公 路 与 汽 运 总第１５６期 Ｈｉｇｈｗａｙｓ ８Ｌ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ １２７ 考虑降雨入渗的坡积土边坡渗流场及稳定性分析 黄晨，蔡杰，李水长 （湖南华罡规划设计研究院有限公司，湖南长沙４１００７６） 摘要：将有限元与极限平衡理论相结合，对坡积土边坡在降雨入渗影响下的渗流场及稳定性 进行研究。结果表明，在降雨作用下，坡积土边坡顶部及坡脚孔隙水压力受降雨影响较大；体积含 水率的变化相对降雨入渗而言比较敏感，在降雨初期各个位置体积含水率都迅速增大，处于较低 位置的体积含水率由于受到雨水的持续补给及重力的作用率先达到饱和含水率；降雨的入渗将引 起边坡稳定性降低，降雨强度越大，边坡安全系数下降越明显。 关键词：公路；坡积土边坡；非饱和理论；孔隙水压力；稳定性 ． 中图分类号：Ｕ４１６．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—２６６８（２０１３）０３－－０１２７－－０４ 在中国南方的山区，随着高速公路建设的广泛 开展，由于路堑边坡的开挖，形成了一定数量的坡积 土边坡。这类边坡由于土体密实度、均匀性和稳定 性难以控制，在长时间降雨或短时暴雨条件下经常 出现瞬时失稳的现象，排水设施布置不够合理或排 水设施失效的边坡在降雨后发生滑塌尤为突出。这 类边坡发生滑移的原因主要是降雨后负孔隙水压力 在饱和土中，水压力为正值，总水头为压力水头 与重力水头之和；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来表示。 土体内非恒定渗流偏微分方程形式如下： ａ ａ万 ａ ａ矗 ａｈ （忌 ）＋ （忌， ）＋ 一ｍｗｌＤｗｇ万（２） （绝对值）降低、土体重度增大。因此，降雨成为山区 坡积土边坡稳定性的最不利影响因素之一。 目前，人们对降雨条件下非饱和土体的渗流过 程已经进行了许多研究并取得了许多成果，但是对 于坡积土边坡在降雨作用下的渗流场及稳定性研究 成果还很少。为此，该文将有限元与极限平衡方法 相结合分析算例边坡在降雨入渗影响下的渗流场变 化过程与稳定性。 式中：ｈ为岩体裂隙中的总水头；ｋ 和五 为Ｘ、Ｙ方 向的渗透系数；Ｗ为源汇项；ｍ 为比水容量；．Ｄ 为 水的密度；ｇ为重力加速度；ｔ为时间。 １．２非饱和抗剪强度理论 在非饱和土中，广泛使用加拿大学者Ｆｒｅｄｌｕｎｄ Ｄ．Ｇ．等提出的非饱和土抗剪强度公式： ｒ，：＝：ｃ ＋（ 一“ ）ｚｔａｎ９ ＋（ 。－－Ｕ ）ｚｔａｎ９ （３） １ 理论模型 １．１非饱和渗流理论 式中：ｒ，为土的抗剪强度；ｃ 、 分别为饱和土的有 效粘聚力和有效内摩擦角；（ 一 。），为破坏面上 的法向应力；（ 一 ），为破坏面上的基质吸力； 。、 处于非饱和状态下的土体和饱和土体一样，也 遵循热力学第二定律，水分从水势高处自发地向水 势低处运动。一般认为，适用于饱和水流动的Ｄａｒ— 分别为孔隙气压力与孔隙水压力； 为相对 于基质吸力的剪切摩察角。 从式（３）可以看出，由于基质吸力的存在，加大 了土体的抗剪强度，计算过程中假定 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。 ｃｙ定律在很多情况下也适用于非饱和土体水分的 流动。非饱和土中空气占有孔隙的形状可视为与固 相介质相似，土可以处理为一种减小含水量的饱和 土，从而饱和土中的Ｄａｒｃｙ定律同样可以适用于非 饱和土中。 