涂國祥，黃潤秋

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

1 引 言

降雨是斜坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素之一。中國地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫已記錄了 1949－1995年期間發(fā)生在我國的滑坡災(zāi)害，其中 68.5%的滑坡是由降雨引起的。《中國典型滑坡》[1]列舉了90多個滑坡實(shí)例，有95%以上的滑坡都與降雨有著密切關(guān)系?！吨袊卮蟮刭|(zhì)災(zāi)害實(shí)例分析》[2]例舉的27項(xiàng)中國重大地質(zhì)災(zāi)害中有15項(xiàng)是由暴雨引發(fā)的。多年來，人們對降雨誘發(fā)斜坡失穩(wěn)的機(jī)制[3－11]、穩(wěn)定性評價方法[12－18]以及預(yù)測預(yù)報[19－22]等方面進(jìn)行了卓有成效的研究，一般認(rèn)為雨水入滲會引起斜坡體內(nèi)滲流場變化，導(dǎo)致孔隙水壓力上升、基質(zhì)吸力減小、重度增大，同時，由于巖土體含水率的增大還會導(dǎo)致巖土軟化等，使得邊坡滑移面剪應(yīng)力增大、抗剪強(qiáng)度減小，容易造成斜坡體失穩(wěn)[7]。降雨影響斜坡穩(wěn)定性的因素主要有總降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時、降雨類型、巖土體性狀、坡面形態(tài)等。

本文討論降雨對路堤斜坡穩(wěn)定性影響的時間效應(yīng)包括兩方面，（1）降雨期間，降雨持續(xù)時間對斜坡穩(wěn)定性的影響。（2）降雨停止后，坡體內(nèi)地下水進(jìn)一步下滲所帶來的斜坡穩(wěn)定性隨時間而變化的影響。國內(nèi)外許多學(xué)者針對前一問題做了大量研究工作[3，5，7，12，19－20]，針對后一問題的研究卻鮮見報道，個別學(xué)者在相關(guān)調(diào)查研究過程中已經(jīng)注意到某些斜坡失穩(wěn)往往滯后于降雨這一現(xiàn)象，如吳長富等[14]分析了強(qiáng)降雨對土坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為斜坡穩(wěn)定性最低值往往出現(xiàn)在降雨停止后的0.3～0.8 d內(nèi)。鐘蔭乾[21]對湖北西部山區(qū)多年降雨誘發(fā)滑坡的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，降雨型滑坡一般發(fā)生于久雨、暴雨中或略滯后，滯后期一般不超過10 d。Godt等[22]在調(diào)查深圳地區(qū)降雨誘發(fā)滑坡時發(fā)現(xiàn)滑坡活動時間與暴雨、大暴雨相吻合或略滯后，滯后時間一般不超過4 d，暴雨的當(dāng)天及次日發(fā)生滑坡的可能性最大[22]；詹青文等[23]研究江西某邊坡時發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性系數(shù)雨后 8～12 h達(dá)到最低值。

能夠誘發(fā)斜坡巖土體出現(xiàn)災(zāi)害性變化的降雨應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度[2，22－23]，多數(shù)時候斜坡巖土體的降雨入滲能力小于這一降雨強(qiáng)度，因此雨水的入滲往往滯后于降雨，即使降雨停止，斜坡地下水瞬時滲流場也需要經(jīng)過相當(dāng)長的時間才能形成穩(wěn)定滲流場，從這個角度來說，時間效應(yīng)是降雨影響斜坡穩(wěn)定性的固有特性。因此開展降雨影響斜坡穩(wěn)定性的時間效應(yīng)以及影響時間效應(yīng)的主要因素研究工作，對于降雨條件下斜坡穩(wěn)定性評價及預(yù)測預(yù)報具有重要意義。本文以某高速公路試驗(yàn)路堤為例，基于非飽和土滲透和強(qiáng)度理論，分析不同類型降雨在不同路堤巖土體內(nèi)入滲機(jī)制及其對路堤穩(wěn)定性影響的時間效應(yīng)。

2 研究方法和目的

本文探索在不同降雨強(qiáng)度和降雨歷時條件下雨水入滲機(jī)制、路堤地下水瞬時滲流場的變化特點(diǎn)以及路堤斜坡穩(wěn)定性隨時間變化的規(guī)律，研究思路和方法步驟可概況為：（1）從非飽和土滲透入手，采用有限元計(jì)算方法，構(gòu)建的有限元模型如圖1所示。計(jì)算不同降雨條件下自降雨初始至形成穩(wěn)定性滲流場期間不同時刻路堤瞬時滲流場，以及巖土體孔隙含水率、孔隙水壓力。（2）耦合分析路堤斜坡滲流場與應(yīng)力場，獲取不同時間路堤各部部位的孔隙水壓力、含水率和基質(zhì)吸力。（3）引入剛體極限平衡斜坡穩(wěn)定性計(jì)算模塊計(jì)算出路堤斜坡在各不同時刻的穩(wěn)定性系數(shù)。最后通過對比分析，研究不同路堤填料在不同降雨條件下的入滲規(guī)律以及降雨對路堤斜坡穩(wěn)定性影響的時間效應(yīng)。

