场的耦合作用对边坡的影响。

3 边坡实例分析

3.1 计算条件

本例题选吉林至珲春客运专线GDK276+077.00横断面左则边坡为断面, 地下水位深6.2m, 边坡材料及其渗透性, 计算参数依据室内试验, 参考类似工程取值如表1, 利用ABAQUS软件进行数值计算分析降雨入渗对边坡稳定性的分析[5]。

该地区最大降雨集中在6~9月, 降水量约为500mm, 以降雨20mm/h, 降雨时间为10小时, 观察降雨入渗对边坡稳定性的影响。

3.2 结算结果

3.2.1 不降雨情况下的孔压分布

从图中可以看出, 水压力从坡顶垂直向下成线性分布, 底部为38kpa, 顶部为224.8kpa, 与理论计算结果一致, 与设定的初试条件一致。

不降雨情况下的饱和度分布:

从图中可以看出, 水位线以下为饱和状态, 饱和度为1, 在水位线以上饱和度迅速减少至0.08, 与初始定义的吸力曲线和土水特征曲线一致。

不降雨情况下的竖向应力分布:

从图中可以看出, 由于考虑吸力的影响, 土坡顶部的应力并不去为0, 同时竖向有效应力分布与其它情况下分布不一样, 从坡面向里逐渐增加。

3.2.2 降雨情况下的孔压分布:

经过降雨入渗, t=6小时的空压分布, 随着雨水的渗入, 孔压与初始有明显的区别, 土体饱和度增大, 空隙水压力增大, 土体浅层的吸力逐渐减少。

降雨情况下土体水平位移:

图给出了t=10h的土体边坡的水平位移, 开始在坡顶出和坡面, 坡脚出开始有水平位移, 同时开始出现塑性区, 并开始由坡面向上发展。

4 结论

1) 随着降雨的入渗, 饱和度增大, 土体孔压有明显的增加, 土体浅层吸力减小, 会使土体抗剪强度减低。2) 考虑应力场和渗流场的耦合作用, 能比较准确的反映土体在降雨条件下边坡的响应。3) 随着降雨时间的增加, 在坡脚和坡面开始形成塑性区, 土体水平位移逐渐增大, 边坡的安全性能降低, 可能形成滑坡。4) 土体的渗透系数和土水特征曲线对边坡稳定性的影响较大。

参考文献

[1]廖世文.膨胀土与铁路工程.北京:中国铁道出版社, 1984.

[2]张蔚棒.地下水与土壤水动力学[M].北京:中国水利出版社.1996.

[3]殷宗泽等.土工原理.中国水利水电出版社.2007.

[4]陈丽刚.基于ABAQUS渗流与应力耦合作用的边坡稳定性分析[D].郑州大学.2010.

篇4：浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

关键词：降雨；降雨入渗；边坡稳定；强度折减；安全系数

中图分类号：TU 433

文献标志码：A

文章编号：1674-4764（2012）04-0019-05

Dynamic Influence of Sustained Small-Rainfall Infiltration on Stability of Unsaturated Soil Slope

LIU Zizhen1a,1b,2, YAN Zhixin1a,1b, PENG Ningbo1a,1b, DUAN Jian1a,1b, REN Zhihua1a,1b

(1a. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China, Ministry of Education;

1b. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, P.R. China;

2. School of Civil Engineering and Architecture, Taizhou University, Taizhou 318000, Zhejiang, P.R. China)

Abstract:Taking the moisture content as main control parameter of shear strength of the soil, we analyze the variational properties of moisture content and shear strength with the change of rainfall time during the small sustained rainfall infiltration, and establish the relationships between total cohesion as well as effective angle of friction and the time of sustained small-rainfall infiltration into an unsaturated slope. With the rainfall infiltration, the influence area of slope expands. Through the strength reduction method based on FLAC3D, the dynamic safety factor of slope in different time and the duration time before the failure of the slope are obtained. The results show that the slope critical sliding surface is yet unsaturated during a sustained small rainfall.

Key words:rainfall; rainfall infiltration; slope stability; strength reduction; safety factor



持续降雨入渗导致滑坡是重大地质灾害之一，降雨诱发滑坡灾害的形成机理和准确预测仍然是一大难题。在雨水的不断侵蚀下，土边坡的地质特性和物理力学特性也在不断变化。持续降雨渗入边坡后，一方面，雨水入渗对土体有切割作用；另一方面，坡体含水量增加，负孔隙水压力减小，使土体的抗剪强度处于动态降低过程，最终导致边坡失稳。国内外学者针对降雨诱发的饱和非饱和土边坡失稳作了大量的研究。Fredlund等［1-3］提出了双变量非饱和土抗剪强度公式，建立了土体含水量与抗剪强度的关系，拟合了土-水特征曲线方程，随着雨水渗入边坡后，土体内的基质吸力不断降低，导致土体抗剪强度降低。Au［4］全面分析了暴雨引发香港边坡失稳灾害情况。Collins等［5］研究了降雨引发滑坡的原理，认为降雨形成的孔隙水压力影响了边坡稳定，并通过极限平衡理论和有限元方法分析降雨条件下的边坡稳定性。Mohamed等［6］通过改装试验研究了不饱和土抗剪强度与水土特征曲线的关系。Chu-Agor等［7］、Huang等［8］、Oh等［9］等分析了降雨入渗对土体抗剪强度及边坡稳定性的影响。吴宏伟等［10］研究了雨水入渗对非饱和土坡的参数影响。李萍等［11］运用饱和非饱和渗流有限元法模拟土质高边坡的降雨渗流场。李兆平等［12］以土壤体积含水率作为控制变量，应用非饱和土水分运动基本理论建立了降雨入渗过程中土体瞬态含水率的计算模型，并通过实际工程，讨论了降雨入渗对土质边坡稳定性的影响。

