降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究

2019 年 6 月

水利水运工程学报

HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING

No. 3Jun. 2019DOA10.16198/j. cnki. 1009-0X. 2019. 03. 012林国财，谢兴华，阮怀宁，等.降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究[J].水利水运工程学报，2019 % 3 )： 95-102. (LIA Guocai, XIE Xinghua, RUAN Huaining, ct at. Study on slope stability weakening process along with infiltration by raiPaf [ J ]. Hydro-Science and Engineering, 2019(3) : 95-102. (in Chinese))降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究林国财.2，谢兴华2，阮怀宁1，朱珍德1，卢斌2，徐晨城.2，路晓刚4(1.河海大学土木与交通学院，江苏南京210098； 2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国 家重点实验室，江苏南京210029； 3.海东市平安区水利局，青海海东810699)扌商要：天然降雨和高坝泄洪雾化雨入渗对大坝下游边坡有两方面影响，一是升高含水率使土体重度增加，导致

其下滑力增加;二是升高土体含水率，降低土抗剪强度和阻滑力。因此，降雨入渗引起的滑坡时有发生)对此

设计了室内人工降雨物理模型试验，分析研究砂土质边坡降雨入渗情况下,边坡内部水分扩散过程和规律以及

暂态饱和区扩展过程，计算各入渗时刻边坡的安全系数，分析入渗发展对边坡稳定性变化过程及其特征的影 响)试验分析结果表明:降雨入渗率先在边坡表面形成暂态饱和区，随着降雨持续，暂态饱和区逐渐扩大;雨强

越大，降雨期间形成的暂态饱和区越大，边坡稳定安全系数的降幅就越大;试验得到了降雨入渗深度随降雨历

时和强度变化的经验式。增大降雨强度会使试验砂土的含水率更接近于饱和含水率，但无法使砂土完全饱和。

降雨入渗对边坡稳定性的影响不仅仅发生在降雨过程中，降雨停止后，水分入渗过程延续，边坡稳定性持续降

低，水分入渗在一定的延后时间内继续威胁边坡安全。雨强为144 mm/h条件下边坡稳定安全系数在6 h时降

到了最小值1.196,最大降幅达38. 2%。关 键词：降雨入渗；暂态饱和区；非稳定渗流；物理模型试验中图分类号：TU457； P2.2

文献标志码：A 文章编号：1009标40X(2019)03标095标8高坝泄洪时，由于水流掺气、散裂和水舌入水时的溅水形成雾化流,雾化流受上游大气与水舌风及下游

地形条件的综合影响，在大坝下游附近一定范围内形成一种密集雨雾现象［1］。泄洪雾化形成的密集强降雨

会引起很多边坡稳定问题。天然降雨尤其是暴雨也是引起边坡发生失稳的原因之一。泄洪雾化雨或强降

雨对边坡稳定性的影响主要体现在两个方面,强降雨落到边坡表面时,大部分水分在表面形成径流，带走了 边坡表面的土体颗粒;另一部分水分入渗到边坡内部。雨水的入渗使边坡非饱和区上部的含水量逐渐增

大，基质吸力逐渐降低，土体的实际凝聚力减小，导致土体抗剪强度降低，减小了边坡阻滑力，使边坡的稳定 性下降。随着雨水入渗，边坡非饱和区的孔隙水压力暂时升高，产生暂态的附加水荷载使边坡下滑力增加。 同时，在边坡土体非饱和区出现暂态饱和区和暂态水压力虽然是暂时的，但对边坡稳定性的影响却至关重

要。以上两种诱发方式均为土体含水率变化引起的，可见针对边坡土体含水率的变化来研究边坡失稳具有 实际意义。针对降雨入渗引起边坡失稳问题的研究方法主要有数值模拟和物理模型试验。Sammof等#2$用

Galerkin有限元法模拟暂态渗流过程，并对边坡稳定性进行了参数研究。Huang等［3］建造了长2- 29 m、宽 0.5 m、高0.84 m的粉砂边坡,分析了含水率、孔压、位移随时间变化的规律，提出了基于含水率、孔压、降收稿日期：2018-11-06基金资助：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0401704)；国家自然科学基金重点项目％51539006)；国家自然科学基

