陈卫卫?1，常乃坤?1，宁山超?2
（1.安徽省路桥工程集团有限责任公司 安徽 合肥 230000；
2.华南理工大学土木与交通学院广东广州510641）
【摘要】在分析了边坡降雨入渗下的饱和-非饱和渗流理论基础上，采用有限元法计算了三种不同降雨工况下的边坡降雨入渗渗流场，并结合极限平衡法，对其稳定性进行了分析。研究表明：降雨入渗区内的孔压由降雨前的负孔隙水压力逐渐向正的孔隙水压力变化，边坡坡脚处变化最为明显；不同高程上的孔隙水压力呈现先降低后增大的趋势；降雨入渗将引起边坡稳定性降低，且雨停后仍有一段持续影响时间。
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关键词 降雨；非饱和土；边坡；渗流场；稳定性
1.引言?
（1）公路边坡在正常使用状态下是稳定的，但是随着遭遇越来越多的长持时降雨和强降雨等情况，出现滑坡等边坡失稳现象也越来越普遍，这是由于降雨下渗至土坡体内打破了土体内原有的平衡。通过对大量的降雨引发地质灾害统计分析，发现多数边坡失稳或者滑坡现象都出现在雨天或者降雨之后的某段时间内，由此可知降雨是公路边坡失稳的主要因素［1］?。?
（2）降雨影响边坡稳定的机理主要体现在以下方面：一是降雨对边坡的冲刷作用；降雨对边坡的侵蚀作用和雨水汇集径流对边坡的冲刷作用，导致边坡土颗粒分散、流失并局部堆积，坡面出现错落的冲击沟，水流冲击坡脚最终使边坡出现失稳。二是雨水下渗后对土体内部的影响；边坡土质通常为非饱和土，由于土体的抗剪强度与饱和度息息相关，雨水下渗进入土体内部，随着降雨量和时间的变化，土体含水量不断的变化，饱和度不断改变，边坡土体的抗剪强度也是处于动态变化中，直至出现失稳。已有的边坡失稳研究多针对前者展开，但后者微观的土体内部的稳定往往是更为重要的［2］?。?
（3）目前，对非饱和土体在降雨状况下的渗流场已经进行了大量的研究并得到了众多科研成果，但是对于土质边坡在降雨下渗作用下的稳定性分析还需进一步的深入研究。本文将对此采用有限元法与极限平衡法相结合的方式展开研究。
2.非饱和土渗流理论?
2.1非饱和渗流基本方程。?
（1）在降雨入渗影响下边坡渗流场分析中，下渗雨水在地下水位以上的非饱和土与地下水位以下饱和土中的流动是典型的二维饱和-非饱和问题，在饱和土中，水压力为正值，总水头为压力水头与位置水头之和；在非饱和土中，基质势为负值，土水势在只考虑重力势和基质势，而不考虑其他势时，总水头常以负压水头和位置水头之和表示。?
（2）土体内非恒定渗流偏微分方程形式如下：?
（2）从上式可以看出，由于基质吸力的存在，提高了土体的抗剪强度，计算过程中假定φ?b为常量，抗剪强度为基质吸力的线性函数，随着基质吸力的增减呈线性增减。
3.计算模型及方案?
3.1计算模型。
为了更加合理的分析降雨入渗影响下的边坡渗流场及其对边坡稳定性的影响，采用较为理想的数值分析模型进行计算，对边坡进行适当简化??［4］?。计算边坡为一土质路堑边坡，边坡坡率1：1.5，假设边坡各处土体密实度一致，土体处于各向同性状态，地下水位下降坡率略小于边坡坡率。在模型中设置观测点A、B、C及观测断面1-1对边坡的渗流特征进行监测（如图1）。?
3.2计算参数。
土水特征曲线是反映岩土体含水率和基质吸力的关系曲线，是渗流分析中一个重要的关系模型［5］。通常土水特征曲线的获取主要依据室内试验或者经验公式拟合而来，本文采用土体样本库和土体体积含水率拟合的方法获取。具体计算参数如下表1示。通过V-G渗透系数模型得到土水特征曲线（如图2示）。?
3.3计算方案。
为了分析不同降雨工况下的边坡渗流场及稳定性，根据某地区降雨引起边坡失稳的统计资料，选取3个代表降雨强度进行降雨入渗数值模拟，降雨强度按照在整个降雨时段内均匀降雨考虑，具体降雨计算方案见表2。
4.计算结果及分析?
4.1孔隙水压力随时间的动态过程分析。?
