降雨入渗对非饱和土体边坡稳定性影响及治理对策_邱胜光.pdf

收稿日期2019-10-30 作者简介邱胜光（1974） ， 男， 高级工程师。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 降雨入渗对非饱和土体边坡稳定性影响及 治理对策 邱胜光 1 （紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿， 福建 龙岩 364200） 摘要为研究降雨入渗对非饱和土体边坡稳定性影响， 基于饱和非饱和渗流理论， 分析了降雨入渗条件 下边坡内部渗流场变化及其对边坡稳定性的影响。研究表明 ①降雨入渗是饱和非饱和过程， 其内部体积含水 率随降雨持续时间的变化而发生动态改变， 在降雨初期， 土体处于非饱和状态， 黏聚力随着含水率的增大而增大， 内摩擦角变化幅度较小， 总体呈下降趋势， 基质吸力增强， 安全系数升高， 对边坡稳定性有利； ②随着降雨持续， 孔 隙水压力由负变正， 黏聚力和内摩擦角随着含水率的增大而减小， 基质吸力减弱， 边坡稳定性降低； ③降雨入渗终 态过程为内部水位线升高， 动静水压增加， 土体有效重度降低， 土体发生软化， 力学强度参数降低， 边坡稳定性随之 降低， 土体渗透系数与边坡安全系数总体成反比关系。在上述分析的基础上， 结合土质边坡实例， 应用强度折减 法， 分析了降雨入渗状态下边坡潜在滑动面、 峰值位移随降雨持续时间的变化规律， 认为降雨初期潜在滑动面由浅 入深， 峰值位移不断增大； 降雨停止后， 土体内部应力重新分布， 土体由饱和转为非饱和， 潜在滑动面、 峰值位移发 生逆变化。为防止降雨条件下边坡发生失稳破坏， 针对性地提出了土质边坡治理建议， 为非饱和土体边坡综合治 理提供了有益参考。 关键词露天开采非饱和土体边坡稳定性体积含水率强度折减法安全系数 中图分类号TD854文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-062-06 DOI10.19614/ki.jsks.201911010 Influence of Rainfall Infiltration to the Stability of Unsaturated Soil Slope and Its Countermeasures Qiu Shengguang2 （Zijinshan Au-Cu Mine， Zijin Mining Group Co.， Ltd.， Longyan 364200， China） AbstractIn order to study the influence of rainfall infiltration on the stability of unsaturated soil slope， based on satu- rated-unsaturated seepage theory， the change of seepage field in slope and its influence on the slope stability under rainfall in- filtration are analyzed.The study results show that①rainfall infiltration is a saturated-unsaturated process， and its internal volumetric water content changes dynamically with the change of rainfall duration， in the initial stage of rainfall， the soil is in unsaturated state， the cohesion increases with the increase of water content， and the variation of internal friction angle is small， its overall trend is downward， with the increase of matrix suction and safety coefficient， which is beneficial to slope sta- bility； ②with the continuous rainfall， pore water pressure changes from negative to positive， cohesion and internal friction an- gle decrease with the increase of water content， matrix suction weakens， and slope stability decreases； ③the final process of rainfall infiltration is the rise of internal water level， the increase of dynamic and static water pressure， and the decrease of ef- fective soil weight， the soil softens，the mechanical strength parameters decrease， and the