以上研究主要基于非饱和土理论和渗流理论，考虑降雨入渗过程中孔隙水压力增加或基质吸力减小导致的土体抗剪强度降低，没有分析小强度降雨入渗的影响，而且没有分析持续入渗时间对边坡稳定性的影响。而当降雨强度很小或降雨入渗强度较小时，非饱和土边坡内渗流场的影响较小，土体主要是吸湿过程。土体吸湿后，容重增大，力学强度显著降低，导致边坡失稳破坏。随着降雨持续进行，降雨历时、入渗强度、土体抗剪强度和边坡安全系数之间存在一定的定量关系。笔者研究了降雨入渗强度较小时，非饱和土边坡抗剪强度与含水量和降雨持续时间关系，揭示边坡失稳动态过程。运用强度折减法［13-15］求解边坡持续小强度降雨过程的渐进破坏模式及动态安全系数。

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1 小强度降雨条件下非饱和土边坡数值计算

1.1 建立非饱和土抗剪強度与含水量关系

边坡土体抗剪强度是影响边坡稳定性的最主要因素，影响土体抗剪强度的主要参数有凝聚力、内摩擦角和基质吸力。基质吸力对非饱和土的力学特性有重要作用，基质吸力会因土体含水量的变化而改变，当土体达到饱和时，基质吸力为零。Fredlund等［1-3］对非饱和土特性作了深入研究，提出了非饱和土抗剪强度理论，见式(1)，

τf=c′+(σ－ua)tanφ′+ustanφb(1)

式中：τf为非饱和土抗剪强度；c′为土体的有效凝聚力；φ′为土体的内摩擦角；σ为土体的总应力；ua为土体内的孔隙气压力；us为土体的基质吸力，us=(ua－uw)，uw为孔隙水压力；φb为随基质吸力变化的内摩擦角，当土体接近饱和时，φb接近φ′。

令:

c=c′+ustanφb，(2)

式中：c为土体的总凝聚力。

将式(2)代入式(1)，得式(3)，

τf=c+σ′tanφ′(3)

式中：σ′为土体净正应力。

当土体达到饱和时，可得式(4)。

τf=c′+σ′tanφ′(4)

非饱和土的含水量对抗剪强度的影响主要通过有效凝聚力c′,内摩擦角φ′和基质吸力us来体现。通过试验可以确定非饱和土含水量与抗剪强度参数的关系，并将非饱和土抗剪强度及相关参数与含水量的变化关系拟合成曲线［16-17］。

有效凝聚力与含水量之间可按式(5)拟合。

c′=Aω2+Bω+D(5)

将内摩擦角与含水量之间按近似直线拟合，见式(6)。

φ′=Elnω+F(6)

基质吸力与含水量之间可按式(7)拟合,

us=Ge-Hω(7)

式(5)～(7)中：A、B、D、E、F、G和H为待定系数。

假定降雨入渗经过时间t后边坡内含水量与入渗强度关系为

ω=λet+ω0(8)

式中：e为降雨入渗强度，mm/s；λ为待定参量，mm-1；t为降雨持续时间，s；ω0为土体初始含水量。

因此，通过持续降雨入渗强度和时间可得到土体的含水量，进而获得降雨入渗边坡的动态稳定性情况。

1.2 建立抗剪强度与降雨历时的计算式

降雨入渗条件下，边坡土体吸湿后，土体含水量的增加影响边坡的稳定性。以土体含水量作为抗剪强度的主要控制参量，运用FLAC3D有限差分的强度折减法，求解边坡渐进破坏下的安全系数Fs，分析不同含水量时边坡的动态稳定性。按强度折减法原理，定义安全系数为边坡土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后强度的比值，即：

cf=c/Fi=(c′+ustanφb)/Fi(9)

φ′f=tan－1((tanφ′)/Fi)(10)

式中：cf和φ′f为土体折减后的抗剪强度指标；Fi为不断变化的折减系数，边坡达到临界破坏时的Fi即为边坡安全系数Fs。

土体处于非饱和状态时，小降雨入渗在坡体内处于吸湿过程，坡体内渗流影响较小。用Fredlund等提出的非饱和土抗剪强度理论［3］，可以得到基质吸力对边坡稳定性的影响。将式(5)～(7)分别代入式(9)、(10)后，可以建立边坡土体含水量与折减强度的关系式，见式(11)、(12)。

cf=(Aω2+Bω+D+Ge-Hωtanφb)/Fi(11)

