降雨入渗条件下堤防边坡的稳定性分析

余 兵

(安徽省驷马山引江工程管理处，安徽 马鞍山 238251)

天然条件下的土质堤防边坡一般是非饱和土体。非饱和土体中存在吸力,吸力的存在有利于边坡的稳定。但是,在降雨作用下,随着雨水的入渗,边坡土体中的吸力将会减少,强度将会降低。很多学者研究了降雨入渗对土质边坡安全系数的影响[1-2],但是,降雨入渗对土质边坡滑动面位置的影响规律,以及边坡表面裂隙对降雨作用下边坡安全系数及滑面位置有何影响仍不清楚。因此,本文重点分析降雨强度、时间及坡表裂隙对边坡安全系数及滑面位置的影响,为汛期堤防查险抢险提供理论依据。

1 降雨入渗条件下堤防边坡的稳定性分析模型

1.1 边坡的几何形状及土体参数

为便于计算分析,设定边坡高10m,坡角20°(坡比介于1:2.5至1:3坡之间),如图1所示。边坡由2层土组成,上层为粉土层,下层为黏土层。边坡中的初始水位面位置如图1中的虚线,地下水位面以上的土体为非饱和土。边坡表面有降雨入渗。

图1 边坡剖面图

非饱和土与饱和土的主要区别是前者中存在吸力,吸力的存在会提高非饱和土的抗剪强度。根据文[3],非饱和土的强度可用式(1)表示:

τf=c'+(σ-ua)tanφ'+(ua-uw)tanφb

(1)

其中,σ为法向总应力;ua及uw分别为孔隙气压力及孔隙水压力;ψ=ua-uw为基质吸力;c'及φ'分别为土体的有效黏聚力及有效内摩擦角;φb为与基质吸力ψ对应的摩擦角。当基质吸力为零时,式(1)即退化为饱和土的莫尔-库仑强度公式。

为了描述非饱和土中吸力变化对非饱和土强度、变形及渗流特性的影响,还需要测定非饱和土的土水特征。岩土工程中常用Fredlund-Xing模型(FX)模型[4]来表示非饱和土的土水特征曲线(SWCC),其表达式如式(2):

(2)

其中,θ为体积含水率,θs为饱和体积含水率,θr为残余体积含水率;e为自然对数的底;a、n、m为SWCC拟合参数。根据SWCC参数及饱和渗透系数Ks可以求得非饱和土的渗透系数。

对于图1所示的边坡进行稳定性所需的各种强度参数及水力参数如表1所列。

表1 土体的力学及水力参数

1.2 边坡稳定性分析模型

采用专业软件GeoStudio的slope/w模块及seep/w模块建立边坡的稳定性分析模型。主要过程是:先采用seep/w模块进行降雨作用下的渗流分析,求解边坡土体的吸力;再将计算结果导入slope/w模块,采用严格的极限平衡条分法(Mogenstern-Price法)求解边坡的安全系数[5]。在地下水位面以上,堤身任意一点的初始吸力与该点至地下水位面的竖直距离成正比。

2 降雨条件对堤防边坡稳定性的影响

以24h降雨量10mm～25mm、25mm～50mm及50mm～100mm分别研究降雨强度及降雨时间对边坡稳定性的影响,数据如表2所列。

表2 降雨强度及降雨时间

2.1 降雨强度对边坡稳定性的影响

在降雨作用下,非饱和土体中的吸力将随着降雨入渗的增加而减小。图2～图3分别表示无降雨以及降雨强度为96 mm/d、降雨时间为1d时边坡中孔隙水压力水头等值线图。可见,边坡中无降雨时,地下水位面以下的堤身土体中孔隙水压力为正,地下水位面以上的土体中孔隙水压力为负(即吸力为正)。降雨1d后,边坡表面由于降雨入渗,土体的饱和度有所增加,吸力有所减小。坡表附近的吸力由-100 kPa减为-40 kPa。由图3还可发现,边坡中吸力的变化只发生在边坡表面的薄层区域。这表明降雨1d后,雨水的入渗只能影响边坡表层区域,还未来得及渗入到更深的土体中。

图2 边坡的孔隙水压力分布(无降雨)

图3 边坡的孔隙水压力分布(降雨96 mm/d * 1d)

3种降雨强度条件下,降雨结束时边坡的安全系数分别为1.459、1.457及1.451,而降雨强度为24及96 mm/d对应的潜在滑动面位置基本不变。

2.2 降雨时间对堤防边坡稳定性的影响

当降雨强度均为48mm/d时,降雨1 d、2 d及3 d后的边坡安全系数分别为1.470、1.461及1.455。可见,边坡的稳定性随着降雨时间的增加而减少。

3 坡表裂隙对堤防边坡稳定性的影响

为了分析坡表裂缝对边坡稳定性的影响,设边坡表面有深度为2m的竖直裂缝,裂缝层内土体的强度参数为原土层的一半,饱和渗透系数为原土层的10倍[6],其它参数同表1。与表2中6种降雨条件对应的边坡安全系数如图4所示。可见,坡表无裂隙时,在各种降雨条件下边坡安全系数的降低并不明显。但是,坡表存在裂隙时,在各种降雨条件下边坡的安全系数均有明显降低。其中,降雨强度为48 mm/d.达3d时,边坡安全系数的降低最为明显。

图4 坡表裂隙对边坡安全系数的影响

计算还表明,坡表裂隙不仅会影响边坡的安全系数,而且会影响边坡潜在滑动面的位置。随着雨水的入渗,边坡的安全系数会减少,潜在滑面的位置会上升。

4 结 论

通过对降雨入渗作用下土质堤防边坡的稳定性分析,得到的结论如下:① 在相同的降雨时间内,土质堤防边坡的安全系数随着降雨强度的增加而减少;在相同的降雨强度下,边坡的安全系数随着降雨时间的增加而减少。同样的原理,长时间浸泡在水中的堤身边坡安全系数也会减小。② 当堤顶和边坡表面存在裂隙时,随着降雨强度或时间的增加,除了堤防边坡的稳定性会降低外,边坡中潜在滑面位置也会上升,即更容易发生浅层滑坡。③ 为保证汛期降雨条件下堤防安全,要特别注重连续降雨和长时间浸泡在水中的堤防安全防范;要及时处理堤顶坡面裂隙和积水,防止堤顶坡面水渗入堤身;发生浅层滑坡时,要查明堤顶或坡面是否存在裂隙,并作相应处理,有针对地采取抢险措施。