降雨对非饱和岩体滑坡影响研究分析姚飞翔

姚飞翔

摘要：结合工程实际,主要研究饱和~非饱和渗流场的数值分析方法,探讨水力传导系数和容水度的确定方法以及边坡稳定的非连续安全评价方法等方面研究现状的问题，从而对降雨对非饱和岩体滑坡影响进行研究分析。

关键词：维

一、引言

滑坡的发生严重威胁到人民生产生活和财产安全，根据2016年全国地质灾害通报[1]，全国共发生地质灾害9710起，直接经济损失31.7亿元。其中滑坡7403起，占地质灾害总数的76.2%。

统计结果表明，全国范围内暴雨诱发的滑坡占滑坡总数的90%[2]。降雨与滑坡的发生有着密切的关系。在浙西淳安地区，受梅雨的影响，滑坡事件发生数量月际分布呈典型的“单峰”结构，如图1-1所示[3]。

图1-1浙西淳安地区滑坡事件发生数量月际分布

以上研究都表明滑坡和降雨关系密切，因此，对由于降雨因素导致边坡失稳的作用机制进行更加深入的研究，不仅对为建立更加科学的边坡稳定性理论体系及评价方法体系提供依据，而且在防灾减灾具有重大的理论意义和实践意义。

二、降雨对非饱和岩体滑坡影响研究现状分析

2.1非饱和土研究现状

非饱和土中，水的含量与基质吸力有一定的对应关系，通常把这种对应关系称为土-水特征曲线（SWCC）。非饱和土的土-水特征曲线是研究非饱和土应力状态、抗剪强度及渗透性的基础，对分析工程问题，如边坡稳定性评价等具有重要意义。

SWCC的确定方法，归纳起来可以分为两大类：1、直接测定法，同时发展了多种经验公式来表述土体含水量和吸力的关系，建立了多种模型；2、间接推求法，主要利用易于测定的土体物理特性来推求土体水分特征曲线。

许多专家、学者利用最小二乘法对土—水特征曲线的实验值进行拟合，得到了不同的公式。根据公式中参数的数量，可将其分为2参数模型和3参数模型。目前在岩土工程界比较常用的有以下几种模型,主要包括：Van-Genuchten模型、Fredlund-Xing模型以及Brooks-Corey模型。

2.2非饱和岩体研究现状

在孔隙裂隙岩体边坡中，储水空间由岩体基质孔隙和裂隙共同组成，孔隙水压力由非饱和区岩体基质孔隙和微裂隙共同作用产生。对于这类双重孔隙介质，研究其非饱和水力特性，研究降雨对边坡稳定性的影响具有重要的理论意义和实用价值。

非饱和岩体中，关于持水曲线的确定有两种方法——直接法和间接法。

（1）直接法

物理模型试验法属于直接法，就是用人造裂隙直接通过水-油拟稳态驱替试验或二相流试验来研究单裂隙非饱和渗流，借用孔隙介质拟合模型拟合出水力参数之间的经验关系式。物模试验法所借用的孔隙介质拟合模型主要有Van-Genuchten模型和Brooks-Corey模型。

张文达利用压汞试验对砂岩进行了毛细管压力测定。叶自桐利用互不溶混驱替法测定单裂隙花岗岩的毛管压力和饱和度的关系，试验结果表明裂隙非饱和渗流毛管压力—饱和度关系曲线与空隙介质水分特征曲线具有相似性。

（2）间接法

关于非饱和岩石的间接推求法包括数值模拟和数学推导法。

数值模拟法：通过建立实际裂隙或由数值模拟技术生成的裂隙随机样本，利用立方定理和基于毛细吸持理论的Laplace方程，计算求得相应的饱和度或相对渗透率，进而得到类似于物模试验的毛细压力-饱和度关系数据系列和相对渗透率-毛细压力关系数据系列，拟合模型拟合出经验关系式。

针对裂隙孔隙岩体，孙树林基于微观结构特征和毛细管理论，推求得到只考虑孔隙，裂隙和两者综合考虑情况的持水曲线。任强等建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。杨秀竹等基于非连续裂隙模型，运用蒙特卡洛法生成裂隙，并对裂隙进行筛选，最终得到有效裂隙，并采用Matlab编制裂隙岩体渗透张量的计算程序。

数学推导法：在缺少试验资料时，可对单裂隙非饱和渗流作某些假设和简化，根据裂隙开度分布，通过数学推导给出单裂隙毛细压力饱和度和相对渗透率毛细压力（或饱和度）的关系式。