一－－ｋ（ ）ＶＨ （１） ２计算模型及方案 ２．１计算模型 式中：口为水流流速；ｋ（＾）为导水系数；ＶＨ为水头 势能梯度。 为了更加合理地探讨降雨作用下坡积土边坡渗 流场变化及边坡失稳状况，采用较为理想的数值分 ｌ２８ 第３期 ２Ｏ１３年５月 析模型进行计算。该边坡属于路堑边坡，边坡坡脚 为５０。，土体厚度为５～８ ｍ，均为上部坡体风化形成 间选择为２４ ｈ。降雨计算方案见表１。 的坡积土。由于边坡土体密实度不高，假设土体处 于各向同性状态，在坡积土下部为基岩，地下水位于 基岩与坡积土交界面处。在模型中设置监测点Ｄ、 Ｅ、Ｆ对边坡渗流特征进行监控（见图１）。 Ｂ Ｃ Ｉ呻 吕 喇 避 ＝ｒ＝ ｇ 肇…、 公 路＆ Ａ Ｌ 一Ｆ ６０ 茎蕈 ０ｎ １一 一１００－８０ －６０ －４０ —２０ ０ 负孔隙水压力／ｋＰａ 图３渗透系数与基质吸力的关系 表１降雨计算方案 图１边坡地质剖面图（单位：ｍ） 与 ２．２计算参数 饱和一非饱和渗流计算中需要对两个基本的参 汽 Ａ 数进行确定：一是处于各个状态下的体积含水率，二 是各个状态下的饱和一非饱和渗透系数。其中将岩 运 口 Ｃ ． 土体的含水率与基质吸力之间的关系曲线称为土水 ３计算结果及分析 ３．１孔隙水压力变化分析 特征曲线。渗透系数是含水率与基质吸力之间建立 联系的纽带。通常土水特征曲线的获取主要根据室 内试验或经验公式拟合而来。该文在通过室内试验 获取坡积土饱和渗透系数（１．Ｏ５×１０ ｍ／ｓ）与饱和 含水率（１０ ）的基础上，通过ＶＡＮ—Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ渗 透系数模型得到土水特征曲线（见图２～３）。 图４为边坡初始状态及３种计算方案孔隙水压 力分布情况。由图４（ａ）可知：初始状态下边坡整体 处于非饱和状态，孔隙水压力沿边坡坡面向内部逐 渐增大，但孔隙水压力都表现为负值，在边坡表面负 孑Ｌ隙水压力值最大，达到一６０ ｋＰａ，边坡内部趋 于零。 从图４（ｂ）～（ｄ）可知：在降雨方案一、二、三作 逞 哥 ＊ 加 用下，边坡表面由于雨水的人渗由负孔隙水压力变 为零，表明边坡坡面在雨水入渗作用下已经处于饱 和状态。在边坡坡顶附近雨水沿ＢＣ平面向内部入 渗，出现了较大的正孔隙水压力，特别是在方案三条 件下，边坡上部孔隙水压力达到２５ ｋＰａ，人渗深度 延伸到边坡中部。表明边坡坡顶防水措施的设置是 负孔隙水压力，ｋＰ 十分有必要设置的。同时，在降雨入渗作用下，降雨 方案一、二、三条件下边坡内部最大负孔隙水压力由 最初的一６０ ｋＰａ降到一２５ ｋＰａ。由此可见，降雨的 图２体积含水率与基质吸力的关系 ２．３计算方案 入渗作用对边坡内部孑Ｌ隙水压力的影响明显。 对比图４（ｂ）～（ｄ）可知：降雨强度越大，边坡顶 为了分析不同降雨强度对边坡渗流场及稳定性 的影响，根据某地区降雨引起边坡失稳的统计资料， 选取３个降雨强度进行降雨人渗数值模拟，降雨强 度按照在整个降雨时间段内均匀降雨考虑，降雨时 部人渗深度越大，孔隙水压力值也越大。相似地，边 坡坡脚处的孑Ｌ隙水压力与降雨强度成正比，方案一 孔隙水压力为３０ ｋＰａ，方案三达到４０ ｋＰａ。 公 路 与 汽 运 Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 第３期 １３Ｏ 逞 瓣 芒 如 蛙 降雨时间／Ｉｌ （ａ）方案一 ｌ２ １０ ｓ 蓊 ６ ４ ２ ０ ０ ５ ｌＯ ｌ５ ２Ｏ ２５ 降雨时间，ｌｌ （ｂ）方案二 碍 ＊ 扣 蛙 降雨时间ｍ （ｃ）方案三 囤６监测点体积含水量变化 ３．