φ′f=tan－1((tan(Elnω+F))/Fi)(12)

将式(8)分别代入式(11)、(12)，得式(13)、(14)。

cf=［A(λet+ω0)2+B(λet+ω0)+D+Ge-Hωtanφb］/Fi(13)

φ′f=tan－1((tan(Eln(λet+ω0)+F))/Fi)(14)

在持续降雨作用下，土的吸湿饱和过程比较缓慢，边坡体附加的雨水作用力可看作入渗雨水形成的均布荷载q，见式(15)，

q=ρgh=ρget(15)

式中：ρ为水的密度，h为降雨入渗的积水厚度。

因此，通过数值计算，可以得到降雨入渗条件下非饱和土边坡的渐进破坏模式和动态安全系数，从而可以得到出边坡失稳时降雨强度和降雨持续时间的临界值。

1.3 计算持续小强度降雨条件下边坡安全系数

降雨入渗后，受影响区域土体吸湿引起抗剪强度不断减小，导致边坡处于动态的不稳定过程。根据边坡稳定性力学机理，以土体弹塑性理论为基础，通过含水量对土体抗剪强度特性的影响规律，确定抗剪强度指标cf(ω)、φ′f(ω)和us(ω)随含水量（或时间）的定量变化关系。随着降雨入渗持续进行，降雨影响区域不断扩大［18］，通过强度折减法求得不同含水量时边坡的安全系数Fsω。当Fsω<Fs(工程规定值)时，判定边坡破坏（见图1）。

图1 安全系数计算程序

运用强度折减法分析边坡稳定时，必须有能够反映边坡失稳破坏的依据判断依据［13-15］：非饱和土边坡失稳破坏主要由于降雨入渗引起土体的凝聚力cf(ω)和内摩擦角φ′f(ω)不断减小，以及土体容重增加，导致边坡破坏，通过FLAC3D分析可以得到贯穿整个边坡的强度最弱滑动带。

通过计算，求得边坡失稳时间及相应的含水量，判别边坡失稳时的非饱和状态。因此，可以通过监测边坡土体的含水量和降雨持续时间来判定边坡的稳定状态，为边坡防护提供依据。

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2 工程应用分析

2.1 工程概况

某土边坡位于亚热带多雨地区，在持续的小强度降雨入渗后，边坡失稳破坏(图2)。降雨入渗后，土体吸湿后的抗剪强度显著降低，随着降雨持续进行，土体含水量增加。边坡物理力学参数见表1，降雨影响边坡的计算模型如图3所示，纵向宽度取1 m。土体初始处于非饱和状态，含水量ω0=21%，吸力摩擦角取为土体饱和时的内摩擦角，基质吸力采用张力计测得。降雨入渗强度e=1.93×10-4 mm/s，雨水渗入边坡后形成均布荷载；降雨入渗受影响区域土体含水量均匀变化，经过时间t后的含水量为ω=6.5×10－7t+0.21；拟合总凝聚力和内摩擦角与含水量的关系式为c=440ω2－459ω+1412；φ′=-110ln(100ω)+59.2。

2.2 边坡动态安全系数数值计算

采用FLAC3D进行数值分析，对边坡进行计算网格划分，共划分6 672个节点、3 200个单元（如图4）。计算模型底面3个方向采用固定约束，2側面和宽度方向受水平方向约束，自由面及坡面不受任何约束。

根据强度折减法的基本原理和降雨入渗条件下安全系数求解程序(图1)，不断折减不同时间降雨条件下的强度指标c(ω)和φ′(ω)，直到边坡达到临界破坏时，塑性区将贯穿整个边坡，形成明显的滑动带，即为边坡最弱面或最危险面。降雨初始时刻按c′0=61.0 kPa、φ′0=25.8°进行强度折减分析，计算得到降雨影响区域如图4，得到相应的边坡安全系数Fst=0=1.73。随着降雨持续进行，按每12 h找到相应的边坡渐进破坏面和安全系数。当t=84 h，Fst=84 h=1.04，边坡即将破坏，此时将降雨间隔时间定为1 h，可得到比较高的精度。

随着降雨持续进行，土体吸湿不断向内发展，边坡形成渐进的破坏模式（图5）。当t=86 h，滑移面贯穿整个边坡，说明边坡已经破坏。边坡受降雨影响区域的土体参数及动态安全系数计算结果见表2，边坡吸湿后含水量增加20.1%，边坡就发生失稳破坏，此时边坡滑动面仍处于非饱和状态。根据工程边坡的重要性及要求，当t=84 h可以认为边坡将发生失稳，应及时采取相关措施防治。

随着降雨持续进行，边坡土体抗剪强度指标和安全系数是一个动态变化过程，边坡各参数c(ω)、φ′(ω)和Fs(ω)的降低变化情况如图6所示。图6反应了持续降雨条件下非饱和土边坡稳定性情况，降雨前阶段土体指标和安全系数的变化率越越大，降雨后阶段的参数变化率逐渐减小，直到边坡失稳破坏。持续降雨条件下，边坡安全系数的变化规律主要受土的凝聚力影响。