金雅聋江联合基金资助项目(U1765202)作者简介：林国财(1993—)，男，福建漳州人，硕士研究生，主要从事边坡渗流研究。E-mOl：3439494@qq. com

通信作者:谢兴华％ E-mail: iamxiexh@ 163. com)96水利水运工程学报2019年6月雨强度和历时的包络线来分析边坡破坏的理论。Tohaf等#4$在长2. 4 m、宽0. 9 m、高1.2 m的模型槽内分

别进行

质、水位升降快慢 质、雨强 条件下共4 试验，得出 工况下边坡的破坏模式，指出 、 ，要

初始含水 低、渗 性 的 ，在降雨入渗过程中，含水率的

末，张有天等#6-$

可 两个阶段。Coans等#5$自 长2.4 m、宽0.9 m、高1.2 m的室内模型槽，研究了渗流诱发 破坏造成的含水位移 渗流场

。国学 这方面的研究起始于20 入渗对岩质边坡的性 研究。王 等#8$ 雾 的边 与渗流场 有着重要关系，在 边 与否

。林 州等910$

模拟试验，

长4m、宽1.015m、高2 m的模型槽进行试验，进行了粉细砂与粉土边坡的 的初始基质吸力场、雨强

散粉土在 。

# 12$质结构在降雨条件下的

强和边

特性。李波#⑴选 长3.8 m、宽0.5 m、高2. 2 m的模型

验,发现松散粉土边坡在强降雨条件下可能发

条件下进行试选 长2.0 m、宽1.0 m、高1.2 m的模型槽试验，研究砂土、粉 在 、雨强下的破坏 ， 在降雨过程中 、 线的 。综上所述,前人对降雨入渗造成边坡失稳进行了大量研究。

程

，研究暂

的扩展过程，计算各个

边坡的

观测降雨入渗到边 的水分扩展过程，本文设计了室内人工降雨物理模型试验，研究在降雨入渗情况下，边

安全系数，

性 过程的 。水 散的 过降入渗对边坡稳定1室内人工降雨模型试验设计1.1室内人工降雨模型为分析降雨入渗对边 性变化过程的影响，设计了一套室内人工降雨模型。模型由4部分组成，分别是有机玻璃模型槽、边

有机玻璃，模型槽四周用角钢

、降 系统、 集系统。；

1 试验边坡模型，有机玻璃模型槽尺寸为:长2.4 m，宽1 m，高1.4 mo模型槽材质采用10 mm厚

示入渗 的移 过程， 面 入渗进行试验。坡面 面

入渗情况下，坡面 6 mm厚玻璃封盖，在 入渗，便于观察边

水分运动过程。

1.18 m处往上开 个25 cm宽的 ，形成水从 渗

9 cm厚多孔砖将模型整 高，防

入边坡。人工降雨控制系统由降雨喷头、输水管、水泵、控制系统等组

成。人工降雨设备的降 域 5个 域，可模

降

降雨强度范围的人工降雨，最大降雨强度为2 700 mm/h。本试验 的域，可模拟的降雨强度范围为0〜400 mm/h。监测系统集仪为的介电接的是自制的含水率传感器，与传感器连接的 INV306u智信

集处 仪。含水率的

的介电特性测

常数起决定性

的 过程。，因而可以利 水水图1边坡模型Fig. 1 Slope model，通过测量传感器正负极的电 来 边坡相应位

含水率传感器布置原则是应能尽可能地测定边坡内部的含水率分布。本试验研究的是二维条件下的

降雨入渗过程，因此可认为每个断面的情况是相同的。为减少边界形成优势渗流面对试验结果的影响，传感器布置的位置应远离模型边界。平行 面布置4排、总计24个含水率传感器。边坡宽 1 m，在宽度方向上20，40，60和80 cm的位置分别设1，2，3，4共4个观测断面（图2），每个断面布置6个传感器，具体布置见图3，其中编号m-n表示第m个断面第 > 个传感器。第3期林国财，等:降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究97240图2观测断面示意（单位:cm）Fig. 2 Schematic of observation section （ unit： cm）图3传感器布置示意（单位:cm）Fig. 3 Sensov layout diagram （unit：cm）1.2试验土体某水电站坝高300余米,DJ4堆积体位于尾水出口下游600 m左右，临河分布,堆积体上未见明显的开