（1）图3为边坡初始状态及3种计算工况下的孔隙水压力分布情况。由图a)可知：初始状态下边坡地下水位线以上部分处于非饱和状态，孔隙水压力为负值，随着高程的增加而递减，在边坡坡顶表面负的孔隙水压力值最大，达到-140kpa。?
（2）从图b)～d)可知：在降雨工况一、二、三作用下，边坡表面由于雨水的入渗由负的孔隙水压力变为零，表明边坡坡面在雨水入渗作用下已经处于饱和状态。随着降雨入渗的进行，边坡浅层土体达饱和，出现了较大的正的孔隙水压力，在降雨工况一条件下，边坡孔隙水压力值达到120kpa，入渗区域达80～100cm左右，在浸润线下方的浸润区出现了孔隙水压力从0向土体初始孔隙水压力迅速变化的浸润段。由此可见，对于边坡设置合理的防排水措施是十分有必要的。?
（3）对比图b)～d)可知：降雨强度越大，边坡顶部入渗深度越大，孔隙水压力值也越大。工况一下入渗区域深度达80cm左右，相同降雨时长下，工况二入渗区域深度则在20cm左右。边坡坡脚处的孔隙水压力值与降雨强度成正比，是边坡中需要重点关注的部位。?
（4）图4为边坡在三种计算工况下监测点的孔隙水压力随时间变化情况。从中可以看出：在降雨前期，各孔隙水压力保持初始值，此时降雨入渗深度还未到达监测点处。随着降雨入渗的持续，监测点孔隙水压力值迅速向零变化，并变为的孔隙水压力值，降雨停止后，随着土体内水分消散，孔隙水压力值慢慢变小，并变为负值，此时土体由饱和态过渡到非饱和态。以工况一为例，A、B、C三点的初始孔隙水压力分别为-58、-81、-109kpa，在降雨开始1h后开始发生变化，降雨结束时刻达到70、54、24kpa，监测点位置越接近边坡坡脚，降雨结束后的孔隙水压力越大，且变化率也越大。?
4.2不同高程上孔隙水压力变化规律。?
（1）选取观测断面1-1为研究对象，将计算结果整理如图5示：?
（2）从上图分析可知，孔隙水压力沿边坡竖向截面高程的变化规律是一致的，边坡表层由于受到降雨入渗作用孔隙水压力为正值。位于降雨入渗影响区域以下的孔隙水压力区则不受降雨影响。随着降雨持续时间的增长，同一截面上，相同高程的孔隙水压力也在逐渐增加。以工况一为例，在坡面2.5m以下区域，边坡土体孔隙水压力不受降雨影响。同时，同一截面不同高程孔隙水压力随着高程的降低，数值上表现出先降低，再增大的特点。随着降雨的停止，边坡表层正孔隙水压力逐渐消散，从3种计算工况的孔隙水压力消散速度比较来看，各工况下高程较低的截面相对于高程较高截面出现正孔隙水压力消散的时间都更长。?
4.3降雨强度对边坡稳定性的影响。?
（1）为了分析降雨对边坡稳定性的影响，采用极限平衡法??［6］?计算边坡在土体中基质吸力变化与土体重度变化共同影响下的稳定性。得到不同工况下边坡安全系数与降雨时间的关系（边坡安全系数随时间动态变化见图6）。?
（2）由图6可知：在无支护条件下，降雨的入渗将引起边坡稳定性降低，随着降雨的进行，边坡安全系数明显下降，由初始时刻的1.992降至最低时的1.492，降雨停止后安全系数慢慢变大，维持在一较稳定值1.758附近。说明降雨对于边坡稳定性有持续的影响。
5.结论?
本文在分析了饱和-非饱和渗流基本理论基础上，采用有限元与极限平衡法相结合的方法，对不同降雨工况下的边坡渗流场及稳定性进行了计算分析，结果表明：?
（1）降雨入渗影响下，边坡入渗区域内的孔隙水压力将发生较大变化，变化速率受降雨强度影响，降雨强度越大，孔隙水压力变化速率越快，单位时间入渗深度也越大。?
（2）孔隙水压力沿边坡高程方向竖截面的变化规律是一致的，呈现出随着高程的降低，孔隙水压力先降低后增大的趋势。?
（3）降雨的入渗会引起边坡稳定性降低，降雨停止后稳定性缓慢提高，但仍会在一段时间内持续低于初始状态值。有必要选择合理的支护或排水设施保证边坡安全。
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参考文献
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［2］黄晨，蔡杰等.考虑降雨入渗的坡积土边坡渗流场及稳定性分析［J］.公路与汽运，2013，156(03)：157-160.
［3］李广信等.高等土力学［M］.北京：清华大学出版社，2004：182-183.
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［文章编号］1006-7619（2015）07-12-621