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降雨工况下覆盖层边坡渗流特性及稳定性分析 ① 罗 卫 （湖南省建设工程质量检测中心，湖南 长沙 ４１０００１） 摘 要 基于饱和-非饱和理论，结合武靖高速实际工程地质条件和气候条件，采用有限元软件研究了降雨工况下覆盖层边坡的渗 流特性以及降雨影响下渗流特性变化对覆盖层边坡稳定性的影响。 结果表明，降雨过程中覆盖层边坡表现为逐层入渗，基质吸力 逐层消散，渗流梯度的峰值随入渗深度增加逐渐减小，边坡逐渐发生局部失稳，安全系数逐渐降低；降雨停止后，边坡暂态饱和区逐 渐向边坡内部转移，基质吸力逐渐恢复，边坡失稳模式逐渐由局部失稳发展为整体失稳，安全系数持续下降。 关键词 道路工程； 降雨入渗； 边坡； 稳定性 中图分类号 ＴＵ４５７文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１７．０４．００７ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１７）０４－００２８－０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ Ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｉｎｆａｌｌ ＬＵＯ Ｗｅｉ （Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００１， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｅｄ-ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｔｈｅｏｒｙ， ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｓｅｅｐａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｌｉｍａｔｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｗｕｇａｎｇ-Ｊｉｎｇｚｈｏｕ ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｉｎ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｓｌｏｐｅ ｌａｙｅｒ ｂｙ ｌａｙｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｒａｉｎｆａｌｌ， ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ ｓｕｃｔｉｏｎ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ， ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｗｉｔｈ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ． Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ， ｓｌｏｐｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｚｏｎｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｍｏｖｅｓ ｔｏｗａｒｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｏｆ ｓｌｏｐｅ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ ｓｕｃｔｉｏｎ ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ． Ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｂｅ ｗｉｔｈ ａｎ ｏｖｅｒａｌｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｋｅｅｐｉｎｇ ｆａｌｌｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒｏａｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ； ｓｌｏｐｅ； ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 降雨是诱发覆盖层边坡失稳的主要因素，近年来 受极端降雨影响，泥石流、边坡滑坡等地质灾害时有发 生，给人们的安全出行带来巨大威胁。 因此，迫切需要 研究降雨工况下覆盖层边坡的渗流特性以及渗流特性 变化对覆盖层边坡稳定性的影响。 边坡降雨入渗方面国内学者进行了大量研究［１－５］。 基于现有降雨入渗的研究成果，本文采用有限元软件 研究了极端降雨工况下，覆盖层边坡体积含水率、基质 吸力、渗流梯度的变化规律和覆盖层边坡渗流特性 （渗透力、体积含水率、基质吸力）变化对边坡稳定性 以及潜在滑裂面的影响。 １ 饱和-非饱和稳定性分析方法 １．１ 边坡稳定性理论 法国科学家库仑于 １８ 世纪根据抗剪强度试验提 出了土的抗剪强度 τｆ计算公式［６］ τｆ＝ ｃ ＋ σ′ｔａｎφ（１） 式中 ｃ 为粘聚力；σ′为剪切滑裂面的有效正应力；φ 为 内摩擦角。 由于式（１）仅考虑了土体在饱和状态下的抗剪强 度，未考虑非饱和状态下基质吸力对边坡稳定性的贡 献，据此 Ｆｒｅｄｌｕｎｄ 等［７］根据非饱和土的双应力变量理 论提出了非饱和抗剪强度公式 τｆ＝ ｃ′ ＋ （σ － ｕａ）ｔａｎφ′ ＋ （ｕａ － ｕ ｗ）ｔａｎφ ｂ （２） 式中 ｕａ为空气进气值，考虑边坡孔隙与大气相连，ｕａ ＝０； φｂ为基质吸力对内摩擦角的贡献，按经验取值 φｂ＝ １４；ｕｗ为孔隙水压力。 在计算边坡稳定性时，本文采用极限平衡法（ＧＬＥ 法） ［８］ ①收稿日期 ２０１７－０２－２４ 作者简介 罗 卫（１９８５－），男，湖南醴陵人，工程师，主要从事土木工程检测及管理工作。 第 ３７ 卷第 ４ 期 ２０１７ 年 ０８ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №４ Ａｕｇｕｓｔ ２０１７ 万方数据 Ｆｍ＝∑ｃ′βＲ＋ Ｎ － ｕｗβ ｔａｎφｂ ｔａｎφ′ － ｕ ａβ １ － ｔａｎφｂ ｔａｎφ′ []ｔａｎφ′ｃｏｓα{}∑Ｎｓｉｎα （３） 式中 Ｆｍ为由力矩平衡推算出的安全系数；β 为土条底 部沿滑动面方向宽度，ｍ；Ｒ 为滑动半径，ｍ；Ｎ 为土条 在垂直滑动面方向上所受的支持力，Ｎ；α 为土条基底 倾角，。 １．２ 渗透力 渗透力是指岩土体边坡在降雨入渗过程中，雨水 在坡体内部流动对岩土体骨架所施加的力［９］。 岩土 体单元上的力如图 １ 所示。 由于建模过程中各节点分 布较复杂，因此在数值模拟计算时渗透力采用边界力 进行考虑。 边界力 ＝ ＝ L h FhzLgA 浮力 FzLgA 渗透力 FhgA z 图 １ 岩土体单元上的力 ２ 算例分析 ２．１ 模型建立 以武靖高速 Ｋ５６＋４１４～Ｋ５６＋５８６ 段右侧边坡为研 究对象，边坡分为三级，第一、二级边坡坡率为 １ ∶１，第 三级坡率为 １∶１．２５；边坡地层分布从上到下依次为粉 质黏土层、全风化砂质板岩层、强风化砂质板岩层。 边 坡水位线分布以及二维有限元网格划分如图 ２ 所示。 为反映降雨工况下各层基质吸力、渗流梯度变化，分别 在粉质黏土层、粉质黏土层与全风化砂质板岩界面处、 全风化砂质板岩层布置 ３ 个监测点。 距离／m 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 200406080100120140160 高程高度／m 监测点1 监测点2 初始水位线 监测点3 图 ２ 二维网格模型 渗流边界条件模型侧边界、模型底边界、路面为 不透水边界，其余边界为降雨入渗边界。 渗流水力学参数通过室内试验和查阅相关文献， 粉质黏土、全风化砂质板岩、强风化砂质板岩的饱和体 积含水率分别为 ０．１５、０．１８、０．１６，残余体积含水率分 别为 ０．０１８、０．０５、０．０４，饱和渗透系数分别为 ２．８１０ －６ 、 ２．０４１０ －６ 、３．２３１０ －７ 。 由于在非饱和区内渗透系数随 基质吸力变化关系难以通过室内试验确定，故采用 Ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ 模型拟合粉质黏土、全风化砂质板岩、 强风化砂质板岩的土水特征曲线，计算过程中，考虑各 层岩土体为各向同性。 