降雨入渗对边坡稳定性影响的试验研究*

倪凯军 安海堂 张卫强

(1.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉);2.中南市政工程中南设计研究院有限公司;3.中国矿业大学资源与地球科学学院)

降雨是诱发边坡失稳的一个重要影响因素，主要体现在:降雨入渗使坡体含水率增大，重度增大，使边坡的下滑力增大;降雨使边坡体的力学性能劣化;降雨使地下水位上升，在坡体中产生孔隙水压和渗透力，导致抗滑力减小下滑力增大［1-3］。因此研究降雨入渗对边坡稳定的影响是十分重要和有意义的。目前，对边坡的稳定性研究主要集中在实测和数值模拟两个方面，且已取得了不少成果。如陈正洪等从几十个典型滑坡事例出发，分析了我国湖北省降雨型滑坡泥石流的时空分布特征和与之密切相关的降雨气候条件的时空分布规律，得到日降雨量大于50 mm天数为最紧密因子［4］;谢剑明等根据浙江省降雨的特点，研究了区域性滑坡灾害与台风区和非台风区降雨量及降雨强度的相关性［5］;日本Jagannath Jos hi等对日本福冈县阿波罗山国有林地降雨引起的31处滑坡进行了统计分析，结果表明，42%的滑坡发生在凹坡，32%发生在直坡，26%发生在凸坡［6］;Lumb研究了降雨和滑坡的关系，并率先提出了一种简化的一维垂直入渗模型［7］;陈守义通过数值计算方法，求解了任意给定的入渗和蒸发边界条件下，边坡土体的瞬态含水率分布，及与其相对应的瞬态抗剪强度参数分布［8］。

为更深入全面的分析降雨入渗对边坡稳定性的影响，本文通过室内边坡试验，考虑降雨入渗条件，模拟了降雨过程中水分在边坡中的渗流过程，并通过对土体压力、位移等参数的检测，得到了降雨入渗过程中物理力学参数的变化，通过数值模拟方法，分析了水分的运移规律，并计算出了潜在滑动面，为边坡的稳定运行提供指导。

1 室内边坡试验

试验模型为长120 cm，宽110 cm，高100 cm的透明硬质钢化玻璃箱，玻璃板厚2 cm。模型箱两侧和后端均有等间距分布的1.5 cm直径的圆孔。为便于试验材料的铺设和观察试验结果，在模型箱上预先画有10 cm的网格。

试验土体为普通黏土和1 cm以下的细砂，土体和细砂的主要物理参数如表1所示。边坡制作过程中采用分层填筑，每层5 cm，夯实后继续铺设下一层;在坡体中间铺设一细砂层，模拟边坡中软弱夹层;在边坡顶部开挖一长40 cm、高15 cm的水槽，保持15 cm水头，模拟降雨入渗过程;采用高清数码相机观察水分的入渗过程和土体变形。试验模型如图1所示。

表1 土的物理力学参数

图1 试验模型

2 试验结果及分析

图2为降雨过程中水分的入渗过程。由图2可知，降雨在边坡入渗分为垂向入渗和横向入渗，由于重力作用，垂向入渗速率大于横向入渗速率，水槽下面的土体率先达到饱和。随着时间的延长，坡体内部浸润线不断向横向和垂向移动，浸润面积也在不断扩大，黏土边坡中夹杂的砂土层湿润峰前进的速度大于黏土层，这是由于沙土的渗透系数大于黏土的渗透系数。滑坡中渗透系数大的层面容易形成滑移面，在边坡防治中应加强对此层的处理。

砂层浸润线随时间变化曲线的试验测点见图3，试验数据的拟合函数为:拟合相关系数R2=0.998。

图2 入渗过程浸润曲线变化

图3 入渗砂层浸润线长度变化

由图3可以看出，水在砂土层中的入渗随时间慢慢扩散，时间越长浸润长度越大。但入渗的速度与时间不是一一对应关系。由R2=0.998可知，式(1)与实际曲线的相关度非常高，可近似看成一条对数线，时间越长入渗速率越低，入渗越慢。在时间60～70 min、砂层土浸润线长度在40～45 cm时，入渗速率明显降低，之后趋于平稳。分析原因主要由于水在渗流过程中能量不断消耗，水力坡度变小，水动力作用趋于平稳，入渗速率也随之变低。