等 象， 然 堆

砂

利于堆

整体处于基

试验

，但堆 陡，且堆

的 ，目堆积体中部可 模的 性差。堆 岩 为 5. 0 \\ 10 一4 cm/s。堆 算提出，位 的第四系 的平 渗透系数堆积体的表面土层渗透系数，配制得到相似的砂土作为降雨入渗物理试验的介质。试验所用砂

土初始含水率为5.4%。降雨试验开始前，控制填筑密度在1.55 g/cm3，进行常水头试验测量得到砂土的饱 和渗透系数为6. X 10 一4 cm/s。1.3工况设计气象部门规定:当12 h雨量不小于140 mm或者24 h雨量不小于250 mm时即为特大暴雨;

1984年 ：70 mm/h的降雨强 可.

起滑坡的临界值;南京水利科学研究院研究指出50〜200 mm/h对建筑物边 大# 13呵。 DJ4堆 边坡位 砂 渗透系数，选 72,108 144 mm/h共3利降雨强度工况， 工况降 长3 h,降 继续监测24 h边 测点的含水率，总监测时长27 h。2试验结果分析2.1边坡降雨入渗规律2.1.1降雨入渗过程 下面以工况1为例说明降雨入渗

30Bill-■-埋置深度为10 cm 埋置深度为30 cm 埋置深度为50 cm 埋置深度为70 cm边坡的过程，图4为降雨强 72 mm/h条件下边坡内不深监测点的含水

72 mm/h条件下3，15

20过程曲线，图5 降雨强27 h的边

水率等值线图。10在初始状态下，土的含水率为5.4%，降雨开始后，雨 水开始入渗到边

成

，表面的砂 先被 ，在 面形0

， 水往 往两 散。 传感器5 10

时间/h15 20 25 30还没有检测到任 的数值 ，原 降雨入渗图4工况1监测点含水率变化曲线Watev content curva of monitorin/ pointt in plan 1的水分没有 边坡上层的含水率传感器的位置，布

边坡上部的4 - 1号监测点（埋置深度为10 cm）在0.5 h监Fg 498水利水运工程学报2019年6月测到明显的含水率变化。而布置于边坡底部的1-6号监测点（埋置深度为70 cm）在3 h的降雨阶段仍未产

大的含水

，试验8 h 有 的含水 。降雨阶段3 h

1.21.0,边坡上 域形成块含水率较大的区域。0.2700.2400.2100.180 0.150 左0.8强0.60.120彳呃0.0900.0600.0300.40.200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.400.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

0.1650.1500.1350.1200.1050.0900.0750.0600.0450.0300.0150(c) 27 h图5降雨强度为72 mm/h的边坡含水率等值线Fig. 5 Contous map of slope moisture content with rainfall intensity of 72 mm/h工况1的试验结果显示！（ 1 ）各个监测点位置含水率的变化趋势基本相同，呈现一种先快速上升而后较平 降至平稳的过程。但在开始 的 的

点上略有 ，边坡上部的含水率先升高；（2）暂先在边坡上 成,随着降 续进行，暂

力 往 展，上 暂 初始含水率。而位于边

逐渐扩大;％3）降 水率开始降低，并逐渐

，暂 的水分继续在重水率大于， 的

的 ，含水 升高，试验 的 水 样大于初始含水率。2.1.2 降雨强度对入渗过程的影响 图6为降雨3 h的边坡含水率等值线分布）（a）降雨强度为72 mm/h0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

水平距离/m(b)降雨强度为108 mm/h水平距离/m（c）降雨强度为144 mm/h图6降雨3 h的边坡含水率等值线Fig. 6 Contous map of slope wates cut aftes three hours第3期林国财，等:降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究99

图7为监测点4-1和1 -6 (监测点位置见图3,埋置深度分别为10和70 cm)含水率变化过程曲线。降

续3 h,

降雨强度条件下水分入渗的深

范围 ，雨强越大，水 散范围越广,暂越大。图7监测点含水率变化曲线Fig. 7 Moisture content curvv of monitorin/ pointe降雨强度对水分入渗边坡形成暂态饱和区的影响主要有以下几个方面:(1 )水分入渗深度 水分入渗深度-降雨历时曲线如8 示。降雨阶段，

