降雨强度与稳定入渗率关系的公式化分析

降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响摘要：降雨往往是引起边坡失稳的主要促发因素。

本文采用极限平衡分析方法，并结合算例，讨论了降雨入渗对边坡稳定性的影响。

计算结果表明，土体的初始体积含水率，降雨的强度和时间对边坡稳定性有重要的影响。

关键词：降雨入渗非饱和土坡边坡稳定性斜坡失稳是山区常见的自然地质灾害。

滑坡的发生与降雨的关系密切是早为人知的事实。

我国南方以及中南、西南地区广泛分布着粘性土，这些地区的山地或人工边坡经常在雨季发生滑坡，而且以浅层滑坡最为多见；在对基坑失稳事故的统计中，由于降雨诱发的就占很大比重。

这些都表明了土体边坡的稳定性与土体含水量的变化有很大的关系。

雨季边坡容易发生浅层滑坡，是由于近地表浅层土多为非饱和粘性土，雨水入渗使其饱和度增加，基质吸力降低，而基质吸力对表部边坡稳定性特别重要。

在降雨期间，随着含水量的增大，粘土的抗剪参数降低，从而土体本身的稳定性也降低。

此外，持续降雨还可引起地下水位上升或在相对隔水层以上出现暂时性地下水。

当持续降雨的历时和强度超过某种限度时，可导致土坡失稳。

浅层土的物理、力学性状因受气象因素影响随时都发生变化，而且滑坡常常给国民经济和人民生命财产造成巨大的损失，加上浅层滑坡的发生常带有突发性，且常常发生在强降雨期间。

如果在临时边坡或基坑工程设计、施工及防护中充分利用非饱和土的性质特点，不仅可以带来可观的经济效益，也可保证工程建设的安全进行。

因此研究降雨入渗对非饱和土稳定性的影响具有重要的工程意义。

1非饱和土边坡稳定性分析基本理论在土坡稳定性分析中，目前大都采用极限平衡法进行分析。

极限平衡法是根据土体沿着假设滑动面上的极限平衡条件进行，将潜在滑动面上可利用的抗剪强度除以安全系数而予以降低，使包围在滑动面和自出表面以内的土体处于极限平衡状态。

该方法已历经70年的应用和发展，人们在使用这类方法方面积累了相当多的经验，使得这类方法在计算分析方面有相当的精度。

同时，它能给出土坡的整体安全系数，另外，这类方法判别标准简单、明了、直观、使用方便，故极限平衡方法为工程界所广泛采用。

第六章流域产汇流分析本章要点本章的主要内容包括如下部分：1）介绍流域产流的机制，重点讨论蓄满产流与超渗产流；2）介绍流域产流计算的基本原理和方法；3）介绍流域汇流的基本概念和计算方法。

6.1 概述径流是自然水文循环过程中非常重要的一个环节，径流的产生和发展过程是水文学研究的重要内容。

河道任何一点的径流过程可以通过流量曲线的变化反映，而任意一点的径流过程都是流域上游径流过程综合之后得到的结果，是对整个流域降雨、融雪和其他水量输入的响应。

因此径流产生和发展过程并不是局部空间的水文现象，而是应该在流域尺度下进行研究。

径流的产生和形成是流域尺度上的综合问题，需要综合考虑其他水文过程，如降雨、入渗、饱和及非饱和土壤中的水流运动等。

尽管对这些水文过程单独加以研究已经有了相对成熟的方法，但是如何把这些理论加以综合得到解释流域产流机理的理论尚未取得令人满意的结果，其中一个很重要的原因是流域空间中的变异性太大，各个流域在很多方面都具有差异性。

研究径流的产生和发展过程，人为的可以把整个过程概化为产流阶段和汇流阶段两个阶段。

产流（流域蓄渗）指降雨经植物（树冠）截留、下渗和填洼等过程，形成地表和地下径流的过程。

产生的径流可以分为3种形式：地表径流（坡面流 Overland flow）、壤中流（Interflow / unsaturated flow）和地下径流（Groundwater flow）。

