降雨入渗作用下非饱和土堤稳定性分析
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摘 要：针对降雨入渗条件下非饱和土堤的稳定性，文章采用Fortran软件结合强度折减系数原理以某段非饱和土堤为研究对象，考虑水力渗透系数特征曲线、修正的Mohr-coulomb破坏准则，建立了一个考虑非饱和渗流的应力应变模型。根据瞬时安全系数和抗滑薄弱区分布综合评判土堤的抗滑稳定性，得到降雨作用下土堤稳定性的若干规律。从分析结果来看：随着降雨的持续入渗，土体抗剪强度大幅度下降，抗滑塑性区始于堤脚并不断扩大，当降雨强度超过一定范围时，土堤稳定性与降雨强度的关系不再明显。
降雨开始后，雨水渗透浸润线不断向土堤下部扩展，并在渗透路径较短的堤脚处率先形成饱和区域，堤脚处开始形成塑性区，图2（a）。但坡脚节点位移增长缓慢；在17h后，上游流域地面土体大致饱和，地面径流使河道水位抬高，加之土堤上部雨水不断向下部浸润补充，堤脚极易形成超饱和区，并且这种超饱和区开始向内部扩展，孔隙水压力增大，基质吸力减少，节点位移迅速增加，塑性区向上延伸，如图2（b）；在50h后，雨水浸润线接近洪水浸润线，土体饱和趋于稳定，坡脚位移虽有增加但增长缓慢，此时土堤内部的塑性区接近堤顶，图2（c），折减系数达到最小1.43，并从图中可以清晰看到土堤边坡的抗滑薄弱面始于堤脚大致呈圆弧状向堤顶发展，这与瑞典分条法的假定是一致的。
（a） t=17h
（b） t=45h
（c） t=60h
图2 降雨时间对土堤薄弱区发展的影响
土堤稳定性不仅与降雨时长密切相关，同时又受降雨强度的影响。为研究降雨强度对土堤稳定性的影响，分别取R=0.42mm/h（小雨），1.24mm/h（中雨），2.49mm/h（大雨），5.83mm/h（暴雨），11.66mm/h（大暴雨），根据式（1）（2）改变模型透水边界的初始入渗流量值。为控制河道内洪水水位的影响，假设各不同降雨强度的水位在同时刻点相同并随时间逐级增加，计算各工况下的折减系数F与降雨强度R关系如图3。当降雨强度小于土体渗透系数k时，土堤表面的入渗速率取决于降雨强度R，因此不同降雨强度的曲线差异较显著；而当降雨强度继续增大并大于土体渗透系数k时，土堤表层土的饱和度并不会继续增加，而是以大致相同的速度向下推移，向下推移的速度取决于土体的饱和渗透系数，因此不同降雨强度的折减系数曲线差异较小。
为验证文章所采用方法的有效性，取降雨强度R=11.66mm/h，在已分析的抗滑薄弱面的基础上，采用基于极限平衡理论的瑞典分条法计算各对应工况的稳定系数如表2，对比发现两种方法吻合较好，最大差值为8.9%。不难发现传统方法较有限元方法偏大，主要是因为有限元方法考虑了土堤模型的初始应力、土体材料的应力应变关系及坡脚集中渗流所产生的渗流力等因素。
表2 不同方法安全系数对比
3 结束语
文章基于有限元理论，改进了传统极限平衡理论对土堤稳定分析的不足，建立一个考虑土-水耦合情况下的渗流模型，分析降雨强度对土堤稳定分析的影响规律。
（1）降雨入渗作用下土堤非饱和区体积含水率增加，引起土的抗剪强度降低，从而影响土堤边坡的稳定性。
（2）降雨条件下坡脚处易产生高饱和区，在渗透力作用下形成不稳定的抗滑塑性区，并向内部扩展。因此，在土堤施工和运行阶段，要做好土堤的排水工程措施。
（3）降雨强度越大，对土堤稳定越不利，但当降雨强度继续增大超过土体渗透系数时，这种差异不再明显，而是更多的取决于降雨历时。
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作者简介：孙文涛（1991-），男，汉族，河南商丘人，硕士研究生，华北水利水电大学，研究方向：水工结构数值分析及模型试验。