DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.033

考虑降雨及开挖影响下的厚覆盖层边坡渗流特征及稳定性

李涛^{1, 2}

 (1. 浙江海洋大学 海运与港航建筑工程学院，浙江 舟山，316022；

2. 浙江通衢交通建设监理咨询有限公司，浙江 衢州，324000)

摘要：基于厚覆盖层边坡失稳机理，结合广西桂林—北海高速公路某覆盖层路堑边坡实地情况，设计雨型相同但降雨量不同的3种方案。采用有限元计算软件对考虑降雨及开挖影响下的厚覆盖层边坡渗流特征及稳定性进行研究。研究结果表明：对于形式为“覆盖层土体+基岩”的边坡，其在强降雨作用下坡脚内部浸润线呈“J”形变化；坡脚土体饱和后浸润线沿土-岩交界面向上移动；在同等条件下，边坡开挖导致降雨入渗速度加快，浸润线呈的“J”形变化的特征更明显，且上升高度较开挖前有所提高；决定边坡初始状态下稳定性的主要因素有降雨初始强度与边坡开挖状态，而决定边坡稳定性变化幅度的主要因素为降雨强度与降雨持续时间。

关键词：降雨入渗；边坡开挖；覆盖层边坡；渗流特征；边坡稳定性

中图分类号：TB115          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)05-1708-07

Seepage characteristics and stability of overburden slope considering rainfall and excavation

LI Tao^{1, 2}

 (1. School of Maritime and Civil Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China;

2. Zhejiang Tongqu Communications Construction Supervision Co. Ltd, Quzhou 324000, China)

Abstract: Based on the slope failure mechanism of overburden slope, combined with the cut overburden slope on the ground of Guihai expressway in Guangxi Zhuang Autonomous Region, three rainfall schemes were designed. Using finite element analysis software, the thick overburden slope seepage characteristics and stability were studied considering the effects of precipitation and excavation. The results show that for the form of “overburden soil+bedrock” slope, the saturation line in the toe of slope changes as a “J” shape in the condition of intensive rainfall. When the soil in the toe of slope is saturated, the saturation line moves up along the soil-rock interface. Under the same condition, the excavation of slope makes rainfall infiltration faster, the “J” shape of saturation line is more obvious, and the saturation line is higher after excavation. Dominant factors of slope stability in the initial condition are the initial intensity of the rainfall and the condition of slope excavation, dominant factors of change rate of slope stability are the rainfall intensity and rainfall duration.

Key words: rainfall infiltration; slope excavation; overburden slope; seepage characteristics; slope stability

在山地丘陵地区修筑高速公路等构筑物时，不可避免地会形成各种形态的高路堑边坡^[1-2]。大部分边坡在自然状态下处于稳定或次稳定状态，当遭遇强降雨或人工施工的扰动时，其稳定性将大大下降^[3]，一旦发生崩塌或滑坡，将对经济建设和人民财产造成巨大损失。强降雨是造成边坡失稳的重要因素之一，而人工开挖路堑等对边坡造成的扰动，更是大幅度提高了边坡在强降雨状态下失稳的风险。因此，降雨及人工开挖对边坡稳定性影响的内在机理一直是科研工作者们研究的热点问题之一。赵吉坤等^[4]通过对不同坡度土坡进行人工降雨试验并观测含水率分布等，得到土坡泥流率与其坡度呈正比例关系；刘博等^[5]通过对有限元软件ABAQUS进行二次开发，计算得到水土特征曲线参数与相应土质库岸边坡稳定性的关系；银明锋^[6]通过对边坡降雨渗透因子进行正交分析，得到降雨强度、土体初始含水率及干密度对边坡渗流场及稳定性的影响。现有研究多是围绕单一土质边坡或岩质边坡的渗流特征和稳定性开展，忽略了在工程实际中存在大量由基岩与覆盖层组成的复合式边坡，此种边坡渗流特征及稳定性均有别于一般状态下的土质和岩质边坡，而且在不同降雨雨型的作用下，边坡的渗流状态与稳定性变化不尽相同。为此，本文作者结合前人研究成果，采用有限元计算软件对覆盖层边坡在不同降雨雨型及人工开挖作用下的边坡渗流特征及稳定性进行研究。