汇流则是指降落在流域上的雨水，从流域各处向流域出口断面汇集的过程。

汇流又可以分为山坡汇流和河网汇流两个阶段。

整个径流的产生和发展的过程可以用下图6-1示意：图6-1：径流产生及过程示意图本章主要研究的内容是地表径流的产流机理和汇流原理。

6.2 流域产流机理流域产流过程实质上就是流域中各种径流成分的生成过程，其实质就是水分经过流域下垫面（包括地面和包气带）作用之后对降水的再分配的过程。

因此不同的下垫面条件对应不同的流域产流机制（Streamflow Generation Mechanisms ），从而进一步影响到整个流域径流发展的过程也不相同。

福建省推理公式计算设计洪水手册一、基本公式：推理公式是无资料地区由暴雨推求洪水比较常用的方法，我省中小型水利工程设计洪水的计算也通常采用这种方法（一般在流域面积200km 2以下采用）。

它是假定汇流时间内降雨强度是均匀，并将汇形面积曲线概化为矩形，导出如下计算公式：当τ≥c t 时，即全面汇流情况下，F R Q m ττ278.0= (1)当τ<c t 时，即部分汇流情况下，F R F tc R Q tctc tc m τ278.0278.0==……..(2) 式中：m Q 为地表净峰流量(m 3/s )，F 为流域面积（km 2），tc F 为成峰的产流面积（即与tc 相应的部份面积中最大的一块，km 2）；τ为流域汇流历时（小时）；tc 为地表产流历时（小时）；τR 为汇流历时内的最大地表净雨量（毫米）；tc R 为产流历时内的地表净雨量（毫米）；0.278为换算系数。

二、设计暴雨的计算 1、查图法计算设计暴雨（1）查算设计流域各种历时的暴雨参数：根据设计流域所在地点，应用年最大各种历时的降雨量均值等值线图和变差系数等值线图，按地理内插法读取流域中心点的暴雨参数值，如果流域内有两条以上等值线通过，可按面积加权法计算。

（2）计算设计频率的各种历时降雨量：根据上步查算的各种历时降雨量的变差系数Cv 值，从皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数K P 值表中（Cs/Cv=3.5）分别读取设计频率P 的K P 值，乘以相应的历时降雨量均值即得。

（3）计算各种历时的面雨量：根据设计流域的面积和降雨历时，查读暴雨点面关系表（附表1），得暴雨点面折算系数α，乘以相应的点雨量即得（流域面积在10km 2以下直接采用点雨量，不打折扣）。

（4）推求设计雨量的时程分配：把上面所求的设计降雨量代入24小时（或三天）的设计雨型表（附表3），即得设计雨量的时程分配。

（5）设计净雨的计算：24小时的设计雨量不扣损，直接用设计雨量过程作为设计净雨过程。

福建省推理公式计算设计洪水手册一、基本公式：推理公式是无资料地区由暴雨推求洪水比较常用的方法，我省中小型水利工程设计洪水的计算也通常采用这种方法（一般在流域面积200km 2以下采用）。

它是假定汇流时间内降雨强度是均匀，并将汇形面积曲线概化为矩形，导出如下计算公式：当τ≥c t 时，即全面汇流情况下，F R Q m ττ278.0= (1)当τ<c t 时，即部分汇流情况下，F R F tc R Q tctc tc m τ278.0278.0==……..(2) 式中：m Q 为地表净峰流量(m 3/s )，F 为流域面积（km 2），tc F 为成峰的产流面积（即与tc 相应的部份面积中最大的一块，km 2）；τ为流域汇流历时（小时）；tc 为地表产流历时（小时）；τR 为汇流历时内的最大地表净雨量（毫米）；tc R 为产流历时内的地表净雨量（毫米）；0.278为换算系数。

二、设计暴雨的计算 1、查图法计算设计暴雨（1）查算设计流域各种历时的暴雨参数：根据设计流域所在地点，应用年最大各种历时的降雨量均值等值线图和变差系数等值线图，按地理内插法读取流域中心点的暴雨参数值，如果流域内有两条以上等值线通过，可按面积加权法计算。