体积含水率以及渗透系数随基 质吸力变化关系分别如图 ３、图 ４ 所示。 湖南地区 ５０ 年最大日降雨量 １９０ ｍｍ，持续 ５ 天，因此降雨强度取 为２．１９９ １０ －６ ｍ／ ｓ，查阅边坡设计资料以及相关文 献［１０］，岩土力学参数如表 １ 所示。 基质吸力／kPa 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 200406080100 体积含水率 粉质粘土 全凤化砂质板岩 强凤化砂质板岩                    图 ３ 体积含水率随基质吸力变化关系 基质吸力／kPa 110-2 110-3 110-4 110-5 110-6 110-7 110-8 110-9 110-10 200406080100 渗透系数／m h-1                        粉质粘土 全凤化砂质板岩 强凤化砂质板岩  图 ４ 渗透系数随基质吸力变化关系 表 １ 物理力学参数 岩层 类型 重度 ／ （ｋＮｍ －３ ） 粘聚力 ／ ｋＰａ 内摩擦角 ／ （） 压缩模量 ／ ＭＰａ 粉质黏土１９２０２０４０ 全风化砂质板岩２８２５２０７０ 强风化砂质板岩２４５５３０８０ ２．２ 暂态饱和区分布规律 受降雨影响，降雨过程中以及降雨停止后各时段 边坡暂态饱和区分布规律如图 ５ 所示。 ９２第 ４ 期罗 卫 降雨工况下覆盖层边坡渗流特性及稳定性分析 万方数据 10 h 20 h 40 h 60 h 80 h 100 h 降雨停止1 h 降雨停止3 h 降雨停止3 h 降雨停止7 h 降雨停止7 h 降雨停止10 h 降雨停止10 h 降雨停止5 h 降雨停止5 h a b 图 ５ 暂态饱和区分布规律 （ａ） 降雨过程中； （ｂ） 降雨停止后 由图 ５ 可知，随降雨历时增加，雨水逐层渗入到边 坡内部；相同降雨时间内，距粉质黏土层与全风化砂质 板岩的分界面越近，雨水在边坡内形成的暂态饱和区 范围越大。 降雨停止后，随时间不断延续，暂态饱和区 逐渐向边坡内部转移且暂态饱和区范围逐渐减小。 根 据 Ｃｏｌｅｍａｎ 和 Ｂｏｄｍａｎ［１１］的研究可知，降雨过程中边 坡自上到下依次为饱和区、过渡区、传导区以及湿润 区，因此，在降雨初期雨水的润湿作用在边坡表层形成 暂态饱和区并逐层深入到边坡内部，随降雨持续边坡 表层的暂态饱和区范围逐渐增大，在有压入渗作用下 入渗速率增大，而全风化砂质板岩相对粉质黏土，饱和 渗透系数较小，入渗速率较慢，故暂态饱和区在靠近分 界面处的范围较大；降雨停止后，暂态饱和区在重力作 用下逐渐下移，雨水逐渐排出，暂态饱和区范围逐渐 减小。 ２．３ 基质吸力分布规律 在非饱和土抗剪强度计算过程中，基质吸力对边坡 抗剪强度有显著影响，因此很有必要研究降雨过程中基 质吸力的变化规律。 具体分布规律如图 ６ 所示。 降雨历时／h 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 40080120160200 基质吸力／kPa 监测点1 监测点2 监测点3                                                      图 ６ 基质吸力分布规律 由图 ６ 可知，受降雨影响，各监测点基质吸力呈先 逐渐消散并转变为正孔隙水压力，随后正孔隙水压力 逐渐增加，降雨停止后正孔隙水压力逐渐消散，基质吸 力逐渐恢复。 监测点距边坡坡面的距离越近，基质吸 力消散越快，且降雨停止后基质吸力恢复越多；距离坡 面距离越远，正孔隙水压力越大。 降雨过程中雨水逐 层渗入到边坡内部，因此靠近坡面的监测点基质吸力 先消散；随降雨历时增加，边坡表层逐渐形成暂态饱和 区，边坡表层的基质吸力逐渐转化为正孔隙水压力；降 雨停止后，入渗的雨水逐渐从边坡内部排出，暂态饱和 区范围减小，基质吸力逐渐恢复。 ２．４ 渗流梯度分布规律 降雨过程中，渗透力是致使边坡失稳的关键因素， 其变化规律如图 ７ 所示。 由图 ７ 可知，降雨初期渗流 梯度逐渐增大并出现峰值，随后随着降雨历时增加渗 流梯度逐渐减小，降雨停止后渗流梯度略有回升；监测 点距坡面距离越大，渗流梯度达到的峰值越大。 降雨 初期雨水在边坡表层还未形成暂态饱和区，土颗粒间 的间隙被空气所阻隔，渗流梯度较大，降雨持续一段时 间后，边坡表层逐渐形成暂态饱和区形成渗流通道，入 渗的雨水受到的阻力减小，渗流梯度减小；降雨停止 后，入渗的雨水逐渐从边坡内部排出，渗流梯度略有 增大。 