3 结论

通过持续小强度降雨对非饱和土边坡稳定性的动态影响分析，可以得到如下结论：

1)建立了持续小强度降雨入渗条件下非饱和土边坡安全系数的定量关系式，将土体含水量引入到强度折减法中。

2)边坡降雨影响区域土体吸湿后，凝聚力和内摩擦角以及基质吸力都降低了，随着降雨持续进行，边坡土体抗剪强度指标和安全系数是一个动态变化过程，降雨前阶段土体指标和安全系数的变化率越越大，降雨后阶段的参数变化率逐渐减小，直到边坡失稳破坏。

3)以含水量作为抗剪强度的主要控制参量，通过强度折减法得到了持续降雨过程中边坡的渐进破坏面、动态安全系数和破坏时间，为持续的小强度降雨条件下土边坡的加固防护和失稳预测提供参考。

4)计算结果表明，持续小强度降雨条件下，边坡主要呈现吸湿过程，边坡的临界滑动面含水量仍处于非饱和状态。

参考文献：

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（编辑 胡英奎）

篇5：浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

关键词：边坡,稳定性,降雨入渗,防治

边坡的稳定是一个比较复杂的问题,影响边坡稳定性的因素较多,简单归纳起来有以下几个方面:边坡体自身材料的物理力学性质;边坡的形状和尺寸;边坡的工作条件;边坡的加固措施等等,在这其中水是边坡失稳的重要因素之一。边坡的变形与破坏大都发生在地区的冰雪解冻、雨季或雨后,特别是在暴雨之后往往会出现大量的滑坡、崩塌、泥石流等边坡失稳现象,还有部分发生在水库蓄水和渠道放水后或发生在施工排水不当的情况下,大量的事实证明,大多数边坡岩体的破坏和滑动都与水的活动有关,这足以说明水是影响边坡岩体稳定性的重要因素[1,2]。岩体中的水往往大部分是来自大气降水,因此在低纬度的湿热地带,因大气降水频繁,地下水补给丰富,水对边坡岩体稳定性的影响就要比干旱地区更为严重。

1 边坡内渗流场分析

雨水入渗会改变边坡内的渗流场,使水荷载增大,这是雨季边坡失稳的一个重要原因。由于裂隙发育程度(密度及隙宽)随深度而减弱,故雨水从地表渗入裂隙容易,而从深部岩体排走则十分困难。因此,一次一定强度和历时的降雨就有可能在地下水位以上的非饱和区形成暂态饱和区,使边坡内孔隙压力增大。强度超过入渗率的降雨历时越长,孔隙压力增加越多。当雨停后,暂态水压力会很快消失。暂态饱和区和暂态水压力虽然存在时间短暂,但对边坡的稳定却起着至关重要的作用,因为暂态水荷载增量值远比稳态水荷载增量值大,常成为边坡失稳的控制因素。

根据Coleman和Bodman的研究,当均质土体地表有积水入渗时,典型含水率分布剖面可分为四个区:饱和区,过渡区,传导区和湿润区,湿润区的前缘称为湿润锋。各个部分的特征为:饱和区:孔隙被水充满或处于饱和状态,该区域通常只有几毫米厚,这与积水时间有关;过渡区:该区域含水率随深度增加迅速下降,一般向下延伸几厘米厚;传导区:该区域含水率随深度增加变化很小,通常传导区是一段较厚的高含水率非饱和区;湿润区:该区域含水率随深度增加从传导区较高含水率值急剧下降到接近初始含水率值;湿润锋:湿润锋在干土和湿土之间形成一个陡水力梯度的锋面。

2 降雨入渗对边坡稳定性的影响

2.1 地表水对边坡的冲刷作用

由于岩石的风化、剥离、搬迁、沉积等地质作用,边坡中的土与土层的深度、土的紧密有关,越到表面土越松散,在雨水的作用下,水在坡表面流动冲刷整个坡面的松散物质,使坡面降低,边坡后移,这样就形成了面状侵蚀。若发生连续强降雨,则地表水汇流的动水作用会不停冲刷坡脚,直到冲刷到一定程度以至于边坡的抗剪力不足以维持坡体稳定性时,将导致滑坡。地表水和地下水的冲刷作用主要取决于水流的动能[3]:

式中m——水的质量,v——水的流速。当水流速度达到某一临界值时,将对边坡坡面和坡体内的某一粒径以下的松散物进行搬运,这种作用将破坏边坡坡面形状和岩体稳定性,当坡体内存在松散的软弱夹层时,这种机械潜蚀作用可使坡脚或坡体内的有关部位形成空洞,从而降低边坡岩体的承载能力,使坡体上部失去支撑而导致崩塌或滑坡事故的发生。