（2）计算设计频率的各种历时降雨量：根据上步查算的各种历时降雨量的变差系数Cv 值，从皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数K P 值表中（Cs/Cv=3.5）分别读取设计频率P 的K P 值，乘以相应的历时降雨量均值即得。

（3）计算各种历时的面雨量：根据设计流域的面积和降雨历时，查读暴雨点面关系表（附表1），得暴雨点面折算系数α，乘以相应的点雨量即得（流域面积在10km 2以下直接采用点雨量，不打折扣）。

（4）推求设计雨量的时程分配：把上面所求的设计降雨量代入24小时（或三天）的设计雨型表（附表3），即得设计雨量的时程分配。

（5）设计净雨的计算：24小时的设计雨量不扣损，直接用设计雨量过程作为设计净雨过程。

四川建筑 第29卷2期 2009 04降雨强度对黄土边坡入渗性能影响的研究李守升,张俊云(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)摘 要 降雨入渗使得非饱和土边坡内含水量增大,进而令土的抗剪强度降低,这是降雨诱发浅层边坡失稳的重要原因之一。

通过有限元方法计算三种不同降雨强度下边坡内瞬态渗流场分析降雨入渗性能,数值计算结果表明:在历时3h 降雨以内,大于或等于土体饱和渗透性能的雨强条件下湿润锋深度相差不大,但饱和度明显不同;雨强越大,边界瞬时入渗量越大,稳定入渗量越大;在降雨期间,雨水不会以饱和入渗速度入渗,而是随时间呈非线性变化。

关键词 雨强; 边坡; 最大负孔隙水压; 瞬态渗流; 相对入渗量 中图分类号 P642 2 文献标识码 A近年来,国内外边坡地质灾害比较严重,如泥石流、滑坡等,这给经济建设造成了巨大的损失。

灾害发生的主要原因是降雨。

而边坡降雨的水文过程极其复杂,主要受土壤性质、降雨性质、地面形态和地貌等因素影响。

目前,国内外已有许多关于边坡降雨入渗规律的研究[1]~[3],但多侧重于坡体内孔隙水压变化来进行边坡稳定性分析。

关于黄土区边坡降雨向土壤水转化及运动规律方面仍需深入探讨。

1 二维瞬态渗流方程水在非饱和土中的流动同样服从D arcy 定律,与在饱和土中流动不同之处在于非饱和土中的渗透系数不是常量,而是饱和度或者基质吸力的函数。

D arcy 定律是多孔介质中流体的运动方程;质量守恒是物质运动和变化普遍遵循的原理,将质量守恒定律应用于多孔介质中的流体即为连续方程。

D arcy 定律和连续方程结合便可导出水分在多孔介质中的运动方程,见式(1)。

x k x h w x +y k y h w y= g m w 2h w t (1)式中:k x ,k y 分别为水平和垂直方向的渗透系数; 为水的密度;g 为重力加速度;m w 2为与基质吸力变化相关的含水量体积变化系数,即:m w 2=- w(u a -u w )(2)图1 非饱和边坡几何模型从式(2)看出m w 2也是土水特征曲线的斜率。

利用动态分析法分析降水入渗补给系数的变化规律姚建【摘要】Precipitation is the main recharge sources of regional water resources.In hydrology and water resources evaluation,especially the groundwater resources evaluation,the precipitation infiltration recharge isa very important recharge,so that in the mountain area,the quantity of groundwater resources is the precipitation infiltrationrecharge.Precipitation infiltration coefficient is a key parameter for calculating the infiltration recharge.This paper discusses on the change law of permeability in precipitation recharge coefficient by using the dynamic analysis method.%降水是区域水资源最主要的补给来源。