３ 降雨强度对边坡稳定性的影响 为了分析降雨对坡积土边坡稳定性的影响，以 式（３）计算边坡在土体中基质吸力变化与土体重度 （体积含水率）变化共同影响下的稳定性。图７为不 同方案条件下边坡安全系数与降雨时间的关系。由 图７可知：在无支护条件下，降雨的人渗将引起边坡 稳定性降低，且在相同的降雨时间内，降雨强度越 大，边坡安全系数下降越明显。因此，边坡排水设施 的合理布置以及表面防渗工程设施的建设很有必 要，对保证边坡稳定性能起到积极作用。 ４ 结论 该文将有限元与极限平衡理论相结合，对不同 ２０１３年５月 １ 降雨时Ｉ司，ｈ 图７边坡安全系数与降雨时间的关系 降雨方案条件下的边坡渗流场及稳定性进行数值模 拟研究，结果表明： （１）在降雨作用下，坡积土边坡顶部及坡脚孔 隙水压力受降雨影响较大，其中坡脚大于坡顶，边坡 中部在降雨入渗作用后最晚达到饱和状态。 （２）体积含水率的变化相对孔隙水压力比较敏 感，在降雨初期，各个位置体积含水率都迅速增大，［ 处于较低位置的体积含水率由于受到雨水的持续补 给及重力的作用率先达到饱和含水率。降雨强度越 大，相同位置达到饱和含水率所需要的时间越短。 （３）降雨的入渗将引起边坡稳定性降低，且在 相同的降雨时间内，降雨强度越大，边坡安全系数下 降越明显。边坡支护及排水设施的合理选择是保证 边坡安全的关键。 参考文献： ［１］成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业 实验室．降雨诱发滑坡研究总报告［Ｒ］．成都：成都理 工大学，２００４． ［２］ 王瑞钢，闰澎旺，邓卫东．降雨作用下高填土质路堤边 坡的渗流稳定性分析［Ｊ］．中国公路学报，２００４，１７（４）． 魏云杰，许模，裴向军．基于渗流模型的路基排水设计 计算方法初探［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（７）． Ｆｒｅｄｌｕｎｄ Ｄ Ｇ，Ｒａｈａｒｄｊｏ Ｈ．非饱和土力学［Ｍ］．陈仲 颐，译．北京：中国建筑工业出版社，１９９７． 徐永富，刘松玉．非饱和土强度理论及其工程应用 ［Ｍ］．南京：东南大学出版社，１９９９． Ｒｉｃｈａｒｄｓ Ｌ Ａ．Ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９３１，１（５）． 林鸿州，于玉贞，李广信，等．土水特征曲线在滑坡预测 中的应用性探讨［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００９，２８ （１２）． 付宏渊，曾铃，蒋中明，等．降雨条件下公路边坡暂态饱 和区发展规律［Ｊ］．中国公路学报，２０１２，２５（３）． （下转第１６０页） 公 １６Ｏ Ｈｉｇｈｗａｙｓ 第３期 ２０１３年５月 自动启动 再生料配料输送带卸料 ／正转 新料配料输送带卸料 再生料提升卸料 过 再生料提升斗下降 再生料烘干 ｌ 新料烘干 新料提升卸料 过 料 兀 鬟 嚣 ———＿『———一成品提升 新料提升斗下降 成 再生料过料Ｉ反转１新料过料 沥青配料投料卜＞一匦 匦 卜 亟、 石粉配料投料 一 ｌ 堕曼！堕Ｉ 路＆ Ａ 图１再生沥青拌和设备自动控制流程 机运转（沥青泵不许无油空转）。