stability of the slope decreases， the permeability coefficient of the soil is inversely proportional to the safety factor of the slope as a whole.Based on the above dis- cussion results， combined with the example of soil slope， the strength reduction is used to reveal the change rule of the potential slip surface and the peak displacement of the slope along with the rainfall duration time under the condition of rainfall infiltration.The results indicated that the potential sliding surface at the beginning of rainfall increases from shallow to deep， and the peak displacement increases continuously； after the rainfall stopes， the stress in soil is re-distributed， the soil changes from saturated to unsaturated， and the potential sliding surface and peak displacemenet change inversly.In order to prevent the slope from destabilizing and destroying by rainfall， the rationalization treatment suggestions of soil slope are put Series No. 521 November2019 62 ChaoXing forward， which provides a reliable reference for the comprehenisve treatment of unsaturated soil slope. KeywordsOpen-pit mining， Unstatured soil， Slope stability， Volume moisture content， Strength reduction ， Safe- ty coefficient 持续降雨入渗导致的滑坡是重大地质灾害之 一， 现阶段， 降雨诱发滑坡灾害的形成机理和准确预 测是研究难点 ［1-2］。降雨对边坡稳定性的影响是降雨 强度、 降雨持续时间、 降雨类型以及土体入渗能力、 土体初始饱和度、 坡面防渗能力等多种因素综合作 用的结果。当降雨强度很小或降雨入渗强度较小 时， 非饱和土体边坡内渗流场的影响较小， 土体主要 是吸湿过程 ［1， 3］。本研究根据饱和非饱和土力学理 论， 结合边坡实例， 采用有限元方法对雨水入渗作用 下的边坡稳定性进行饱和非饱和数值分析， 并对 相应的边坡治理措施进行探讨， 为非饱和土体边坡 稳定性分析及治理提供有益参考。 1含水率与非饱和土体强度参数之间关系 土体抗剪强度是其重要的力学性质之一， 反映 了土体抵抗剪切破坏的能力， 一旦土体剪切强度大 于土体极限抗剪强度 ［4-5］， 土体即发生失稳破坏。降 雨入渗对边坡稳定性产生影响， 主要是由于雨水进 入土体中， 其孔隙水压力发生变化、 饱和度增加； 由 于土体中含水率发生变化而导致抗剪强度降低。本 研究通过室内直剪试验 （图1） ， 分析土体强度参数与 含水率之间关系。两者取值关系如表1所示。 非饱和土体的含水量对抗剪强度的影响主要通 过有效黏聚力、 内摩擦角来体现。本研究通过试验 分析了非饱和土体含水量与抗剪强度之间的关系， 结果如图3和图4所示。 由图3可知 当含水率为0～10时， 黏聚力总体 趋势变大， 近似呈半抛物线形状， 其拟合曲线函数模 型为y Ax2 Bx C， 主要是由于非饱和土体由干 燥逐步转变为湿润状态时， 土体内部静电作用变强， 毛细管力使土与水吸附在一起， 形成结合水， 附着力 增强， 负孔隙水压力不断增强， 故而导致土体黏聚力 增长； 当含水率为10～100， 黏聚力随含水率的增 加总体呈逐渐降低趋势， 拟合曲线函数模型为y Ax B， 随着土体含水率的增加， 土体内部孔隙水压 力由负值转为正值， 基质吸力逐渐降低为0， 其内部 水压力主要由自由水控制， 土体正孔隙水压力不断 2019年第11期邱胜光 降雨入渗对非饱和土体边坡稳定性影响及治理对策 63 ChaoXing 增大， 有效重度降低， 另一方面， 在水的浸泡下， 土体 发生软化作用， 从而导致土体黏聚力不断减小 ［6］。 由图4可知 在土体完全干燥的情况下， 内摩擦 角达到峰值， 主要是由于土体内部库仑力作用， 咬合 力增强， 导致土体内部颗粒之间摩阻力增强， 压缩性 很低， 故含水率较低时， 内摩擦角较大； 随着含水率 不断增大， 自由水含量增多， 土体颗粒吸附作用变 弱， 摩阻力降低， 以及正孔隙水压力存在， 导致随着 土体含水率不断增加， 土体有效内摩擦角不断降低。 2水位线、 透水率变化与边坡安全系数之间 关系 2. 