圖1 路堤滲流場有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite element cakulation model for seepage field of embankment

很多學(xué)者提出，要使斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯變化，降雨必須要有足夠的雨量和強(qiáng)度[24－25]，或者具有足夠的強(qiáng)度和歷時[20，26－27]，一般認(rèn)為降雨觸發(fā)斜坡失穩(wěn)的臨界降雨強(qiáng)度應(yīng)大于50 mm/d，累積降雨量應(yīng)大于 100 mm。根據(jù)相關(guān)資料，本文研究區(qū)的年平均降雨量一般在2 000 mm以上，歷史上最大日降雨量達(dá)到430 mm，為便于計(jì)算結(jié)果的比較，本文假設(shè)4種不同降雨類型，總降雨量均為450 mm，4種降雨類型分別為：（1）雨強(qiáng)50 mm/d，持續(xù)時間9 d；（2）雨強(qiáng)90 mm/d，持續(xù)時間5 d；（3）雨強(qiáng)150 mm/d，持續(xù)時間3 d；（4）雨強(qiáng)450 mm/d，持續(xù)時間1 d。

為分析雨水在不同巖土體內(nèi)入滲機(jī)制及其對穩(wěn)定性的影響，本文設(shè)計(jì)路堤由兩種滲透性質(zhì)差異較大的巖土體構(gòu)成，一種是透水性能較好的碎石土，另一種是透水性能較差粉土，兩種巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)見表 1，土-水特征曲線如圖 2所示。根據(jù)Fredlund方法[28]可以計(jì)算出非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系如圖3所示。

表1 路堤填料基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of embankment soil

圖2 土體土-水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curves

圖3 土體滲透系數(shù)曲線Fig.3 Curves of unsaturated permeability coefficient relation to matric suction

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 孔隙水壓力與時間關(guān)系

圖4為路堤填料為透水能力較強(qiáng)的碎石土?xí)r不同降雨條件下堤頂（跟蹤點(diǎn)位置見圖 1）不同深度孔隙水壓力隨時間的變化曲線。由于碎石土的透水能力相對較強(qiáng)，降雨初期坡頂表層土體很快達(dá)到或近于達(dá)到飽和狀態(tài)（孔隙水壓力趨于0）。隨著時間推移地表以下土體飽和度也相應(yīng)提高，孔隙水壓力回升，尤其是對于表層2 m內(nèi)的土體，隨著降雨持續(xù)時間的增長（即使雨強(qiáng)降低），土體孔隙水壓力趨于0所需要的時間變短；若降雨持續(xù)足夠時間（如≥9 d），地表5 m以下的土體也能趨于飽和狀態(tài)，但此時表層土體孔隙水壓力和飽和度又開始回落；降雨對深部土體孔隙水壓力的影響與降雨持續(xù)時間有著密切關(guān)系，對比圖4（a）與圖4（d），若雨強(qiáng)達(dá)到450 mm/d，但僅持續(xù)1 d，則對坡頂2 m以下土體的孔隙水壓力幾乎沒有影響，若持續(xù)時間足夠長，即使雨強(qiáng)較小，則5 m以下土體的孔隙水壓力也有明顯回升。

圖5為由碎石土構(gòu)成的路堤斜坡在不同降雨條件下路堤下部第一級斜坡中部（跟蹤點(diǎn)具體位置見圖 1）孔隙水壓力變化情況。不管是設(shè)定的哪種降雨條件，坡腳垂直于坡面6.4 m范圍內(nèi)（甚至更深部位）土體孔隙水壓力都能在較短時間內(nèi)（≤3 d）迅速上升至0左右，達(dá)到或近于飽和狀態(tài)，并且都能夠在整個降雨期間保持在較高孔隙水壓力狀態(tài)，直到降雨停止，孔隙水開始略有下降。

圖4 路堤填料為碎石土?xí)r不同降雨條件下坡頂孔隙水壓力跟蹤曲線Fig.4 Variation of pore water pressure in gravel soil at top of embankment during different rainfalls

圖5 路堤填料為碎石土?xí)r不同降雨條件下坡腳中部孔隙水壓力跟蹤曲線Fig.5 Variation of pore water pressure in gravel soil at toe of embankment during different rainfalls