在水文水资源评价特别是地下水资源的评价中，降水入渗补给量是一个非常重要的补给量，以至于在山丘区，其地下水资源量就是降水入渗补给量。

降水入渗补给系数是计算降水入渗补给量的关键参数。

文章利用动态分析法对降水入渗补给系数的变化规律作了一些探讨。

【期刊名称】《黑龙江水利科技》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】3页(P1-3)【关键词】降水入渗补给系数;动态分析法;规律【作者】姚建【作者单位】辽宁省营口水文局，辽宁营口 115000【正文语种】中文【中图分类】P641.21.1 降水入渗补给量降水通过地面进入土中的那部分水量，即下渗的水量，首先在土壤吸力作用下被土壤颗粒吸附保持，成为土壤持水量的一部分，其中一些还要以蒸散发形式返回大气，剩余的部分水量才可成为自由水补给到地下水中，即为降水入渗补给量。

降雨强度与稳定入渗率关系的公式化分析作者：刘正风来源：《海峡科学》2010年第10期[摘要]稳定入渗率在设计洪水的计算中起着将一次净雨过程分割为地表净雨过程与地下净雨过程的作用,以前稳定入渗率fc的确定是由i～fc经验关系曲线人工读出的,对工程计算带来诸多不便,该文拟合了某地区i～fc经验关系曲线的一个表达式,并对此表达式与经验关系曲线的符合效果进行分析。

[关键词]稳定入渗率降雨强度经验关系曲线公式化1降雨强度i与稳定入渗率fc的经验关系稳定入渗率fc在设计洪水的计算中起着将一次净雨过程分割为地表净雨过程与地下净雨过程的作用,通常我们将各站各次洪水以次净雨平均强度i为纵坐标,以稳定入渗率fc为横坐标,点绘相关图进行综合分析。

相关点子数据见表1,相关点子图如图1所示(本文示例数据采为某地区的50次洪水的统计数据)。

表 1实测降雨强度i与稳定入渗率fc的关系表单位:mm/h项目 i～fc关系数据i(测) 0.0 4.0 4.0 4.4 4.4 4.6 4.8 5.0 5.0 5.5fc(测) 0.00 2.00 3.98 3.20 5.00 2.20 2.10 3.40 4.80 4.80i(测) 5.6 5.7 5.8 6.7 6.8 7.2 7.4 7.9 8.2 8.5fc(测) 3.10 5.20 1.70 4.60 2.80 7.80 6.30 2.90 3.40 2.10i(测) 8.8 9.0 9.1 9.2 9.3 9.5 9.8 9.9 10.2 10.5fc(测) 4.10 4.70 3.80 5.20 2.70 6.90 2.40 8.30 4.90 3.90i(测) 11.0 11.3 11.7 11.8 12.5 13.8 15.1 16.1 16.5 16.6fc(测) 5.70 6.20 4.70 7.10 7.70 9.60 12.50 4.90 4.50 9.70i(测) 17.4 18.2 18.6 19.0 28.2 31.0 35.0 40.0 50.0 60.0fc(测) 8.10 9.30 8.70 12.00 7.90 8.80 9.60 10.40 11.80 12.90图1净雨平均强度i与稳定入渗率fc相关点子图稳定下渗率fc是由地下径流分析得来,往往稳定下渗率fc大地下径流也大,在分割地表与地下径流时,退水段第二拐点位置的确定带来一定的任意性,所以i～fc的相关点在小洪水时比较散乱。