降雨历时／h 7 6 5 4 3 2 1 0 40080120160200 渗流梯度 监测点1 监测点2 监测点3                                                                   图 ７ 渗流梯度变化规律 ２．５ 边坡安全系数分布规律 边坡安全系数是表征边坡稳定性的重要指标，受 降雨影响，覆盖层边坡安全系数分布规律如图 ８ 所示。 由图 ８ 可知，随降雨不断持续，边坡安全系数逐渐降 低，当降雨持续 ９３ ｈ 时，边坡安全系数下降较快，边坡 安全系数为 １．２５６；降雨停止后边坡安全系数略有回 升，但还是以下降为主，最终安全系数为 １．２２７。 降雨 初期雨水入渗较少，形成的暂态饱和区范围较小，安全 系数下降缓慢，随降雨不断持续，雨水入渗量增多，边 坡表层的暂态饱和区范围增大，暂态饱和区内渗透力 ０３矿 冶 工 程第 ３７ 卷 万方数据 不断增大，边坡下滑力不断增大，致使边坡安全系数逐 渐降低；降雨停止后，暂态饱和区向边坡内部转移，安 全系数略有回升，同时雨水从边坡内部逐渐排出的过 程中，渗透力致使边坡下滑力增大，因此，降雨停止后， 边坡安全系数变化趋势以下降为主。 降雨历时／h 1.35 1.33 1.31 1.29 1.27 1.25 1.23 1.21 40080120160200 安全系数                                     图 ８ 边坡安全系数分布规律 ２．６ 边坡滑裂面分布规律 边坡滑裂面是反映边坡潜在失稳位置的重要依据， 降雨工况下，覆盖层边坡滑裂面分布规律如图 ９ 所示。 降雨停止80 h 降雨停止100 h 降雨停止60 h 降雨停止30 h 降雨停止20 h 降雨停止10 h 降雨停止0 h 0 h b a 20 h 40 h 60 h 100 h 图 ９ 滑裂面分布规律 （ａ） 降雨过程中； （ｂ） 降雨停止后 由图 ９ 可知，降雨过程中边坡潜在滑裂面主要发 生在全风化砂质板岩和粉质黏土层，随降雨历时增加， 边坡潜在滑裂面在边坡表面分布的面积逐渐缩小；降 雨 ２０～４０ ｈ、６０～１００ ｈ 内边坡滑裂面变化较大；降雨 停止 ０～２０ ｈ 内，边坡潜在滑裂面的分布面积略有减 小，降雨停止 ２０～３０ ｈ 内边坡潜在滑裂面由边坡表层 向边坡内部发展且降雨停止 ３０ ｈ 后边坡潜在滑裂面 变化较小。 降雨过程中，雨水在边坡表层形成暂态饱 和区，边坡由整体失稳转变为局部失稳，因此降雨过程 中边坡的潜在滑裂面逐渐由边坡内部向边坡表层发 展；降雨 ２０～４０ ｈ、６０～１００ ｈ 内雨水入渗量较大，形成 的暂态饱和区范围较大，同时基质吸力消散较快，导致 潜在滑裂面在边坡中分布的面积减小较快；降雨停止 后，表层入渗的雨水逐渐向边坡内部转移致使边坡由 局部失稳转为发生整体失稳。 ３ 结 论 １） 降雨过程中覆盖层边坡的水位分布规律为逐 层渗入，在边坡同一层中降雨初期入渗较慢，后期入渗 较快；降雨停止后入渗的雨水向边坡内部转移并逐渐 从边坡坡面排出。 ２） 覆盖层边坡受降雨逐层入渗影响，基质吸力逐 层消散，靠近坡面的消散较快，降雨停止后基质吸力逐 渐恢复但低于初始值。 ３） 降雨过程中渗流梯度先出现峰值后逐渐减小， 降雨停止后渗流梯度变化趋于平缓但略有增加。 ４） 降雨过程中覆盖层边坡首先发生局部失稳，安 全系数逐渐降低，降雨停止后覆盖层边坡逐渐由局部 失稳持续发展为整体失稳，安全系数持续降低。 参考文献 ［１］ 邓 喜，何忠明，付宏渊，等． 降雨入渗对花岗岩残积土高路堤边 坡稳定性的影响［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１６（４）１１－１５． ［２］ 唐 栋，李典庆，周创兵，等． 考虑前期降雨过程的边坡稳定性分 析［Ｊ］． 岩土力学， ２０１３，３４（１１）３２３９－３２４８． ［３］ 付建新，谭玉叶，宋卫东． 考虑二维降雨入渗的非饱和土边坡稳定 性分析［Ｊ］． 东北大学学报（自然科学版）， ２０１４，３５（１１）１６４６－ １６４９． ［４］ 张 磊，张璐璐，程 演，等． 考虑潜蚀影响的降雨入渗边坡稳定 性分析［Ｊ］． 岩土工程学报， ２０１４，３６（９）１６８０－１６８７． ［５］ 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