圖6（a）～6（c）為當(dāng)路堤由滲透性較差的粉土構(gòu)成時，坡頂各跟蹤點(diǎn)（跟蹤點(diǎn)具體位置見圖 1）孔隙水壓力隨時間變化的計(jì)算結(jié)果。圖6（a）～6（c）為坡頂跟蹤曲線；6（d）～6（f）為第一級斜坡中部跟蹤曲線。坡頂表層土體在降雨初期能夠短期內(nèi)趨于飽和狀態(tài)，但隨降雨強(qiáng)度降低，土體趨于飽和所需時間增長，能達(dá)到的飽和度也響應(yīng)降低；與由碎石土構(gòu)成的路堤不同，表層土體的難以長時間保持高飽和度，隨時間增長孔隙水壓力有明顯降低；降雨能影響的深度大致相近（約6～7 m），但隨降雨強(qiáng)度降低，相同深度土體孔隙水壓力上升到相同值所需時間也更長。

圖6（d）～6（f）為當(dāng)路堤由滲透性較差的粉土構(gòu)成時路堤下部第一級斜坡中部各跟蹤點(diǎn)（跟蹤點(diǎn)具體位置見圖 1）孔隙水壓力隨時間變化的計(jì)算結(jié)果。降雨初期坡面孔隙水壓力能夠快速回升，回升速度、能夠達(dá)到的飽和度隨降雨強(qiáng)度增大而增大，但能保持高飽和度、高孔隙水壓力的時間隨降雨持續(xù)增長而增長；在設(shè)定的3種降雨類型下降雨對土體孔隙水壓力的顯著影響深度（垂直于坡面）一般在5～6 m以內(nèi)。

3.2 穩(wěn)定性系數(shù)與時間關(guān)系

將不同時刻路堤斜坡孔隙水壓力、體積含水率、基質(zhì)吸力等有限元計(jì)算結(jié)果與基于剛體極限平衡理論的斜坡穩(wěn)定性計(jì)算耦合，可獲得降雨條件下路堤斜坡不同時刻的穩(wěn)定性系數(shù)。圖7為由兩種不同填料構(gòu)成的路堤斜坡不同時刻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。

圖7 路堤斜坡穩(wěn)定性系數(shù)與時間關(guān)系Fig.7 Curves of the relation between the stability of the two embankments slope and time

從圖7（a）透水能力較強(qiáng)的碎石土構(gòu)成路堤斜坡在不同降雨條件下路堤斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時間變化曲線可見，降雨初期斜坡穩(wěn)定性系數(shù)有一個短暫的驟降期，降低幅度隨降雨強(qiáng)度增大而增大，緊接著是一個穩(wěn)定性平緩期，而后穩(wěn)定性系數(shù)隨時間持續(xù)降低達(dá)到最低值，最后是穩(wěn)定性系數(shù)恢復(fù)期。當(dāng)斜坡經(jīng)歷短暫超強(qiáng)降雨（如450 mm/d，持續(xù)1 d），或超長時間、強(qiáng)度相對較低的降雨（如50 mm/d，持續(xù)9 d），雨停時不是穩(wěn)定性系數(shù)最低時刻，這兩種情況下斜坡穩(wěn)定性系數(shù)相對雨停時刻有較明顯滯后現(xiàn)象，滯后時間不超過3 d。在相同降雨量、不同雨強(qiáng)和降雨持續(xù)時間條件下，降雨持續(xù)時間越長，斜坡能達(dá)到的最小穩(wěn)定性系數(shù)越低。從圖7（b）構(gòu)成路堤土體是透水能力相對降低的粉土?xí)r斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時間變化曲線可知，降雨初期斜坡穩(wěn)定性系數(shù)也有一個短暫驟降期，降低幅度隨雨強(qiáng)增大而增大，然后是穩(wěn)定性平緩期，最后隨時間增長穩(wěn)定性系數(shù)持續(xù)降低，當(dāng)經(jīng)歷足夠長時間后斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時間變化曲線趨于穩(wěn)定性，在計(jì)算時間期內(nèi)，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)沒有出現(xiàn)明顯地回升。斜坡穩(wěn)定性系數(shù)最低值有明顯滯后現(xiàn)象，滯后時間隨雨強(qiáng)降低、降雨時間增長而增長。在相同降雨量條件下斜坡穩(wěn)定性系數(shù)最低值受雨強(qiáng)和降雨持續(xù)時間雙因素影響。本文中，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)最低值出現(xiàn)在雨強(qiáng)150 mm/d，持續(xù)3 d這種雨型條件下。

4 討 論

降雨對斜坡穩(wěn)定性的影響是一個古老而復(fù)雜的問題，長期以來眾多學(xué)者從不同的角度對此展開廣泛的研究工作。學(xué)者研究的重點(diǎn)大多在降雨量、雨強(qiáng)和降雨持續(xù)時間等三方面[19－22]，有些學(xué)者認(rèn)為與降雨類型有密切關(guān)系[14，21]，少有學(xué)者針對降雨對斜坡穩(wěn)定性影響的時間效應(yīng)展開研究。