2.2 地下水对边坡的岩土体的软化作用

2.2.1 物理作用

岩体边坡中存在着结构面,而这些结构面的抗剪强度是控制边坡稳定性的主要因素,岩体结构面分为硬质结构面和软质结构面,微风化及新鲜岩体中的结构面如无充填物可视为硬质结构面,这类结构面的抗剪强度对水的介入不太敏感,而岩体中有泥质充填物的断层、层间错动带及节理裂隙等软质结构面遇水后,充填的软弱物会进一步软化,其抗剪强度显著降低,易使岩土体产生滑动,其原因有:一方面,是由于岩土体亲水矿物在周围地下水的作用下,矿物颗粒周围的水膜将迅速增大形成结合水,通过结合水的作用,低含水量的颗粒将从高含水量颗粒得到水,其颗粒周围水膜厚度不断增大,随着含水量的增减,岩土体的强度也会产生增减变化,在这种变化过程中,岩土体会产生膨胀和收缩,同时在岩土颗粒间会形成一种所谓的水楔作用,所以,这是从结合水的微观作用机理上分析地下水降低岩土体强度的原因;另一方面,是由于自由水在重力作用下会产生静水压力,静水压力对岩土颗粒具有浮力作用,即孔隙水压力作用,在它的作用下,岩土颗粒间的有效应力会减小,按照有效应力原理,有效应力减小会使作用在潜在破坏面上的法向应力降低,从而导致岩土体抗剪强度的降低。地下水的静水压力能够减少滑动面上抗滑力,而动水压力则直接加大了边坡的下滑力,在岩体中流动时的动水压力,其数值基本上等于主要由于摩擦所造成的水头损失,动力压力作用于渗流部分的岩体上,其方向与通过该点的流线的切线方向相一致,在比较松散或破碎的岩体以及较大的断裂构造破碎带中,由于它们的渗流条件比较优越,动水压力有必要考虑。

在降雨过程中,随着雨水不断下渗,边坡非饱和岩土体的体积含水量逐渐上升、基质吸力相应下降、负孔隙水压力也逐渐降低,在表面或某些区域负孔隙水压力甚至可能变成零或者正值,同时,由于雨水的软化和润滑作用,坡体及其填充物粘聚力的降低也削弱了坡体物质的极限抗剪强度。

此外,气温的物理作用使得水在结冰时,其体积增大10%左右,渗入岩体裂隙中的水冻结后可能对岩体产生很大的膨胀力,这个力是能使岩体沿着原有裂隙迅速开裂和分解的。对于裂隙中的某些次生充填,松散夹层或粘土质软岩,由于水的蒸发也往往能产生收缩性的干裂而导致不同程度的破坏。

2.2.2 化学作用

在一定条件下,水对岩体有明显的化学作用,岩石矿物吸收或失去水分子而发生水化作用和脱水作用,在吸水或脱水过程中都能引起矿物体积的膨胀或收缩,从而导致岩体松散、破碎或改变其化学成分,特别是当水中含有CO2等气体时,水的化学溶解将向深部发展和扩散,使岩体的破坏更为严重,水的化学作用有时还会沿着断裂构造向更深的部位延伸[4]。边坡岩体中地下水的类型主要为裂隙水、溶洞水和孔隙裂隙水,在岩体中构造断裂破碎带、各种结构面和有关“缺陷”是地下水储藏的场所,补给、排泄和径流的通道,它们的规模、性质、产状和空间布形,控制着地下水的赋存状态和运动规律。

地下水的存在通常会引起一些矿物与水发生不利反应,使岩土成分发生变化,并使岩石和岩体结构受到破坏,发生崩解和泥化现象,从而使岩土的抗剪强度降低,水本身是赋存于摩擦面间的润滑介质,颗粒间或裂面间的摩擦系数在一定的范围内随湿度的增大而急剧下降,因此对于某些大型构造断裂带、软夹层面,则应该注意到水作为一种存在于软弱面和空隙间的介质对边坡岩体稳定性所引起的不良影响。

3 治理措施

由于水对边坡的影响是多方面和多角度的,应该针对不同的边坡,了解地下水位情况,采取不同的方法进行加固,本着具体问题具体分析的原则因势利导,多角度、多方面的进行分析,最终采取最优的方法,在边坡工程中往往要求采用多种措施进行综合治理,以排除不利外因(如雨水入渗),改善坡体力学条件(如减载,支撑等),提高或保持潜在抗滑强度(如锚固、培烧等),从而确保坡体稳定,对水的防治而言,主要是要作好地表水和地下水的排水工作,来降低或保持地下水位,使边坡土体处于良好的稳定状态,目前应用广泛的排水措施主要有渗沟、盲沟及斜孔等。

3.1 排除地表水的措施

修建的地表排水建筑物按其分布的相对位置可分为边坡体内排水和边坡体外排水,边坡体内的排水建筑物为了使降落在边坡体上的雨水能迅速排走,防止渗入边坡体内,应以防渗、汇集、快速引出为原则。

3.2 排除地下水的措施

治理地下水的原则是“可疏而不可堵”,最大程度地将地下水疏干,同时在地表设置引导沟渠,把地表水源引开,减少地表水的下渗,应该根据水文地质条件,特别是滑面(带)水的分布类型,补给来源及方式,合理采用拦截、疏干、引排等措施,达到“追踪寻源,截断水流,降低水位,晾干土体,提高岩土抗剪强度,稳定滑坡”的目的。例如:采用浆液注浆边坡岩体的裂隙中,可以提高岩体的完整性,并阻塞地下水活动通道,从而提高边坡的稳定性。

