基于強度衰減模型的降雨對邊坡滲流影響的研究

趙晨凱，孫懷軍，徐小樂

(天津市勘察院，天津 300000)

山體滑坡是一種嚴重的自然災害，滑坡體的沖擊對公路、橋梁和各種建筑物都會帶來巨大的破壞，滑坡與邊坡的穩(wěn)定息息相關。近幾十年來，中國有記錄的滑坡次數(shù)達到6萬次以上，其中90%滑坡的發(fā)生都與當?shù)爻掷m(xù)不斷的降雨有關，說明降雨對滑坡的形成起到了至關重要的作用，高強度和長時間的暴雨更容易引發(fā)滑坡。除人工開挖山坡、砍伐植被等外部因素外，土體的粘聚力、內(nèi)摩擦力等內(nèi)在因素也影響著邊坡穩(wěn)定，由于滲流引發(fā)的土體含水量變化是控制粘聚力、內(nèi)摩擦力等強度指標的關鍵因素[1，2]。本文以某水庫右側邊坡為對象，在ABAQUS軟件中模擬并分析了降雨對該邊坡滲流關鍵參數(shù)的影響。

1 強度衰減模型

粘性土體的強度指的是其抗剪強度，也就是土體抵抗剪切變形的能力，土體抗剪強度的大小主要受到粘聚力和內(nèi)摩擦角的控制，所以準確描述土體粘聚力和內(nèi)摩擦角在降雨作用下的發(fā)展規(guī)律是建立強度衰減模型的關鍵[3，4]。

粘聚力是土體顆粒之間各種粘結作用力的統(tǒng)稱，內(nèi)摩擦角與顆粒發(fā)生錯動時產(chǎn)生的摩擦力有關，這些作用力可以分為三類：(1)土體顆粒骨架間的連接力；(2)土體顆粒受外力作用發(fā)生轉動時產(chǎn)生的反作用力，稱為轉動定向力；(3)土體處于不完全干燥狀態(tài)時，由于顆?？障洞嬖诒∧にa(chǎn)生的作用力。其中，粘聚力主要與前兩類作用力有關，內(nèi)摩擦角則與第三類作用力相關。

粘聚力與土體含水量的關系式為：

(1)

內(nèi)摩擦角與含水量的關系式為：

φ=φ1+φ(w)

(2)

式中：φ為摩擦角；φ1為摩擦角與土體法向應力相關的部分，不隨含水量的變化而改變；φ(w)代表的摩擦角與基質吸力呈正相關。

將上述公式整合得到土體強度衰減模型：

C1(w)和φ(w)按以下經(jīng)驗公式選?。?/p>

C1(w)=8.69+117.67e-0.157 9w

φ(w)=42.36-0.952 7w

2 建立模型

文本以某水客右側邊坡為對象建立模型，如圖1所示，該邊坡總長400 m，最大開挖高度約50 m，坡頂寬22 m，走向265°，主滑角為25°，土體參數(shù)如表1所示。

圖1 邊坡橫斷面示意圖

表1 土體主要參數(shù)

按照國家氣象部門的降雨強度標準，模型設置了小雨、中雨、大雨和暴雨四個降雨強度參數(shù)，如表2所示。

表2 降雨強度標準及參數(shù)選取

3 計算結果分析

本文計算并對比了邊坡模型在經(jīng)歷24小時強度1.0 mm/h中雨前后的孔隙水壓力、土體滲流速度、滲透力的結果，以及不同降雨強度、不同降雨時長下的滲流參數(shù)發(fā)展。

3.1 孔隙水壓力隨降雨入滲的變化

如圖2所示，降雨前的初始孔隙水壓力隨高程的增加而降低，地下水位以上的孔隙水壓力為負值，其內(nèi)部存在基質吸力，而地下水位以下的土體充滿了飽和水，孔隙水壓力為正。

經(jīng)歷降雨入滲作用后，孔隙水壓力的變化規(guī)律是：(1)上層土體最先接觸入滲水流，含水量增加最快，所以孔隙水壓力增幅最大，等壓線向下彎曲的幅度最顯著。(2)中層土體有一定埋深，巖土顆粒擠壓得較緊密，滲透能力下降，入滲水主要向下流動，所以中層土體含水量和孔隙水壓力的變化不大。(3)巖土完整度最高的下層土體的滲透系數(shù)最小，而且該層處于地下水位之下，土體孔隙間始終充滿了飽和水，其含水量基本不受降雨入滲的影響，所以孔隙水壓力基本不變。