1  边坡失稳机理与地质条件分析

1.1  覆盖层边坡失稳机理

影响边坡稳定性的主要因素有地势地貌、边坡土体性质、地下水以及自然降雨。降雨影响边坡稳定性，诱发滑坡的主要作用机理为：在降雨入渗作用下，边坡土体体积含水率由边坡表面向下逐渐增大，当降雨强度大于土体的入渗速度时，在边坡表面形成一定范围的暂态饱和区，饱和区内基质吸力为0kPa，使土体抗剪强度下降；随着降雨持续，边坡内部浸润线逐渐下移，饱和区范围逐渐扩大，土体强度进一步下降^[7]。在此过程中，土体自重随着降雨的持续入渗而增加，也增加了边坡失稳的风险^[8]。因此，对边坡在降雨影响下内部渗流场变化规律进行分析是研究其稳定性的关键。

1.2  研究模型地质构造

选取广西桂林—北海高速K1226+800~K1227+000段右侧高边坡进行分析。该边坡地表植被发育，边坡自然倾角为20°~35°。边坡表层为含砾粉质残积黏土，厚度较大，下伏基岩为风化泥岩、灰岩、白云质灰岩等，附近未见基岩出露，如图1所示。

图1  覆盖层边坡地质构造简图

Fig. 1  Geological sketch of overburden slope

参考附近工点的岩土力学参数，反算边坡土体的黏聚力和内摩擦角。综合考虑后，土体重度取18.5 kN/m³，有效黏聚力c′取30 kPa，有效内摩擦角取20°。开挖后边坡拟采用10 m台阶放坡，台阶平台宽2 m，边坡坡率分别为1:1.25(一级)、1:1.5(二级)和1:1.5(三级)。工程区年总降雨量为1 345~1 940 mm，多年平均蒸发量约1 700 mm，二者基本持平，故认定覆盖层边坡土体处于饱和—非饱和状态。

2  饱和-非饱和渗流计算理论

对于饱和非饱和渗流问题，其渗流平衡方程可由偏微分方程表示^[9]：

      (1)

式中：H为总水头，m；K_x和K_y分别为x和y方向土体渗透率，m/s；Q为施加的边界流量；m_w为与体积含水量和孔隙水压力有关的土体储水曲线坡度；γ_w为土体饱和重度，g/cm³；t为渗流时间。对渗流平衡偏微分方程采用伽辽金加权余量法进行转化^[10]，可得到二维渗流有限元方程：

，

                 (2)

式中：[B]为梯度矩阵；[C]为单元渗透系数矩阵；{H}为节点水头向量；为插值函数向量；q为单元边界单位流量；τ为单元厚度；t为时间；λ为瞬态渗流储水参数，等价于m_wγ_w；A为单元面积；L为单元边界长度。

3  覆盖层边坡渗流特征分析

3.1  拟定降雨作用雨型及计算模型

一般地，在日降雨量小于50 mm的普通强度降雨过程中，由于非饱和土渗透系数较小以及边坡厚度影响，其稳定性变化并不会十分明显，而当降雨强度超过50 mm/d甚至达到200 mm/d以上时，由于边坡土体内部基质吸力消失和土体重度迅速增加，边坡稳定性将迅速下降。同时，综合分析广西地区降雨资料可知该地区每年4~6月份均会迎来若干次200 mm/d以上强降雨过程，结合边坡失稳等地质灾害在降雨影响下的滞后性^[11]，拟定3种典型雨型对算例边坡进行渗透特征及稳定性分析，即最大降雨量分别为200，100和50 mm/d。降雨过程结束后继续观察48 h，以确定边坡稳定性的后续变化趋势，如图2所示。

图2  不同降雨强度的雨型函数

Fig. 2  Intensive rainfall patterns of different rainfall intensities

根据项目地质构造及人工开挖方式建立计算模型。综合考虑计算精度要求及计算效率，并且避免在有限元网格划分时出现锐角状导致渗流计算难以收敛问题，模型有限元网格由程序自动划分，开挖前模型共划分为897个节点，856个单元，开挖后模型共划分为743个节点，699个单元，如图3所示。