参考文献

[1]Reid M E.Slope instability caused by small variations in hydraulic conductivity[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1997,123(8):717-725

[2]Mohamad K K,Hasen M.Case study of slope failures at spilmans island[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1998,124(11):1091-1099

[3]彭文祥.岩质边坡稳定性模糊分析及耒水小东江电站左岸滑坡治理研究[D].长沙:中南大学,2004:40

篇6：浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

关键词：边坡,稳定性,降雨,进展

边坡产生失稳破坏的原因多种多样,其内因(如岩性、土性、地质构造、地形和风化状态等)一般起着控制作用,但外因(如降雨、融雪等气象条件和挖方引起的应力变化等)往往加剧边坡破坏,有时甚至是引起边坡失稳破坏的主要直接原因,在产生滑坡的自然外因中,降雨、融雪和地下水的渗透作用则是最大的外因,常言有云:“十滑九水”。

1 边坡稳定性研究的四个阶段

边坡稳定性研究由来已久,对于它的研究是基于人类的生产活动而形成的。随着世界上各个国家大规模工程建设的开展,开始出现了各种边坡灾害,造成了很大的损失,这使得人们把边坡的稳定性研究作为一项课题来进行分析研究,就边坡稳定性的研究而言,其大致经历了以下几个阶段[1]:19世纪中叶起至20世纪20至50年代,主要是定性研究阶段;20世纪60年代至70年代,主要是边坡稳定性研究理论和方法的发展阶段;20世纪80年代,边坡稳定性研究的理论和方法更加成熟,可以利用计算机定量或半定量地模拟边坡开挖至破坏的全过程;20世纪90年代后,随着非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性分析理念以及计算机技术的发展,为边坡稳定性问题的研究提供了新的途径和方法,多学科、多专业的交叉渗透研究己成为边坡研究的发展方向。

2 降雨对边坡稳定影响研究进展

目前,国内外许多学者对降雨与边坡稳定的关系进行了研究,概括起来,这些研究可以分为两部分:一是分析降雨入渗引起边坡失稳的物理过程并建立定量的模型进行数值模拟,其最大优点是对边坡各种岩土的类型、土的入渗能力、土的初始饱和度、土层深度、水文地质条件、边坡长度、降雨持时、降雨强度、暴雨前降雨量、间歇性降雨以及坡面防渗等情况进行适当考虑,其关键是准确获取这些参数值[2];二是借助数学统计分析方法寻求降雨与边坡稳定性之间的相关规律,其最大优点是仅仅依赖于历史数据或试验数据,不需考虑降雨在岩土体中的作用和滑坡自身的演变过程,归纳出相关关系可作为本地区或本边坡的中短期滑坡预测和预防。

陈守义[3]首先提出了考虑降雨入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法,运用非饱和土壤水分运动问题的研究方法,求解给定入渗和蒸发边界条件下斜坡土体瞬态含水率分布,假定非饱和土抗剪强度与饱和度之间存在一定的函数关系,据此将瞬态含水率分布换算为斜坡土体瞬态抗剪强度参数分布,再在此基础上使用常规土坡稳定性分析方法计算土坡瞬态安全系数。胡明鉴等[4]通过试验对降雨条件下激发滑坡进行了研究,表明:粘聚力和内摩擦角与含水率呈线性递减关系,降雨激发滑坡是在以降雨为主导因素的多种因素综合作用下发生的复杂过程,而且还存在一定的滞后效应。

姚海林等[5]研究了降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性的影响,对降雨强度、饱和渗透系数、降雨持时等影响膨胀土边坡稳定性的因素进行了参数研究,得到了以下结论:降雨强度对边坡稳定性的影响程度取决于土体本身的渗透性,降雨强度小于土体的渗透性时,安全系数受其影响,当降雨强度大于土体的渗透性时,降雨强度对渗流场的影响不大,膨胀土的渗透性越大对边坡的稳定性愈不利。他们在研究中还考虑了裂隙对膨胀土边坡的影响,但他们在研究中把土的渗透系数取为饱和渗透系数,研究的是饱和—非饱和渗流问题,未考虑非饱和土中的渗透系数在雨水入渗过程中的变化情况,而且在建立非饱和土的渗流方程时以水头作为因变量,不能直接得到土坡含水量的时空分布。土壤水分入渗大体可以分为两种类型[6]:一是降水从地表垂直向下进入土壤的垂直入渗问题,二是侧向入渗问题,当水以降雨的形式施加在土表面时,水会入渗到土体中,这种水分通过非饱和带(或包气带)进入土体中的过程称为入渗,降雨入渗的过程是一个随时间和空间变化十分强烈的动态过程,雨水入渗量受前期降雨量,雨型,降雨强度,降雨历时,土体物理性质,入渗面坡度,植被情况以及粗糙程度等诸多因素的影响,当降雨强度超过土体的入渗能力时,将在表面产生径流或积水,向土体内部形成不断扩大的饱和区,此时土体中水分的运动是饱和-非饱和运动,这种模型可称为“积水模型”,当降雨强度低于土体的入渗能力时,入渗过程受供水能力的控制,可称之为“降水模型”。