(a)降雨前 (b)降雨后

3.2 滲流速度隨降雨入滲的變化

為更清楚地觀察和分析邊坡各層土體滲流速度的變化過程，提取24 h降雨下各層土體的平均滲流速度發(fā)展曲線得到圖3，發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：(1)中層土體滲流速度最大，上層土體滲流速度居中，下層土體基本不產(chǎn)生滲流，其滲流速度基本為零。(2)上層和中層土體位于地下水位以上，屬于含水量非飽和區(qū)，降雨對其滲流速度的影響較大，而位于含水量飽和區(qū)的下層土體的滲流速度基本不受降雨入滲的影響。(3)除下層土體外，邊坡其余位置的滲流速度均隨降雨的持續(xù)而不斷增加。

圖3 各層土體滲流速度的發(fā)展曲線

3.3 滲透力隨降雨入滲的變化

滲透力指的是入滲水流的表面張力對土體顆粒骨架的牽引力，表現(xiàn)為土體的變形、沉降和裂隙發(fā)育等。將各層土體平均滲透力的發(fā)展結果整理后得到表3和圖4。滲透力隨降雨入滲的變化規(guī)律是：(1)各層土體的滲透力均隨降雨入滲而持續(xù)增加，上層土體滲透力的增幅明顯，中層和下層土體的滲透力曲線基本重合，說明滲透力主要作用在邊坡表層，而且隨土層深度增加而減小的效果顯著。(2)截止24 h的降雨結束，上層土體滲透力峰值達到6 540 N/m3，是初始滲透力855 N/m3的數(shù)倍，也遠遠超過其他土層的滲透力峰值。

表3 不同降雨時長下的各層土體滲透力 N/m3

圖4 各層土體滲透力的發(fā)展曲線

3.4 不同降雨強度下的滲流參數(shù)變化

分別以0.5 mm/h、1.0 mm/h、2.0 mm/h和5.0 mm/h的降雨強度作用于模型，由上文可知，中層土體的滲流速度和上層土體的滲透力對降雨入滲的敏感率最高，所以本小節(jié)以中層土體為對象來分析降雨強度對滲流速度的影響，以上層土體為對象來分析滲透力的變化。

如圖5(a)所示，降雨強度越大，土體滲流速度的增長越快，曲線斜率越大，邊坡失穩(wěn)的可能性越高，工程中應警惕強降雨對邊坡安全性的負面作用。如圖5(b)所示，土體的滲透力與降雨強度也呈現(xiàn)出正相關的特點，強降雨下的邊坡可能更容易發(fā)生變形、塌陷和沉降。

圖5 不同降雨強度下的滲流場發(fā)展曲線

3.5 降雨時長影響下的滲流參數(shù)變化

本小節(jié)依然以中層、上層土體為對象來分別分析邊坡的滲流速度和滲透力變化，模擬降雨強度0.5 mm/h、1.0 mm/h、2.0 mm/h、5.0 mm/h的不同降雨時長下的滲流結果得到圖6。

圖6 不同降雨強度下的滲流場發(fā)展曲線

由圖可知，(1)同一降雨強度下，滲流速度隨降雨時長呈線性增加，降雨強度越大，滲流速度的增幅越大，曲線的斜率越大。(2)同一降雨強度下，滲透力隨降雨時長而增大，時長越長、降雨強度越大，則曲線彎曲程度越高。

4 結語

本文以某水庫右側邊坡為對象展開的降雨對邊坡滲流影響的研究，得到以下結論：

(1)經(jīng)歷了24 h的1.0 mm/h降雨作用的邊坡孔隙水壓力隨高程的增加而降低，受地下水位的影響，上層、中層土體孔隙水壓力為正，下層土體孔隙水壓力為負。不同土層滲流速度的大小是：中層>上層>下層，滲透力的作用主要表現(xiàn)在上層土體。

(2)在降雨強度、降雨時長的單獨或組合作用下，滲流速度和滲透力與之均表現(xiàn)出正相關關系，在強降雨地區(qū)的邊坡工程應當注意加固措施。