降雨条件下边坡渗流及稳定性数值模拟分析苏恒宇【摘要】为了研究苏北某高速公路旁边坡在降雨条件下的渗流和稳定性,通过Geo-studio软件的seep/w和slope模块,对边坡进行了不同工况(特大暴雨、暴雨、大雨、小雨)条件下的数值模拟,研究不同降雨强度、不同时间下孔隙水压力及安全系数的变化规律.结果表明:孔隙水压力随着降雨时间的增长呈上升趋势,安全系数呈下降趋势;降雨强度越大,孔隙水压力增大的越快,较易饱和形成表面径流;安全系数在降雨前中期降低较快,后期趋于平缓.【期刊名称】《江苏建筑职业技术学院学报》【年(卷),期】2019(019)001【总页数】4页(P28-31)【关键词】Geo-studio;降雨类型;边坡稳定;数值模拟;孔隙水压力;安全系数【作者】苏恒宇【作者单位】江苏建筑职业技术学院建筑管理学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TV223.6降雨使得边坡土体强度锐减,下滑力加剧,大量的边坡失稳事故都发生在降雨的天气条件下.因此,国内外学者在对降雨条件下边坡稳定进行了分析,做了很多研究工作[1].本文针对这个问题,利用Geostudio边坡渗流及稳定计算软件,以苏北某高速公路边坡为例,研究降雨条件变化对边坡渗流和稳定性的影响.1 计算原理1.1 非饱和渗流理论非饱和土体渗流分析,一般采用Richards来描述,方程如下：其中：式中,u w为孔隙水压力,k Pa;θ为表征土体的体积含水率,%;γw为水重度,kg/m2;t 为时间,h;T x、T y 分别代表为x 和y 方向的渗透系数,m/h;H 是基质吸力的函数. 土体体积含水量可由水土特征曲线获得[2],方程如下：其中：式中：θw 为土体的体积含水量,%;Cφ为修正值;θs 为土体饱和体积含水量,%;λ为土体体积含水量的拐点,%;m 为残余含水量,%;n 为土水特征曲线的斜率;φ为基质吸力,kPa;e为自然对数的底;s为拐点处斜率.渗透系数函数采用Geo-studio自带函数[3].1.2 稳定性分析边坡稳定性分析一般采用极限平衡法,常用的极限平法计算方法有很多,本文采用的是Morgenstern-Price法,并引入Fredlund的土体非饱和双应力变量强度理论：式中：σn 为土体破坏时其破坏面上的净法向应力,N/m2;s a-s w 为土体破坏时的基质吸力,k Pa;c′为有效内聚力,k Pa;φ′为有效内摩擦角,rad;φb为基质吸力的内摩擦角,rad.2 降雨模拟计算2.1 分析模型建立边坡模型如图1所示,山坡高为50 m,长为95 m,边坡前后缘高差为40 m,ab为初始地下水位线,边坡倾斜角为14°,节点14为本研究分析节点,各层的土体物理力学计算参数见表1.土体水工特征曲线,如图2所示.图1 初始边坡模型Fig.1 Initial slope model表1 土体物理力学计算参数Tab.1 Calculation parameters of soil physical mechanics层号土质 (k N重·度m/-3)______粘_k聚Pa力/_________内___摩(°擦)角_/_________饱_和(m渗·透h-系1)数/___________饱__和__含%水__率__/_____________残__余_含%水__率__/______L1 粉质黏土18.8 20 12 0.012 0.3 0.03 L2 黏土 19.1 26 30 0.011 0.22 0.011__L3 黏土19.8____________________29_________________2_9_________________0_._0_0_7__2__ _________________0__.1____________________0__.0_1_______2.2 边界条件建立边坡下边界为竖直约束边界,左右为水平设置边界.其中,左右水头高度分别为28 m 和5 m,表面为降雨边界,降雨共4种工况,见表2.模型网格如图3所示.共剖分为1 006节点,944单元.图2 土体水土特征曲线Fig.2 Curve of soil and water characteristics图3 边界条件模型Fig.3 Boundary condition model表2 工况参数Tab.2 Duty parameter____工况___________降雨类型___降雨强度/__(_m_·__h__-_1_)____降__雨__时__间__/_h_工况1 特大暴雨0.008 3工况2 暴雨0.005 4工况3 大雨 0.003 24____工况4__________小__雨___________0.0004____________________4_8______3 计算结果分析3.1 渗流结果分析本分析采用Geo-studio种的seep/w 模块对模型进行渗流分析,不同工况的渗流分析即孔隙水压力随时间的变化规律,如图4所示.由图可知,孔隙水压力在不同降雨条件下的值,会随降雨时间的增加而不断升高,负孔隙水压力会减小,基质吸力减小[4].且高强度的孔隙水压力值较低强度的孔隙水压力值增长的更快.