覆盖层部分设定为含砾粉质黏土，自然含水率为0.1，饱和含水率为0.5，饱和渗透系数为0.16 m/h，基岩部分设置为不透水模型，且在覆盖层重力作用下无形变、无位移。覆盖层上部表面设定为降雨入渗边界，覆盖层两侧和覆盖层与基岩之间设定为潜在渗流边界，即当降雨入渗至覆盖层与基岩交接面时，若土体已经饱和，则在重力作用下沿界面流出，若土体仍处于非饱和状态，则降雨由于基质吸力的作用保存在土体之中。初始状态下覆盖层土体处于饱和—非饱和状态，含水率为自然含水率。在渗流计算过程中，根据拟定的雨型共设置14个时间步，每个时间步时长为12 h，计算过程共计7 d，每个时间步最大迭代次数为50步，迭代误差小于1%则视为收敛。在计算过程中，每个时间步均达到收敛要求。

图3  覆盖层边坡有限元计算模型

Fig. 3  Finite element model of overburden slope

对土体渗流特性起决定性作用的参数曲线是土水特征曲线和渗透系数-孔隙水压力曲线。在分析过程中，可采用实验手段获得边坡土体在饱和状态下的含水率、残余含水率以及渗透系数。使用有限元软件内置的粉质黏土样本函数以及试验中测定的饱和含水率和残余含水率可以得到覆盖层土体的土水特征曲线，如图4所示。根据VAN GENUCHTEN^[12]提出的土体渗透系数与孔隙水压力函数：

图4  覆盖层边坡土体土水特征曲线

Fig. 4  Soil-water characteristic curve of overburden slope

              (3)

可得到覆盖层土体的渗透系数-孔隙水压力曲线，如图5所示。式(3)中：k_w为土体在非饱和状态下渗透系数；k_s为土体在饱和状态下渗透系数；a，n和m为曲线拟合参数；ψ为土体在不同含水率下的负孔隙水压力。

图5  覆盖层边坡土体渗透系数曲线

Fig. 5  Unsaturated permeability coefficient curve of overburden slope

3.2  拟定计算工况

根据拟定的降雨雨型曲线以及总降雨量确定渗流场计算的3种方案，拟定7 d为1个计算过程，第1天降雨量由0 mm/d达到最大；后3 d降雨量保持峰值不变；第5天降雨量由峰值回落至0 mm/d；第6和第7天降雨量为0 mm/d。具体工况如表1所示。

表1  覆盖层边坡降雨强度计算工况

Table 1  Seepage calculation conditions of overburden slope   mm/d

3.3  覆盖层边坡在降雨作用下渗流特征分析

经计算，得到不同方案、不同降雨时间下自然状态覆盖层边坡渗流场体积含水率分布特征如图6~8所示。从图6可知：在持续降雨过程中，浸润线不断向边坡内部移动，其中第2天至第4天浸润线变化最明显，第4天至第6天变化较明显，第7天浸润线与第6天浸润线差别不大。这是由于在所拟定的雨型作用下，第1天降雨较少，同时土体在自然含水状态下渗透系数较小，导致浸润线变化不明显；当降雨强度在第2天至第4天处于峰值状态时，浸润线开始迅速向边坡内部移动；降雨至第4天时，浸润线开始向内呈“J”形扩展。这是由于覆盖层边坡底部基岩的存在，阻挡了雨水的进一步下渗，同时坡脚位置已经达到饱和状态，而基岩上部土体仍处于非饱和状态，存在一定的入渗空间，允许浸润线向内扩展。由此可以推断：覆盖层边坡在降雨入渗过程中，其浸润线变化趋势有别于一般普通土质边坡，并非沿边坡向内持续延伸，而是在雨水入渗至土-岩界面时，继续沿其界面上升。从图7和图8可以看出：在降雨量较小的工况下，覆盖层坡脚上部浸润线仍与坡面线走向相同，但坡脚位置也呈现小范围的“J”形扩展。