Sammori等[7]用Galerkin有限元法模拟了恒定降雨强度条件下的边坡暂态渗流过程,并对边坡稳定性进行了参数研究,分析出斜坡稳定的影响因素有土坡的渗透状况,斜坡的长度以及土层的厚度等。Cho等[8]用二维渗流有限元模拟雨水入渗,考虑了雨水渗透的各向异性,并进行边坡稳定分析,但由于采用的是非线性弹性模型,只适用于局部边坡破坏,若要适用于较大土坡的稳定分析,需要进一步的研究。黄润秋[9]则从土体强度分层、吸力和裂隙影响的角度分析了非饱和膨胀土边坡稳定性。但由于边坡非饱和岩土体自身的物理力学参数所具有复杂性和随机性,现行饱和土边坡的稳定性分析大多采用确定性模型,很少考虑边坡参数随机性问题,这显然与工程实际不符,而采用可靠度理论研究路堑边坡稳定性问题,无疑是一种行之有效的方法,但基于可靠度理论,并考虑降雨入渗影响的边坡饱和—非饱和渗流动态分析方法,在国内外的应用还比较少见,因此,弄清降雨入渗的过程与机制,全面分析边坡稳定性影响因素,进行边坡饱和—非饱和渗流动态分析,提出高速公路边坡稳定性评价方法,编制相应的实用计算程序,将其运用于工程实际,其意义是深远的。香港科技大学与长江科学院在湖北枣阳膨胀土边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测,分析了膨胀土渐进式滑坡[10]。

孙役等[11]根据单裂隙饱和—非饱和渗流试验确定了饱和度—毛管压力关系,采用有限元法模拟裂隙网络饱和-非饱和渗流,用数值方法进行了边坡应力分析及边坡稳定性评价。Lam等[12]对饱和-非饱和土渗流问题作了较完整的论述,将非饱和土壤水运动理论与非饱和土固结理论相结合,得到了符合岩土界使用的饱和一非饱和渗流控制方程,并运用二维有限元方法对复杂地下水运动系统的几个暂态渗流实例问题进行了数值模拟。黄玲娟等[13]对大量的降雨型滑坡分析研究得出以下规律;暴雨开始之后10～12h开始出现滑坡,暴雨开始之后28～30h出现大量滑坡,而且一些大型和巨型滑坡开始出现,当一次暴雨过程的累积降雨量在200至350mm以上,日降雨量大于110mm以上时,常产生大型和巨型滑坡。

Gerscovich等[14]通过对实验和现场勘测,发现在水文因素中渗流路径和机理比表面降雨入渗更为重要。Lacerda[15]通过现场和实验研究,揭示了巴西南部边坡崩积层和表层产生滑坡的机理(包括边坡岩土成分、地下承变化、降雨的影响机理)。赵慧丽等[16]建立了用来模拟非饱和土体中水分运动的二维数值计算模型,编制相应程序计算了不同入渗条件下雨后边坡土体中瞬态含水率的变化情况,得出了雨后土体中含水率的变化规律。柴军瑞[17]则从渗流与应力之间的相互作用关系着手,考虑了渗透静水压力和渗流体积力的作用,透过建立渗透系数、空隙率、体积应变之间的关系来建立等效连续岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型,采用有限元数值方法进行了双场耦合分析与计算。考虑降雨入渗对边坡影响时,目前主要是结合岩体本身属性和边界条件,通过实验或数值方法来计算或模拟雨水形成的饱和-非饱和渗流场,进而通过考虑水对岩体的弱化作用来分析其对边坡的作用[18]。

3 结语

篇7：浅谈降雨入渗对边坡稳定性的影响

边坡稳定性一致是关注的热点[1~2], 降雨入渗是诱发边坡失稳的主要因素之一, 且失稳多发生在雨季。降雨导致边坡原有非饱和区负孔隙水压力发生强烈的变化, 表层岩土体不同部位出现暂态饱和区, 增大该区域边坡土体自重, 导致下滑力增加, 对边坡稳定性不利。同时, 随着降雨历时的增加, 土体饱和度及孔隙水压力将增大, 基质吸力随之减少, 这些均会导致边坡稳定性降低[3], 而有关此方面的研究还不多。蒋中明等[4]采用数值模拟方式研究了降雨强度对边坡稳定性的影响;崔亮等[5]采用有限元软件分析了降雨时孔隙水压力和基质吸力的变化情况;徐全等[6]分析了降雨条件下边坡安全系数随降雨历时的变化情况;赵吉坤等[7]通过试验分析了边坡坡度及含水率对边坡稳定性的影响。最新研究成果当属Cao等[8]提出的考虑基质吸力的条分法、Amir等[9]提出的部分饱和条件下的稳定性算法。此外, 仅仅考虑动力作用时的边坡稳定性研究[10]也是一个方向, 为了提高边坡稳定性, 可通过附加锚索或桩的方式, 关于附加锚索动力稳定性分析[11]的研究很少。