以2 d末的数值为例,孔隙水压力的数值由大到小的工况依次是特大暴雨、暴雨、大雨、小雨.因为,在同一时间段下,高强度的工况降雨量更大,孔隙水压力增长更快.此时,土体更快且更易达到饱和.但是,图4中未见负隙水压力值增至0 kPa,证明这几种常见的工况均未能使土体达到饱和状态,边坡暂时不会出现表面渗流现象.以工况1 为例,增加降雨时间,可得出降雨时间对孔隙水压力的影响,如图5所示.前期孔隙水压力增长较快,在0.5 d时,孔隙水压力为0,当时间到达1 d时,土体近似达到饱和状态,后期速率降低且趋于平缓,这与现场观测的结果相吻合.说明降雨入渗随着时间的增长,入渗能力减弱,孔隙水压力增长变缓慢.当土体被水充满达到饱和状态时,雨水不能继续入渗,孔隙水压力基本不变,土体会产生坡面径流.雨水入渗会削弱土体的抗剪强度,改变土体天然重度,对土体稳定性产生影响[5].此外,由于高强度降雨持续时间短,土体蒸发与入渗时间有限,极易在表面形成径流,需采取相应改善措施.图4 不同工况下孔隙水压力与降雨时间关系Fig.4 Relationship between pore water pressure and rainfall time under different working conditions图5 特大暴雨条件下孔隙水压力与时间关系Fig.5 Relationship between pore water pressure and time under rainstorm图6 安全系数与时间关系Fig.6 Relationship between safety factor and time 3.2 稳定性分析根据地质灾害防治规范规定,由表3中的稳定系数可知,边坡在自然工况下最稳定,安全系数可达到1.161,其余各种工况下,工况1、2安全系数较低,但都能保持稳定.总体来说,高强度降雨工况稳定系数略低于低强度的稳定系数.以3 h末时间为例,从工况1至工况4,安全系数分别为工况1＞工况2＞工况3＞工况4.说明降雨强度对边坡的稳定性具有一定影响,降雨强度越大,安全系数降低的时间越短.分析其原因,在降雨强度大的情况下,同一时间内总降雨量大,在降雨本身冲击力下迅速入渗,土体易形成饱和土质,基质吸力减小,入渗能力减弱,土体抗剪强度和重度降低,从而削弱边坡的稳定性,与上面所讨论的孔隙水压力的变化相对应.表3 降雨类型对安全系数的削弱程度Tab.3 The degree to which the type of rainfall weakens the safety factor工况降雨强度/(mm·d-1) 安全系数削弱程度/%1 190 1.062 8.5 2 120 1.069 7.9 3 80 1.092 5.9 4 10 1.157 3.4 5 0 1.161—降雨时间对安全系数的影响.以特大暴雨为例,模拟暴雨75 h 降雨条件,如图6 所示.由图可知,安全系数的变化可分为3段,即降雨前期(0～50 h)、降雨中期(50～62 h)和降雨后期(62～75 h).总体来说,安全系数随着降雨时间的增加而降低,即边坡越不安全.且在降雨前期,虽然土体的基质吸力较大,但是此时降雨量小,土体渗透系数大于雨水渗透速度,雨水可以迅速向下渗流.所以,对土体的稳定影响不大,安全系数下降较缓慢.降雨中期,安全系数近似趋于直线下降.是因为较高的基质吸力及土体高渗透性,使得雨水迅速入渗.此时降雨量增加,土体空隙被越来越多的雨水所填满,基质吸力减弱,土体抗剪强度迅速下降,加大边坡的下滑力,影响边坡的稳定性.到降雨后期会发现,中期时土体空隙迅速增长的雨水使得土体趋于饱和,土体渗透能力降低,雨水入渗困难,土体变化情况趋于稳定.所以,安全系数变化微小.综上所述,降雨强度及降雨时间对边坡稳定性的影响有着共同的机理,两者会影响边坡的稳定性,研究时需要全面看待各种影响因素.4 结论1)随着降雨时间的增加,孔隙水压力不断上升.降雨初期孔隙水压力增长速率快,降雨时间越长,后期增长速率越慢,总体呈正比关系.2)相同时间不同工况下,高强度的孔隙水压力较低强度的孔隙水压力增长的更快,安全系数降低时间短.3)苏北某高速公路边坡根据江苏气象资料,在几种常见的工况条件下整体呈稳定状态,且土体暂未达到饱和状态,不会出现土体表面径流现象.4)随着降雨时间的增加,安全系数整体呈下降趋势,即反比关系.在特大暴雨情况下降雨初期安全系数降低缓慢,中期降低速率增大,后期雨水入渗困难,安全系数又趋于稳定.【相关文献】[1] 俞新,李红英.降雨条件下边坡稳定性研究[J].山西建筑,2017,43(33)：61-63.[2] 刘淑燕.降雨强度对不同渗透性土质高边坡稳定性数值分析[J].湖南交通科技,2017,43(4)：15-19.[3] 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.[4] 罗林,徐颖,左昌群,等.降雨对类土质滑坡微观结构及稳定性的影响分析[J].水电能源科学,2015,33(1)：119-123.[5] 石振明,沈丹祎,彭铭,等.考虑多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性分析[J].水利学报,2016,47(8)：977-985.。