图6  工况1状态下覆盖层边坡浸润线变化趋势

Fig. 6  Changing trend of saturation line of overburden slope in condition 1

图7  工况2状态下覆盖层边坡浸润线变化趋势

Fig. 7  Changing trend of saturation line of overburden slope in condition 2

图8  工况3状态下覆盖层边坡浸润线变化趋势

Fig. 8  Changing trend of saturation line of overburden slope in condition 3

3.4  开挖后覆盖层边坡渗流特征分析

为分析人工开挖对覆盖层边坡在不同降雨作用下渗流场变化的影响，建立开挖后覆盖层路堑边坡模型，并结合设计工况，对覆盖层边坡内部渗流场进行计算，结果如图9~11所示。综合分析图9~11可知：覆盖层边坡开挖过后内部渗流场与开挖前大致相同，临近坡脚处浸润线均呈“J”形变化。对比未开挖状态下覆盖层边坡渗流场可以发现：同种工况下开挖后，边坡坡脚处浸润线位置较高，坡脚处饱和区域范围较大。这是由于开挖后路堑边坡覆盖层土体较薄，在相同时间内边坡饱和区面积比率明显比自然状态覆盖层边坡的面积比率高，且覆盖层下部基岩处于不透水状态，超出土体容纳范围的降雨会沿着土-岩交界面不断上升，直至降雨停止。

图9  方案1状态下开挖边坡浸润线变化趋势

Fig. 9  Changing trend of saturation line of excavation slope in condition 1

图10  方案2状态下开挖边坡浸润线变化趋势

Fig. 10  Changing trend of saturation line of excavation slope in condition 2

图11  方案3状态下开挖边坡浸润线变化趋势

Fig. 11  Changing trend of saturation line of excavation slope in condition 3

4  覆盖层边坡稳定性分析

4.1  计算理论

当边坡土体处于饱和-非饱和状态时，土中的负孔隙水压力对提高边坡稳定性有一定的促进作用，而当土体接近饱和时，逐渐提高的体积含水量导致土颗粒上作用的有效应力减少，降低边坡稳定性。考虑土中孔隙水压力的非饱和土抗剪强度公式^[13]为

         (4)

式中：c＇和分别为有效土体黏聚力和有效内摩擦角；u_w和u_a分别为非饱和土体中的孔隙气压力和孔隙水压力；为与负孔隙水压力相关的强度提高倾角，一般取值为0.5。在分析边坡稳定性时，G-slope采用非饱和土的一般极限平衡法(GLE法)^[14]，即

           (5)

式中：F_m为由力矩平衡推算出的安全系数；w为土条重度，N/m³；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，(°)。

4.2  不同工况下覆盖层边坡稳定性分析

覆盖层边坡在3种不同计算方案以及不同开挖状态下的稳定性变化总趋势如图12和图13所示。从图12和13可知：在3种方案下，覆盖层边坡初始安全系数不同；随着降雨时间增大，边坡稳定性呈下降趋势，但安全系数下降幅度大致相同。由此可知：决定边坡初始状态下稳定性的主要因素有降雨初始强度与边坡开挖状态，而决定边坡稳定性变化幅度的主要因素为降雨持续强度与降雨持续时间。

从图12可知：在自然状态下，覆盖层边坡在强度为200 mm/d降雨作用时，其安全系数最小，变化范围为1.37~1.35，在强度为100 mm/d以及50 mm/d降雨作用下安全系数基本相同，变化范围为1.40~1.39。总体来说，在3种降雨方案条件下，边坡稳定性均呈下降趋势，但边坡仍处于稳定状态，无失稳风险。图12中3条曲线变化呈下降趋势主要是在降雨过程中雨水入渗至边坡内部，使非饱和边坡逐渐趋于饱和状态，负孔隙水压力逐渐消失，土体重度增加，作用在土颗粒上的有效应力逐渐减小，导致边坡稳定性逐渐下降。在3种方案中，方案1的降雨量明显比后2种的大，因此，在相同时间内，土体基质吸力下降迅速，初始稳定性较小。而对于方案2和方案3，其降雨量较小，且由于边坡在开挖之前覆盖层土体较厚，降雨入渗所形成的浸润线还未达到土-岩交界处，对边坡稳定性影响有限，且覆盖层饱和区域面积占总面积比率较小，边坡内部仍存在大量较为稳定的非饱和区域，故边坡仍处于稳定状态。在实际工程中，可参考此种变化规律估算相近形式边坡的稳定性。