3 数值模拟

本文数值模拟在SLOPE/W上完成。SLOPE/W是Geoslope公司生产的岩土工程有限元数值分析软件GeoStudio中的一个模块，专用在边坡的稳定性评价，即边坡安全系数的分析计算。该软件可以采用多种边坡稳定性分析方法，能够计算孔隙水压力下的边坡稳定性问题。本文在此软件上计算时采用Bishop法。

图4为试验模型有限元网格划分图。图5为模型降雨入渗过程的Slop数值模拟图，图中箭头表示渗流方向，长度表示渗流速率，1线表示潜水的位置。由图5可以看出，开始是在各个方向入渗，但垂向的入渗明显大于横向，所以水先向下运动比较快。由于水的不断入渗，边坡上层的容重增加，下层土体逐渐饱和，受到挤压。随着入渗时间的增加，压力愈来愈大，边坡土体内部的孔隙水压力也不断增加，土体内部的水位线不断上升，边坡下部土体处于饱和状态，上部土体处于非饱和状态，土体下部的孔隙水压力大于上部。

当经过砂土层时，图中等水位线明显由砂土层的位置向外凸起，说明了水在砂土层的入渗速率大于土层(沙土的渗透系数大于土层渗透系数)。这与试验过程中整个边坡的浸润线在砂土层的位置向外凸起非常吻合。

图4 有限元网格划分

图5 Slop数值模拟

当土体饱和时，由图5可以看出砂土层的渗流速率较大，明显大于其上部与下部的土层，形成了一个潜在的滑移面。一旦边坡的稳定性遭到破坏的时候，就很有可能沿着这层潜在的滑移面滑动。

图6为 Janbu法、Bishop法、Morgenstern-Price法计算出来的、随着最大潜水面升高的最小安全系数变化曲线。由图6可知，最小安全系数随着入渗程过的进行逐渐减小，当最大潜水位为0.8 m左右时，最小安全系数已经接近1，这时边坡处于滑动临界状态，十分危险。图7为Janbu法计算出的最危险滑动面，可以看出，最危险滑动面穿过砂层，位于下层黏土与砂层的交界面上。这是由于砂土的抗剪强度较低。数值计算结果表明，在边坡中存在强度较低的土层时，容易在该层产生滑坡。

4 结论

图6 最小安全系数与最大潜水位关系

图7 Janbu法计算出的最危险滑动面

通过考虑降雨入渗的室内边坡试验，模拟了降雨过程中雨水在边坡中的入渗过程及运移规律，计算了最小安全系数随最大潜水位的变化关系和最危险滑动面。得到主要结论如下:

(1)雨水在边坡入渗过程中，垂向入渗大于横向入渗，细砂层为水分的优势渗流层。砂层浸润线的长度随着时间的延长逐渐增大，增大规律符合对数函数。渗流速度随着时间的增长逐渐减慢，在60～70 min时，入渗速率有明显降低。

(2)通过数值模拟，分析了降雨过程中水分在边坡中的运移规律，水分的垂向运移大于横向运移，当边坡下部饱和后横向运移速率变大，细砂层为水分的优势渗流层，渗流速率大于黏土层，易形成边坡失稳的潜在滑移面。

(3)随着降雨入渗，最小安全系数逐渐减小。通过Janbu法，计算出了最危险滑动面穿过砂层，位于下层黏土与砂层的交界面上。

［1］ 王恭先.边坡滑坡原因分析及防治办法［J］.重庆建筑，2005(6):18-21.

［2］ 武 丽.降雨入渗对边坡渗流特性及稳定的影响研究［D］.南京:河海大学，2005.

［3］ 陈书生.基于强度折减技术的边坡稳定性及其影响因素分析［J］.勘查科学与技术，2009(3):3-7.

［4］ 陈正洪，万素琴，毛以伟.三峡库区复杂地形下的降雨时空分布特点分析［J］.长江流域资源与环境，2005，14(5):623-627.

［5］ 谢剑明，尹显科，郭劲松.飞水崖堆积体边坡的稳定性分析与评价［J］.水电站设计，2007，23(1):62-65.

［6］ Tsaparas I，Rahardjo H，Toll D G，et al.Controlling parameters for rainfal-l induced landslides［J］.Computers and Geotechanics，2002，29(1):127.

［7］ Wang G，Sassa K.Factors affecting rainfall-induced flowslides in laboratory flume tests［J］.Geotechnique，2001(7):587-599.

［8］ 陈守义.考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法［J］.岩土力学，1997，18(2):8-13.