降雨入渗深度对土质边坡稳定性影响的有限元分析杨宇杰【摘要】采用有限元分析分析方法，计算了土质边坡在不同的降雨重现期、降雨强度、降雨持时情况下的入渗深度，提出了合理的降雨入渗深度的计算公式；在所得出的入渗深度的基础上，运用渗流有限元法对土质边坡进行了稳定分析，得出实际土质边坡的降雨入渗很难超过2.0 m，在边坡的地下水深度逐渐增加，降雨入渗深度不变的情况下，边坡的稳定安全系数逐渐减小；在边坡的地下水深度相同，降雨入渗深度逐渐变大，边坡的稳定安全系数同样逐渐减小，但减小的幅度较小；这说明降雨对边坡体的影响集中在地表附近；在地下水位与降雨入渗深度较大时，滑坡体稳定性不足。

%The finite element analysis method is used in this paper,calculated soil slope in differ-ent rainfall return period,rainfall intensity,rainfall duration,the infiltration depth,and puts forward the reasonable rainfall infiltration depth calculation formula;in income based on the depth of infiltration and seepage finite element method on soil slope the stability analysis,obtained the actual soil slope rainfall infiltration is difficult to more than 2.0 m,A gradual increase in the slope of the groundwater depth,con-stant depth of rainfall infiltration,the stability safety factor of the slope decreases gradually.In the same slope groundwater depth,the depth of rainfall infiltration gradually become larger,and stability safety factor of the slope is also gradually decreased,but decreases the amplitude is smaller.This shows that effect of rainfall on slope near the surface;in the underground water level andrainfall in infiltration depth is larger,the landslide body stability is insufficient.【期刊名称】《公路工程》【年(卷),期】2016(041)005【总页数】5页(P226-229,262)【关键词】降雨入渗;土质边坡;稳定性;有限元【作者】杨宇杰【作者单位】长春建筑学院，吉林长春 130604【正文语种】中文【中图分类】U416.1+4降雨是引起边坡失稳，影响边坡稳定性的主要因素之一。