图12  不同方案下未开挖覆盖层边坡安全系数变化趋势

Fig. 12  Changing trends of safety factor of unexcavation overburden slope in different conditions

图13  不同方案下已开挖覆盖层边坡安全系数变化趋势

Fig. 13  Changing trends of safety factor of excavation slope in different conditions

4.3  考虑开挖后覆盖层边坡稳定性分析

土质边坡开挖后，由于卸荷作用以及人工扰动，在开挖面下一定深度范围内会出现卸荷松弛区，即在相应位置土体的黏聚力与内摩擦角会出现一定程度下降^[15]。考虑卸荷松弛作用对覆盖层边坡的影响，本文在计算中对土体力学参数进行相应折减，黏聚力取  26 kPa，内摩擦角取17.5°。

开挖后覆盖层边坡在不同工况下稳定性变化趋势如图13所示。从图13可知：在边坡开挖后，不同方案下边坡安全系数均大幅度下降，在方案1条件下7 d内边坡安全系数由1.251下降至1.234，整体均处于临界稳定状态，一旦出现施工扰动或降雨强度提高等情况，则极易发生失稳破坏。综合分析覆盖层边坡渗流特征可知：当边坡开挖后，覆盖层厚度减小，在相同降雨量条件下浸润线更深入。由于坡面径流造成的坡脚积水导致坡脚处饱和区逐渐扩大，浸润线沿土-岩界面上升，覆盖层深处孔隙水压力由负值逐渐变为正值。同时，边坡开挖所造成的土体力学性质劣化，更使其难以承受逐渐增加的自重，进而导致边坡稳定性有所降低。

对比图12和图13可知：从未开挖与开挖状态下边坡受降雨影响的角度分析，开挖前边坡在降雨条件下安全系数仅降低0.01~0.02，而开挖后同条件下安全系数初值下降较大，但随着降雨时间的增加，安全系数降低值仍为0.01~0.02，与开挖前相比变化较小。这表明是否开挖对厚覆盖层边坡的影响远大于降雨的影响，因此，在工程中应更加注意开挖扰动对边坡稳定性所造成的影响。

5  结论

1) 由于覆盖层边坡的组成形式为“覆盖层土体+基岩”，其在强降雨作用下坡脚内部浸润线呈“J”形变化，坡脚处土体饱和后浸润线沿土-岩交界面向上移动。

2) 边坡开挖导致覆盖层厚度减小，在同等条件下降雨入渗速度加快，坡脚处土体迅速达到饱和状态，浸润线呈的“J”形变化的特征更为明显，且上升高度较开挖前有所提高。

3) 对于覆盖层边坡，决定边坡初始状态下稳定性的主要因素有降雨初始强度与边坡开挖状态，而决定边坡稳定性变化幅度的主要因素为降雨持续强度与降雨持续时间。在自然状态下，覆盖层边坡在3种降雨状态下边坡安全系数均大于1.3，处于稳定状态。边坡开挖后，由于渗流场变化和人为扰动等因素，边坡稳定性下降明显，在3种方案下，其安全系数均处于1.26~1.23之间，存在一定的失稳风险。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-06-10；修回日期：2015-08-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51278067, 51508040)；湖南省科学技术厅科技计划重点项目(2013FJ2008)；浙江交通厅科技计划项目(2014H22) (Projects(51278067, 51508040) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2013FJ2008) supported by the Key Plan Program of Science and Technology of Department of Science and Technology of Hunan Province; Project(2014H22) supported by the Key Plan Program of Department of Science and Technology of Zhejiang Province)

通信作者：李涛，博士，教授级高工，从事公路工程研究；E-mail：649918469@qq.com