Wang和Narasimhan在推导上述两个关系式时假设：（a）裂隙中所有流动沟槽均互相平行，且水流方向也平行于流动沟槽；（b）裂隙壁面接触点引起水流的弯曲远小于气泡（非饱和渗流时气相占据的空间）引起的水流弯曲，故仅引进气泡阻碍因子τ来修正非饱和渗流时水流的迂曲。基于上述两条假设推导出的单裂隙相对渗透率和根据毛细吸持理论推导出单裂隙饱和度。

用数值法求解裂隙岩体非饱和渗流场需建立合适的数学模型。目前已有的数学模型可划分为以下四种：（a）等效连续介质模型；（b）离散裂隙网络模型；（c）双重介质模型；（d）离散介质连续介质耦合模型。

2.3降雨入渗理论

2.3.1入渗过程

根据非饱和土的入渗性能和供水强度的关系，有两种不同类型的入渗过程。

（1）无积水入渗过程

该情况下供水强度始终小于土的入渗性能。水分随供随即渗完，全部降水或者灌溉水都渗入地下，不产生地表径流。雨量不大的径流就是这种情况。此时，决定入渗率的不是土的性能而是供水强度。

（2）有压入渗过程

当供水强度相当大时，所供的水不能全部渗入地下，多余的水在地表形成积水或者径流。当暴雨或淹灌时常为此种情况。此时的入渗率由土的入渗性能决定。

2.3.2干土积水入渗和降雨入渗

2.3.3入渗率的确定

目前采用较多的入渗率确定方法有：

（1）以降雨强度作为流量边界的水流计算入渗率；

（2）按一定（不变）的比例将降雨强度减低，作为流量边界的水流计算入渗率；

（3）在进行入渗率的计算时，把降雨强度与土体渗透性的关系考虑其中。

（4）当遇降雨强度大于土坝坡面土体入渗能力时，入渗的强度就和土体入渗能力相等，边界条件为第一类边界条件；当遇降雨强度小于坡面土体入渗能力时，计算入渗速率取为降雨强度，边界条件为第二类边界条件。

在上述这四种处理方法中，方法一没有考虑降雨入渗随土体入渗能力的变化而改变的特性；方法二则是对边界条件的处理过于简单；方法三与方法四有相似之处，当也有差异；只有方法四能很好的模拟降雨入渗不同阶段的变化情况，考虑入渗率随土体入渗能力的变化而变化的特性，对顶面的流量以边界条件的形式加以控制。

设有一水平面，发生降雨强度为的竖q(t)直降雨(方向竖直向下，为正值），如图2-2所示。

2.4边坡稳定性分析

边坡稳定性分析主要包括极限平衡分析方法和数值分析法。

最常用的方法是传统的极限平衡分析方法，条分法是目前在土坡工程中较常用的稳定分析计算方法。条分法是由瑞典人彼德森于1916年提出的，后来经过了费伦纽斯、泰勒等人的不断改进。毕肖普等将土坡稳定安全系数凡定义为沿整个滑裂面的抗剪强度介与实际产生的剪应力之比，这使得安全系数的意义更加明确，而且使用范围更加广泛。

近几十年来，数值模拟方法迅速发展。数值模拟方法包括有限单元法，有限差分法，边界单元法和非连续变形分析法等,它们都是基于小变形假设，只适用于小变形和连续变形的情况，难以适应具有层面、裂隙面、节理面等结构面的岩体的大变形和非连续变形。

非连续变形分析是石根华博士基于岩体介质非连续性提出的分析块体系统运动和变形的一种新的数值分析方法，可以求解大位移和大变形问题,具有完全的运动学、严格的平衡要求、正确的能量守恒和高效率计算等特点，其基本原理是：节理面切割岩体形成不同的块体单元，单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系，但块体间不满足变形协调关系，块体间的本构关系是通过假定刚度来实现，DDA中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系。此法的计算网络与岩体物理网络一致，可以反映岩体连续和不连续的具体部位。

参考文献

[1]中国地质调查局.2016年全国地质灾害通报[J].中国地质调查局发展研究中心.2016.

[2]李媛,孟晖,董颖,等.中国地质灾害类型及其特征——基于全国县市地质灾害调查成果分析[J].中国地质灾害与防治学报.2004(02):32-37.

[3]冯杭建.浙西淳安降雨型滑坡发育规律及危险性评价研究[D].中国地质大学,2016.

作者简介：姚飞翔（1994.02-），男，浙江省杭州市人，在校硕士，中国地质大学（武汉），研究方向：地质灾害，边坡工程。