1水位线变化与边坡安全系数的关系 降雨入渗初态过程为非饱和土体内部体积含水 率增加， 终态过程表现在稳定地下水位升高， 从而引 起边坡内水荷载的增大， 这是雨季边坡失稳的重要原 因 ［7-8］。为研究水位上升对边坡稳定性影响， 在边坡水 位线处于不同高程 （图5） 的情况下， 分析了坡体内部 渗流场变化对边坡安全系数的影响， 结果如图6所示。 由图5和图6可知 在初始渗流场 （水位线1） 作 用下， M-P法、 瑞典法、 有限元法得出的边坡安全系 数分别为1.31、 1.29和1.34； 在水位线3作用下， 边坡 安全系数分别下降至1.16、 1.13、 1.19； 土体全饱和时 （水位线 5） ， 安全系数降至最低， 分别为 0.88、 0.71、 0.92， 降低幅度分别为 32.8、 44.9、 31.3， 其中瑞 典法降低幅度最大， 主要是由于应用该方法计算边 坡安全系数时， 忽略了条间力作用， 计算误差较大。 因此， 在水位线较高时， 瑞典法计算的边坡安全系数 过于保守。由水位线1升至水位线5时， 边坡由稳定 状态转变为不稳定状态， 由此可见， 水位升高对边坡 稳定十分不利， 雨季来临时， 应及时采取疏排水措 施。有限元法与M-P法计算结果相近， 主要是由于 两者严格满足平衡力条件 ［9-12］， 计算较精确。 2. 2渗透系数变化与边坡安全系数之间的关系 降雨入渗前期， 由于存在基质吸力， 非饱和土体 中存在黏滞阻力， 土体中渗透系数随降雨强度变化 而发生动态改变 ［13］。为研究不同渗透系数情形下对 边坡稳定性的影响， 设计了渗透系数分别为低 （5.0 10-8） 、 中 （5.010-5） 、 强 （5.010-2） 的3种方案 （方案 1、 方案2和方案3） ， 利用Geostudio软件中的seep/w板 块进行了模拟分析， 结果如图7所示。 由图7可知 在渗透率较低 （方案1） 的土体中， 安 全系数总体呈现上升趋势， 主要由于在降雨入渗时， 大气中的雨水很难进入土体， 很少一部分水渗入到 金属矿山2019年第11期总第521期 64 ChaoXing 非饱和土体中， 由自由水转化为结合水， 土体基质吸 力增加， 但变化幅度不大； 在渗透系数中等 （方案2） 的土体中， 在前2 d安全系数由1.31上升至1.46， 主要 原因类似于方案1， 土体中的吸附能力增强， 基质吸 力随之上升， 强度参数中的黏聚力增大； 在2 d之后， 随着降雨持续， 安全系数逐渐降低， 主要是由于此时 土体中的结合水逐步转变为自由水， 土体中孔隙水压 力由负转正， 土体有效重度降低； 在渗透系数强的方 案3中， 大气降雨入渗到土体中， 将直接抬升地下水 位， 土体中不会出现非饱和区， 土体含水量迅速增加。 结合图3可知 土体含水率大于10时， 土体黏聚力 以及内摩擦角都随土体中含水量的增大而降低， 故而 边坡安全系数随着降雨入渗的持续会不断降低。 3实例分析 3. 1边坡概况及试验方案 某一土质边坡段高为30 m， 坡比为1 ∶ 1.5， 坡体为 均质非饱和土层， 本研究构建的计算模型如图 8所 示。在图 9所示的降雨条件下边坡发生破坏， 降雨 后， 土体含水率发生显著变化。在边坡内选取天然 状态下、 降雨2 d、 降雨4 d、 降雨停止后4种土样， 在 实验室内分别测定其含水率、 重度等物理力学参数， 根据本研究分析出的土体强度参数与含水率之间的 关系 （图3、 图4） ， 计算其内摩擦角和黏聚力， 结果如 表2所示。 3. 2试验分析 本研究对边坡模型进行了计算网格划分， 共有 14 301个节点， 4 700个单元， 模型左右以及上下采用 固定约束， 边坡面、 自由面不受约束。采用Midas-gts 有限元法对不同状态下坡体剪切应变分布情况进行 了分析， 结果如图10所示。降雨持时与坡体峰值位 移以及安全系数的关系如图11所示。 随着降雨持续， 雨水不断由表层入渗到土体内 部， 使得土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态， 基 质吸力降为0， 土体在不同时刻其含水量不断发生变 化 ［14-15］。由图10、 图11可知 在天然状态下， 土体位 移量最小， 为48 mm， 安全系数为1.323， 边坡处于稳 定状态； 降雨第2 d， 土体坡脚处位移量开始增大， 但 2019年第11期邱胜光 降雨入渗对非饱和土体边坡稳定性影响及治理对策 65 ChaoXing 总体处于弹性状态， 安全系数为1.169， 边坡仍然处于 稳定状态； 当降雨持续到第3 d时， 坡脚处位移发生 显著变化， 位移量约579 mm， 边坡内部土体开始发生 屈服现象， 土体出现剪切破坏， 边坡安全系数为 0.907， 边坡易出现滑动失稳现象； 降雨停止后， 土体 位移变化趋小， 安全系数为1.081， 边坡发生失稳破坏 后， 应力场重新分布， 处于另一种极限平衡状态 ［16］。 降雨持时与边坡潜在滑动面的关系如图 12 所 示。 由图12可知 在初始状态条件下， 由于自重应力 场作用， 坡脚处应力集中作用下， 滑动面穿过坡脚折 点处； 降雨2 d后， 雨水渗入到土体表层， 边坡内部水 位线没有抬升， 边坡表层土体处于暂态饱和区， 有效 重度降低， 强度参数降低， 故边坡表面容易发生冲刷 破坏； 降雨持时为4 d时， 土体内部含水量达到极限 状态， 土体为饱和土体， 渗透系数达到最大值， 土体 内部出现饱和区域， 水位线随着降雨入渗的持续， 内 部水位线发生显著抬升， 滑动面区域的土体强度参 数降低明显， 故滑弧较深， 边坡潜在滑动面具有由浅 变深的趋势； 降雨停止后， 土体内部应力重分布， 土 体由饱和转为非饱和， 基质吸力恢复， 故边坡潜在滑 动面的深度开始变浅 ［17］。 