降雨入渗对土堤渗流及边坡稳定性影响分析

熊 威，唐少龙，万小强，王 姣，虞 慧

（江西省水利科学院，江西 南昌，330029）

0 引言

土堤是鄱阳湖滨湖地区主要防洪工程，降雨易诱发土堤及土质边坡出现渗透破坏及边坡失稳[1]，土堤失效不仅对建筑物本身造成严重损害，还会对圩内房屋和人民生命财产安全造成重大损失[2]。因此，对降雨条件下土堤渗流场及边坡稳定性开展研究具有重要意义。目前，已有较多对于降雨作用下大坝及土质边坡渗流场及边坡稳定方面的研究，如王乐等[3]对不同降雨类型联合库水位骤降情况下的土质滑坡进行有限元模拟，分析了各工况下的滑坡失稳模式。倪沙沙[4]选取心墙土石坝为研究对象，分析了不同降雨强度、降雨历时情况下土石坝渗流场。岑威钧等[5]对堤防进行非饱和非恒定渗流仿真分析，获取了持续降雨耦合堤前水位变化条件下堤防边坡稳定性变化规律。吕磊[6]研究了不同类型前期降雨对尾矿坝渗流稳定性影响。李华等[7]以人工填土斜坡为例，模拟了不同降雨条件下斜坡渗流场、应变场和稳定性。已有的研究大部分对象为土石坝、土质边坡及尾矿坝等，部分对堤防的研究也未考虑堤防二元材料分布特征及不同降雨类型的影响。因此，本文基于饱和非饱和渗流原理，采用有限元方法模拟土堤在前峰型、后峰型、中峰型及平均型降雨作用下渗流场，揭示不同降雨类型作用下土堤渗流特性及边坡稳定性变化规律，以期为堤防防汛抢险提供参考。

1 研究方法

1.1 非饱和计算原理

饱和-非饱和渗流微分方程的张量表示式[3]如下：

式中：kr为透水率（Lu）；kij为渗透张量；Hc为水头，m；C（Hc）为容水度；q 为源汇项；θ为水头函数；Ss为单位贮水量；n为孔隙率。

1.2 非饱和边坡抗滑安全系数

在非饱和土的情况下采用简化毕肖普法计算边坡稳定安全系数的表达式[8]如下：

式中：i为划分的土条编号；ns为土条数；ci′为有效黏聚力，kPa；bi为土条宽度，m；Wi为土条质量，kg；pi为水压力，kPa；βi为倾角，°；ua与 uw为孔隙气压力与孔隙水压力，kPa；φb为受基质吸力影响的摩擦角，°；φi′为内摩擦角，°。

1.3 计算模型及材料物理力学参数

本文采用Geo-Studio软件建立有限元模型，选取鄱阳湖区某土堤作为研究对象，堤顶高程24.50m，宽8.0m，警戒水位19.50m。根据地质勘测资料，堤身为典型的二元结构，上层为透水性较低的粘土，下层为透水性较强的砂壤土。土水特征曲线通过材料的饱和体积含水率和SEEP/W模块提供的粘土样条函数和砂壤土样条函数估算，渗透系数曲线采用Fredlund＆Xing模型拟合。土堤横断面见图1，堤身材料参数见表1。

表1 堤身材料参数表

1.4 边界条件

为监测堤身不同部位孔隙水压力（以下简称孔压）的变化，在土堤下游设置监测点A、B，如图1所示。将土堤的迎水坡边界（DEI）设置为水头边界，水头为19.50m。堤顶（DG）和背水坡（GFH）设置为降雨边界，选取平均型、前峰型、中峰型及后峰型降雨等四种降雨类型作为边界条件，降雨过程线见图2。

2 计算结果与分析

图3为平均型降雨作用下堤身孔隙水压力等值线图。由图3可知，降雨会使下游坡土体孔隙水压力增大，下游堤身浸润线升高，部分非饱和土变成饱和土，土体基质吸力降低，不利于边坡稳定，降雨停止以后，随着雨水入渗，孔隙水压力会小幅降低。

图4为不同降雨类型情况下监测点孔压变化过程。由图4可知，随着降雨的进行，监测点孔压总体上呈现先增大后减少并趋于稳定的趋势。孔压变化幅度后峰型＞中峰型＞平均型＞前峰型。孔压达到峰值的时间前峰型＜中峰型＜平均型＜后峰型，初期降雨强度越大，孔压响应速度越快。降雨过后上部监测点仍然是非饱和状态，孔压为负值，下部监测点由非饱和状态变成饱和状态，孔压为正值。

图5为不同降雨类型情况下下游坡安全系数变化过程。由图5可知，随着降雨的进行下游坡安全系数逐渐降低，降雨停止以后下游坡安全系数小幅上升并趋于稳定。安全系数最终值后峰型（1.730）＜中峰型（1.745）＜平均型（1.756）＜前峰型（1.757），与孔压变化规律反映的边坡稳定性一致。达到安全系数最小值时间前峰型＜中峰型＜平均型＜后峰型，初期降雨强度越大，安全系数响应速度越快。

3 结 论

（1）在降雨的作用下监测点孔压总体上呈现先增大后减少并趋于稳定的趋势，下游堤身浸润线升高，部分非饱和土变成饱和土，土体基质吸力降低，孔压变化幅度后峰型＞中峰型＞平均型＞前峰型，后峰型降雨对孔压变化幅度影响最大。

（2）在降雨的作用下下游坡安全系数逐渐降低，降雨停止以后下游坡安全系数小幅上升并趋于稳定。安全系数最终值后峰型（1.730）＜中峰型（1.745）＜平均型（1.756）＜前峰型（1.757），后峰型降雨对边坡安全系数影响最大。