根據(jù)本文孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果，兩種透水能力不同的兩種土體（碎石土和粉土）構(gòu)成的路堤斜坡在降雨過程中孔隙水壓力隨時間變化有明顯差異。歸納起來可以概括為：（1）當(dāng)路堤由透水能力強(qiáng)度的土體構(gòu)成時，降雨過程中堤頂表層土體在短時間內(nèi)迅速達(dá)到高飽和、高孔隙水壓力狀態(tài)，但對深部土體影響較小，除非降雨時間超長；斜坡下部土體在整個降雨過程中都保持在高飽和、高孔隙水壓力狀態(tài)，且能夠影響到較深部分的土體，即使降雨停止也僅僅略有降低。（2）若路堤有透水能力較弱的土體構(gòu)成，降雨過程中堤頂表層土體飽和度和孔隙水壓力也能顯著提升，但上升的幅度和速度要小得多，隨時間推移，其影響深度可達(dá)6～7 m，斜坡下部土體孔隙水壓力變化也具有與堤頂相似特征，似乎整個路堤在降雨期間處于均勻入滲狀態(tài)。出現(xiàn)這種差異應(yīng)該與不同土體降雨入滲機(jī)制有關(guān)。

對于由透水能力較強(qiáng)土體構(gòu)成的路堤，降雨初期，由于這類土體孔隙率相對較小、滲透能力強(qiáng)，很快在斜坡上部表層和堤頂形成瞬時飽和帶，飽和帶以下土體處于負(fù)孔壓較高的非飽和狀態(tài)，滲透能力急劇降低，從而阻滯了雨水進(jìn)一步下滲，因而降雨主要以地表徑流形式流向斜坡下部，在斜坡下部由于地表徑流的匯集，土體產(chǎn)生壓力滲透，因而降雨能夠較快的入滲，從而形成斜坡下部滲透明顯高于上部的現(xiàn)象，造成坡腳地下水位明顯抬升。而對于透水能力較弱土體構(gòu)成的路堤，由于土體孔隙率高、透水能力弱，降雨過程中難以在表層形成瞬時飽和帶，因而降雨只能以近似均勻入滲的形式下滲（地形平坦部位下滲略強(qiáng)）。

不同土體降雨入滲特點(diǎn)的這種差異對路堤斜坡穩(wěn)定性的時間效應(yīng)產(chǎn)生了重要影響。對于由透水能力較強(qiáng)的土體構(gòu)成的路堤，在短暫的高強(qiáng)度降雨，或較低強(qiáng)度超長時間降雨條件下，斜坡出現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)最低值存在較明顯的滯后現(xiàn)象，一般滯后雨停時刻0.5～3 d；而對于由透水能力較差的土體構(gòu)成的路堤，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)最低值明顯滯后于降雨，一般滯后于雨停時刻7～15 d。

降雨量、雨強(qiáng)、持續(xù)時間是影響斜坡穩(wěn)定性的主要因素，但從本文分析結(jié)果來看，土體的滲透特性也是影響斜坡降雨入滲機(jī)制、穩(wěn)定性和時間效應(yīng)的重要因素?？偨涤炅恳欢l件下，若土體透水能力強(qiáng)，斜坡最小穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨持續(xù)時間增長而降低（雨強(qiáng)≥50 mm/d）；若土體透水能差，斜坡最小穩(wěn)定性系數(shù)受雨強(qiáng)和降雨持續(xù)時間共同影響。

5 結(jié) 論

（1）土體的透水特性對斜坡降雨入滲機(jī)制有重要影響。降雨過程中，透水性能較好的路堤斜坡下部降雨入滲要強(qiáng)于斜坡上部和堤頂。透水性能較差的路堤斜坡中雨水往往以近似于均勻的形式入滲，斜坡上部和下部沒有明顯差別。

（2）透水能力較強(qiáng)的路堤在短暫的超強(qiáng)降雨、或者強(qiáng)度較低但持續(xù)時間超長的降雨過程中，其最小穩(wěn)定性系數(shù)較易于出現(xiàn)滯后現(xiàn)象；透水能力較差的路堤斜坡在降雨過程中，其最小穩(wěn)定性系數(shù)有顯著滯后特點(diǎn)，一般滯后于雨停時刻約7～15 d。

（3）總降雨量一定、雨強(qiáng)≥50 mm/d條件下透水能力強(qiáng)斜坡能達(dá)到的最小穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時間增長而降低。透水能力差的斜坡，其最小穩(wěn)定性系數(shù)受雨強(qiáng)和降雨時間共同影響。

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