3. 3边坡治理对策 （1） 在降雨工况下， 由于降雨入渗是一种饱和 非饱和过程， 根据降雨持时与边坡潜在滑动面的关 系可知， 在降雨初期， 主要使物料表层及内部形成暂 态饱和区， 土体内部体积含水率来不及发生变化， 雨 水进入土体表层产生冲刷破坏， 使得边坡表层可能 出现局部不稳定而产生滑移现象， 可以采取绿化或 网喷混凝土治理措施。 （2） 若持续降雨时间较长， 非饱和土体内部体积 含水率达到极限， 过程表现在稳定地下水位升高， 引 起边坡内水荷载的增大， 由水位线变化与边坡安全 系数、 强度参数与含水率之间关系可知， 水位线升 高， 安全系数总体呈降低趋势， 体积含水率增加， 强 度参数降低。因此， 在边坡治理时可以采取安设排 水管措施， 降低内部浸润线， 提高边坡稳定性。 （3） 若降雨持续时间较长， 土体内部结构可能受 到雨水浸泡影响发生软化， 强度参数降低。因此， 可 在坡面建立排水沟系统， 进行平台反坡处理， 使地表 水快速排出。 4结语 降雨对边坡稳定性的作用受到诸多因素的联合 影响， 根据饱和非饱和土力学理论， 利用室内试验 以及有限元方法对降雨入渗作用下的边坡稳定性进 行了饱和非饱和数值分析， 并对边坡治理措施进 金属矿山2019年第11期总第521期 66 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ 行了讨论， 对于非饱和土体边坡治理有一定的参考 价值。 参 考 文 献 曹兰柱， 张剑锋， 王东.软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机 理与控制 ［J］ .金属矿山， 2019 （5） 43-47. Cao Lanzhu， Zhang Jianfeng， Wang Dong. Instability mechanism and control of the dump slope with soft inclined composite basement ［J］ .Metal Mine， 2019 （5） 43-47. 刘子振， 言志信， 彭宁波， 等.持续小强度降雨入渗对非饱和土 边坡稳定性的动态影响 ［J］ . 土木建筑与环境工程， 2012， 34 （4） 19-23. Liu Zizhen， Yan Zhixin， Peng Ningbo， et al.Dynamic influence of sustained small-rainfall infiltration on stability of unsaturated soil slope ［J］ .Journal of Civil， Architectural and Environmental， 2012， 34 （4） 19-23. 刘金龙， 栾茂田， 王吉利， 等.降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流 及稳定性分析 ［J］ .岩土力学， 2006， 27 （S） 103-107. Liu Jinlong， Luan Maotian， Wang Jili， et al.Seepage and stability analysis of saturated-unsaturated soil slope under rainfall infiltra- tion ［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2006， 27 （S） 103-107. 张春， 吴超.排土场散体物料强度对边坡潜在滑动面的影 响 ［J］ .金属矿山， 2015 （1） 133-137. Zhang Chun， Wu Chao.Influence of strength of the dump granular materials on the potential sliding surface of slope ［J］ .Metal Mine， 2015 （1） 133-137. Collins B D， Znidarcic D.Stability analyses of rainfall induced land- slides ［J］ .Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineer- ing， 2004， 130 （4） 362-372. Mohamed T A， All F H， Hashim S， et a1. Relationship between shear strength and soll water characteristic curve of an unsaturated granitic residual soil ［J］ .American Journal of Environmental Scienc- es， 2006， 2 （4） 142-145. 赵尚毅， 郑颖人， 张玉芳.有限元强度折减法中边坡失稳的判据 探 ［J］ .