边上方源源 的降 、续

入渗，水入渗深，水在重力

着 近

力

长，从 8可以看出，水入渗最大深度与线性关系;水 入渗深度与降雨强度存在正相水 入渗的深度越大。，降 强 72 mm/h的水分入渗深系，降 强度越大， 降雨阶段3 h

51.4 cm；降强 108 mm/h时，水入渗深58.8 cm,而降雨强度最大的144 mm/h的水分入渗深

到了 65.5 cm。将试验 的水分入渗 导入到ori/in降雨历时图8水分入渗深度-降雨历时曲线Fig. 8 Relationship between infiltration depthand duration软件进行 ，试验砂土的水分入渗深

降雨强度的经验计算式：式中:h为水分入渗深度(mm)汀为时间(h ) ;/为降雨强度(mm/h )h % 199. 3851 - 0. 319/ + 0.466〃 - 21.652 .2 + 0. 005 尸 + 二0.992 ；(2)水 入渗

，

降雨强 着水分入渗边坡的表1含水率升高响应时间Tab. 1 Time of watev conteni increasin/的降雨强度条件， 深的监测点监测相同，

1。 深小的的含水 的

监测点 水 的 差异

水 的

，时工况降强(水升高

*深 70 cm 处mm • h _1 )72埋深10 cm处短。埋深大的监测点

，降强

差异较10.500.508144 mm/h时，深70 cm处4h 检23108144测 8 h

的 水 ， 降 强 72 mmsh 位在检测到,二 相差4h。降 强度越大，入渗的水快的速0.25分越多，水 受到的重力和压力越大，

入渗。(3)边坡极限含水率试验过程中,边坡内土体含水率的提高全部来自于降雨的补给,3 h的降雨阶段,1003 降 强度条件

水利水运工程学报2019年6月的极限含水

大些，但存在

接近。表2边坡极限含水率降雨强度大的边坡的极限含水

论

水率30% （表2 ）。砂

Tab. 2 Extremum of wates content的孔隙，可 被压，但工况降强降阶段限试验27 h 限水 /%降雨入渗的水分会填充这

缩成密闭的

o隙，

(mm - h 1 )水 /%，增大降雨强度会

127227.527.812.814.6108144降雨强度越大，降雨阶段3 h后边坡内部形成的暂328.317.8越大。降 ，这存储在暂 I和区内的水分被释放出来，在重力的 域扩散，试验结束时边坡砂土的极限含水率与降雨强度17.8%,比降雨强

72 mm/h的12.8%要大呈正相 多。系，其中降雨强 144mm/h的 限含水

2.2降雨入渗过程对边坡稳定性变化的影响究降雨入渗对边 性 的 水的范围，

，计算边 3，中

安全系 ， 水率升高导致强度降低个域 水 应切试重 的。

的重

水等值线图划 的区域，

抗剪强 ， 计算 聚力

水率的黏聚力 摩擦角的值由三

水

验测得。 相 的砂 摩擦角代替初始的黏聚力 摩擦角， 实际重度代替初始重度。计算得到不同工况不同时刻的边坡抗滑稳定安全系数见表4,边坡安全系数变化曲线见图9o表3边坡稳定安全系数计算参数Tab. 3 Calculation parameters含水率/%密度/( g - cm' 3 )重 * .N・m'3 )7/。32.8832.2133.74c/.Pa32.5820.7913.240〜66〜121.596 51.6 515.96516.517.82518.75519.68512 〜1818 〜2424 〜301.782 51.875 535.0133.9.9410.图9边坡安全系数变化曲线Fig. 9 Slope safety factos change cuwe1.968 5表4试验过程边坡安全系数变化Tab. 4 Slope safety factos change during test工况降强*mm +-h-1 ）初始安全系数3 h时安全系数3 h 降幅/%最小安全系数最大降幅/%最小安全系数时刻12721.9351.9351.9351.4961.4531.41322.71.2991.21132.h6h6h10814424.927.037.438.231.196由表4和图9可见，降雨阶段边坡稳定安全系数降低幅度与降雨强度呈正相关关系，降雨强度越大，边 安全系数降低得越多，降

边 性 越大。个

降 ，边 的 安全系数会继续下降，会在降雨结束一段时间后的

144 mm/h的边

点达到最低值,最低值，降幅为

在 点后，边 安全系数会缓慢升高。降强 72 mm/h的边

32.8%；降 强

安全系数在9 h最低值，降低幅 安全系数在6 h

第3期林国财，等:降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究10138. 2% '边坡稳定安全系数最小值与降雨强度的关系是降雨强度越大，边坡稳定安全系数最小值越小。降雨阶段，降雨入渗在边坡内部形成暂态饱和区,使砂土的含水率升高。一方面,土体重度增加，增大