目前的方法存在一个缺陷:即, 没有把降雨与动力分析相结合来分析边坡稳定性。为此, 本文以广东某具体工程为背景, 具体过程为:首先将土质边坡简化为一维入渗模型, 按非饱和土力学中的公式来定义基质吸力和饱和度的关系;其次, 在动力分析方面, 采用文献[12]的方法, 只考虑水平地震作用及其地震最不利工况, 地震时土中的动土压力沿坡高分布呈倒三角形分布, 采用拟静力法施加动力荷载;再次, 利用ABAQUS软件进行仿真分析;最后给出了一个计算实例。

1 非饱和土抗剪强度理论

非饱和土需考虑基质吸力的影响, 可采用Bishop等和Fredlund等提出的非饱和土强度理论。Bishop认为非饱和土中的有效应力可以通过联合使用两个独立的状态变量σ-ua和ua-uw和一个材料变量χ来定义, 为:

式中:σ'为有效应力;σ为总应力;ua为孔隙气压力;uw为孔隙水压力;σ-ua为净正应力;ua-uw为基质吸力;χ为吸力参数, 其值介于0~1之间, 饱和土的χ=1, 干土的χ=0。在此基础上, 根据Terzaghi有效应力原理和Mohr-Coulomb强度准则得出非饱和土有效应力抗剪强度公式为:

其中:τf为破坏时破坏面上的剪应力;c'和φ'为饱和土的有效凝聚力和有效内摩擦角。

Fredlund强度公式的理论基础仍然是MohrCoulomb破坏理论, 其引入了一个额外的摩擦角φs来考虑基质吸力对非饱和土强度的贡献, 得到了非饱和土强度与基质吸力之间的关系为:

目前主要采用此两种非饱和土抗剪强度理论, 但其参数χ、φs难以确定, Lu等[12]提出饱和、非饱和土统一表达式, 虽然与式 (2) 一致, 但含义已经改变, 有必要重写如下:

其中:

也可采用如下经验公式:

式中:θr和Sr分别表示土体残余体积含水量 (%) 和残余饱和度 (%) ;θs为饱和体积含水量 (%) 。这些参数均可通过土水特征曲线来获得。

2 非饱和土渗流理论

非饱和土渗流基本微分方程为:

式中:θw为体积含水率;hw为水头高度;kwx、kwy分别为x、y方向渗透系数。

Fredlund和Morgenstern提出使用两个独立应力状态变量σ-ua和ua-uw来描述非饱和土的应力状态, 可表示为:

式中:m1w、m2w分别为与σ-ua和ua-uw有关的水的体积变化系数。

对于无外载荷作用于土体时的瞬态渗流, 且非饱和区气相连续不变, 则有:

联立式 (7) ~式 (9) , 可得:

式中:为土—水特征曲线斜率的绝对值。

因为代入式 (10) , 得:

此时, 可采用有限元软件进行分析, 本文采用ABAQUS软件的两相流模块来进行非饱和渗流分析。

3 地震拟静力应力场

只考虑水平地震作用及其地震最不利工况。根据以往基于波动理论的研究, 地震时土中的动土压力沿坡高分布呈抛物线形或倒三角形, 此处计算取倒三角形分布, 由谐振定律计算的动土压力强度为:

式中:pd为动土压力;nc为地震时土的附加质量系数, 可通过试验确定, 对于松散土取0.11~0.13;γ为土的容重;C为地震波在土体中的传播速度;μ为土体伯松比;E为土体的弹性模量;T为地震振动的卓越周期;Kc为地震系数。

4 实例分析

本文以广州至乐昌高速公路高路堤边坡为对象, 所属区域为地震烈度7度区域, 地震系数Kc取为0.1, 计算参数见表1, 泊松比均为0.3。折减系数及基质吸力与饱和度的关系曲线见图1、图2。降雨时间为72h, 水平和竖向渗透系数是一样的。为便于有限元软件的实现, 安全系数计算时采用了强度折减法, 降雨72h的塑性区域分布云图见图3。经计算得:在不计动荷载时降雨36h和72h的安全系数分别为1.234和1.212, 而计入水平动荷载后, 安全系数分别为1.152和1.139, 可见, 水平动荷载对边坡安全系数影响较大。

5 结论

兼顾降雨与动力分析边坡稳定性的研究目前很少, 本文借助于拟静力法的思想, 把最危险水平动荷载作为静力荷载施加于边坡。通过计算可知:计及动荷载的边坡安全系数降低较大。此外, 从云图中可以看出, 塑性区域分布与通常坝体的塑性区域分布不同;边坡上部塑性区域较大, 应该附加锚杆来加强其强度。

摘要：针对目前边坡稳定性分析方法中把降雨入渗与地震作用隔开分析的特点, 为了使稳定性分析方法更加接近于实际, 考虑降雨非饱和边坡动力稳定性分析方法被提出。首先, 将土质边坡简化为一维入渗模型, 按非饱和土力学中的公式来定义基质吸力和饱和度的关系;其次, 在动力分析方面, 只考虑水平地震作用及其地震最不利工况, 假设地震时土中的动土压力沿坡高分布呈倒三角形分布, 采用拟静力法施加动力荷载;再次, 利用ABAQUS软件进行仿真分析。从计算实例来看, 动力作用下的边坡稳定性下降较大。