岩土力学， 2005， 26 （2） 332-336. Zhao Shangyi， Zheng Yingren， Zhang Yufang.Study on slope failure criterion in strength reduction finite element ［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2005， 26 （2） 332-336. Huang M， Jia C.Strength reduction FEM in stability analysis of soil slopes subjected to transient unsaturated seepage［J］ . Computers and Geotechnics， 2009， 36 （1/2） 93-101. Oh W T， Vanapalli S K.Influence of rain infiltration on the stability of compacted soil slopes ［J］ .Computers and Geoteehnics， 2010， 37 （5） 649-657. 吴宏伟， 陈守义， 庞宇威.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的 参数研究 ［J］ .岩土力学， 1999， 20 （1） 1-14. Wu Hongwei， Chen Shouyi， Pang Yuwei.Study of effects of rain in- filtration on unsaturated slopes ［J］ .Rock and Soil Mechanics， 1999， 20 （1） 1-14. 李萍， 张毅， 房明.土质高边坡的降雨渗流场数值模拟分 析 ［J］ .建筑科学， 2009， 25 （1） 28-31. Li Ping， Zhang Yi， Fang Ming.Numerical simulation of seepage field of high soil slope under rainfall ［J］ .Building Science， 2009， 25 （1） 28-31. 李兆平， 张弥.考虑降雨人渗影响的非饱和土边坡瞬态 安全 系数研究 ［J］ .土木工程学报， 2001， 34 （5） 57-61. Li Zhaoping， Zhang Mi.Effects of rain infiltration on transient safety of unsaturated soil slope ［J］ .China Civil Engineering Journal， 2001， 34 （5） 57-61. Dawson E M， Roth W H， Drescher A.Slope stability analysis by strength reduction ［J］ .Geotechnique， 1999， 49 （6） 835-840. 栾茂田， 武亚军， 年廷凯.强度折减有限元法中边坡失稳的塑性 区判据及其应用 ［J］ .防灾减灾工程学报， 2003， 23 （3） 1-8. Luan Maotian， Wu Yajun， Nian Tingkai.A criterion for uating slope stability based on development of plastic zone by shear strength reduction FEM ［J］ .Journal of Disaster Prevention and Miti- gation Engineering， 2003， 23 （3） 1-8. Liu Z Z， Yan Z X， Duan J.Couple analysis on strength reduction theory and rheological mechanism for slope stability ［J］ .Journal of Central South University of Technology， 2008， 15 （Sl） 351-356. 杨庆， 贺洁， 栾茂田.非饱和红粘土和膨胀土抗剪强度的比 较研究 ［J］ .岩土力学， 2003， 24 （1） 13-16. Yang Qing，He Jie，Luan Maotian. Comparative study on shear strength of unsaturated red clay and expansive soils［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2003， 24 （1） 13-16. 汤有光， 郭轶锋， 吴宏伟， 等.考虑地表径流与地下渗流 耦合的 斜坡降雨入渗研究 ［J］ .岩土力学， 2004， 25 （9） 1347-1352. Tang Youguang， Guo Yifeng， Wu Hongwei， et a1. A preliminary study of rainfall infiltration on slope using a new coupled surface and subsurface flow model ［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2004， 25 （9） 1347-1352. （责任编辑王小兵） 2019年第11期邱胜光 降雨入渗对非饱和土体边坡稳定性影响及治理对策 67 ChaoXing