应认真观察各自动 与 程序工作状态是否按预定的工艺流程动作，各程序 不得有误动作，否则应停机调整。 ２．４调试中须注意的事项 ３ 结语 沥青混合料拌和设备能否稳定工作和前期的安 装、调试有重大关系。设计良好的设备，如果不能科 汽 Ａ （１）调试人员应充分了解有关设备、系统的结 学合理地安装，就无法保证它的完整性；如果没有适 宜的调试，就无法发挥它的性能优势。因此，安装、 运 ．缸 构、性能以及调试程序、方法与步骤，严禁使用有缺 陷及有可能危及人身或设备安全的设备。 （２）调试中如发生异常情况，应立即断开电源， 并经放电接地后方可进行检查。 ∞ 调试作业是沥青混合料搅拌设备正式投入生产之前 一个至关重要的环节。 （３）调试前必须采取必要的保护措施，调试中 应密切注意机组的运行情况及被调试设备、系统各 参考文献： ［１］赵志欣．新迁沥青混凝土搅拌站安装高度及维护［Ｊ］． 工程机械与维修，２０１０（６）． 部分的动作情况，如有异常应立即停止调试。 （４）整机通电运转，各部件正常后，设备要分几 ［２］ 张晓玉．沥青混凝土拌和设备的安装调试与保养［Ｊ］． 筑路机械与施工机械化，２０１０，２７（１０）． 个时段进行空转，目的是进行磨合并在运转过程中 对有些部件进行调整和补充润滑，如拌锅轴机械密 封、干燥筒的支撑、输料皮带松紧和跑偏的调整等。 自动运行一段时间后，如 切正常无误，即可切断各 部分电源，至此，整机可投入正式生产。 （５）调试结束后，有关人员应认真作好调试记 录，存档备查。 ［３］ 张春铮．沥青混合料搅拌设备的安装调试［Ｊ］．筑路机 械与施工机械化，２０１２，２９（７）． ［４］谢建平，何志勇，李涛．煤气化技术特性研究及拌和设 备的应用［Ｊ］．公路与汽运，２０１２（２）． ［５］何志勇，马捷，刘书亚，等．公路养护应用煤转气技术试 验研究口］．中外企业家，２０１２（７）． 收稿日期：２０１２—０３～１２ （上接第１３０页） ［９］夏元友，张亮亮．考虑降雨入渗影响的边坡稳定性数值 分析［Ｊ］．公路交通科技，２００９，２６（１０）． ［１ｏ］詹良通，贾官伟，陈云敏，等．考虑土体非饱和特性的 ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ－ｗａｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖｏｌｃａｎｉｃ ｓｏｌｌ ［Ｊ］．Ｃａｎａｄｉａｎ Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０００，３７（４）． ［１２］Ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎ Ｍ Ｔ．Ａ ｃｌｏｓｅｄ－ｆｏｒｍ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｐｒｅｄｉｃ— ｔｉｎｇ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌｓ ［Ｊ］．Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８０， ４４． 无限长斜坡降雨入渗解析解［Ｊ］．岩土工程学报， ２０１０，３２（８）． ［１１］Ｃｈａｒｌｅｓ Ｗ Ｗ Ｎ，Ｐａｎｇ Ｙ Ｗ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａ— 收稿日期：２Ｏ１３一Ｏ３～１８