了下滑力;另一方面，土体的黏聚力降低，抗剪强度降低，导致边坡的稳定安全系数下降。降雨停止后，暂态

饱和区的水分会继续往边坡下部渗透,在降雨过后一段时间内对边坡稳定性造成持续性危害。3结语本文设计了室内人工降雨物理模型试验，研究在降雨入渗情况下,边坡内部水分扩散的时间过程及分

布规律，研究暂态饱和区的扩展过程,计算各个时刻边坡的稳定安全系数，分析降雨入渗对边坡稳定性变化 过程的影响。研究得到以下结论：% 1)降雨入渗率先在边坡表面形成暂态饱和区，随着降雨的进行,暂态饱和区逐渐扩大；降雨停止后,暂 态饱和区内的水分会持续向下渗透。%2)降雨强度是影响降雨入渗因素，主要体现在边坡的水分入渗深度，速率和极限含水率3个方面。得 到了降雨阶段水分入渗深度随降雨历时和降雨强度的经验公式。%3)降雨强度越大，降雨阶段形成的暂态饱和区越大，水分入渗越快。增大降雨强度会使试验砂土的含 水率更接近于饱和含水率，但无法使砂土完全饱和。%4)降雨强度是影响边坡稳定性的因素;降雨强度越大，降雨阶段边坡内部形成的暂态饱和区就越大,

边坡稳定安全系数的降低幅度就越大。其中降雨强度为144 mm/h条件下稳定安全系数降低到1.413,降低 幅度为27.0%O%5)降雨入渗对边坡稳定性的影响不仅仅发生在降雨过程中,降雨停止后一定时间内,水分会继续入

渗，对边坡的稳定性持续造成危害。降雨强度为144 mm/h条件下稳定安全系数在6 h时降到了最小值

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Water Resources and H-ydrauli/ Engineering, Nanjing H-ydrauli/ Researc/ Institute, Nanjing 210029, China ； 3. Hailong Ping'an District Water Conservanc/ Bureau, Haiiong 810699, China)Abstract: Natural rainfall and atomization rain will make infiltration into slops with a ceOain time process, which PCuw/s ths slops stabWity in ths downstream of high dam. Ths PCuwco maniPsts in two aspects, on ths one

hand, ths increase of water content increases ths bulk density of ths soil, resulting in an incovse in ths sliding

force of slope； on the other hand, the soil moisture content increases, which makes the shear parameters of slope reduced. Engineefng events caused by rainfall infiltration occur fwquenWy. In the study, an indoor aOificialIainaaophysicaomodeotestwasdesigned tostudythep ocesand oawoawateIdiausion and theeipansion pIocesoa transient saturation zone in ths slops dufng rainfall infiltration of sand slops. Ths sOety /cWo of slops was calculated W analyze ths eVecl of rainfall infiltration process on slops stability. Ths test results showed that a transient saturated zone was irmed fiwtly in ths sufOco of ths slops. As ths rainfall continued, ths transientsaturation zone gioduOly expanded. Ths grevtsr ths oP/0 intensity, ths larger ths transient saturation zone fowned by ths rainfall process, and ths greater ths reduction of ths slops safety fOctow Ths empiWcal fownulx of ths water

infiltration depth along with ths rainfall duration and rainfall intensity was obtained. Increasing ths oP/0 intensity would make ths water content of ths test sand /ossr W ths saturate water content, but ths sand wouldn't completely satueate.Theeaectoaeainaaoinaioteation in soopenotonoyoccu ed dueingtheeainaaopeoces.Aateetheeainaao

stopped, thewateeinaioteation peoceskepteiisting, thestabioityoathesoopecontinued todeceease, and thewatee did haem tothesoopein aceetain deoaytime.In thecaseoaeainaaointensityoa144 mm/h, thestabioitysaaety

factor of ths slops decreased to a minimum of 1. 196 at 6 h, with a maximum decrease of 38.2%.Key words : rainfall infiltration ； transient saturated zones; unstabU seepage; physical model test