土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响2009年4月7(2):卜6中国水土保持科学ScienceofSoilandWaterConservationV o1.7No.2Apr.2009土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响刘汗,雷廷武,赵军(1.中国农业大学水利与土木工程学院现代精细农业系统综合研究重点实验室,100083,北京;2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与早地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌)摘要为研究初始含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,采用径流一人流一出流法和双环入渗法测量比较,采用不同降雨强度(20,40和60mm/h)和3种土壤含水率(2.60%,10.4%和19.5%)进行试验比较.结果表明:土壤入渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着初始含水率的增加而降低;双环法测量的土壤初始入渗率随着含水率增加而增加,稳定人渗率则随着含水率的增加而降低.同时,通过Kostiakov,Ho~on和Philip入渗模型对试验结果进行回归分析,径流一人流一出流法测量结果均优于双环法测量结果,而且Ho~on入渗模型回归结果优于其他人渗模型.关键词土壤含水率;人渗性能;降雨;双环入渗法;地表结皮EffectsofinitialsoilwatercontentandrainfallintensityonLoessinfiltrationcapacityLiuHan,LeiTingwul-,ZhaoJun(1.KeyLaboratoryofModemPrecisionAgricultureSystemIntegrationResearch,Collegeo fWaterConservancyandCM1Engineering,ChinaAgriculturalUniversity,100083,Beijing;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionand DrylandFanningontheLoessPlateau, InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&amp;MWR,712100,Yani"g,Shaanxi:Chin a)AbstractTheRun—off-on?out(ROOO)methodwasusedtomeasuresoilinfiltrabilityinordertoresearchthe effectsofrainfallintensityandsoilwatercontentonsoilinfihrabilitycomparedwithDoubleR ing(DR)method.Theexperimentsinvolved3soilmoisturecontents(2.6%,10.4%and19.5%)and3rai nfallinten-sities(20,40and60mm/h).SoilinfihrabilitymeasuredbytheROOOmethoddecreasedwithh igherinitialsoilwatercontentandrainfallintensity.However,theinitialsoilinfihrabilityobtainedbyDR methodin—creasedwithhighersoilwatercontent,aswellasthestableinfiltrabilitydecreasedwithhigher soilwatercon—tent.ThesoilinfihrabilityprocessesmeasuredwiththeROOOmethodgivebetterfittingswit hKostiakov,Hor—tonandPhilipinfihrationmodels,thanthosemeasuredwithdouble—ringinfiltrometer.Moreover,theHorton infiltrationmodelgivesthebestfittingresultscomparingwithothermodels. Keywordssoilwatercontent;infiltrability;rainfall;doubleringmethod;surfacecrust土壤人渗是地表水转化过程中的重要环节,在水循环过程中具有重要的作用.土壤入渗性能对于水资源高效利用,农业灌溉和水文环境等领域具有重要的意义.土壤水分人渗是水分在土壤内部分布的一个动态过程,因此,土壤初始含水率的变化必然影响土壤入渗过程.随着土壤初始含水率的增加,非稳渗阶段的入渗速率迅速降低,趋于稳定人渗速率的时间收稿日期:2008-06—30修回日期:2oo8—1卜11项目名称:国家自然科学基金"黄土区多尺度小流域土壤水蚀动态过程模拟研究"(40635027);天水籍河重点支流治理项目(二期)水土保持监测体系建设第一作者简介:刘汗(1981一),男,博士研究生.主要研究方向:土壤侵蚀及水土保持.E—mail:lylblh@.十责任作者简介:雷廷武(1958一),男,博士,教授,博士生导师.主要研究方向:土壤侵蚀及水土保持.E—mail:ddragon@pub—.an2中国水土保持科学2009矩缩短….G.B.Bodman等Ⅲ2认为,在人渗初期,随着土壤含水率的增加,土壤入渗速率减小,随着时间的延续,含水率对入渗的影响变小,最终可以忽略.J.D.Eigle等_3的研究表明,土壤结皮对裸地入渗的影响大大超过其他因素的影响,其减少人渗量可达80%.降雨动能与降雨强度密切相关,因此,降雨强度也是影响土壤降雨人渗性能的重要因素.J.Rubin_4和A.0.Aken等5J的研究表明,不同降雨强度下,入渗曲线形式是相同的,如果降雨历时足够长,均质土壤的稳定入渗率,人渗总量与降雨强度无关,但瞬时人渗速率受降雨强度大小和时间变化影响较大.国内也有一些不同的研究结果:随着降雨强度增大,土壤入渗率和稳定入渗率均有增大的趋势¨6,但大部分研究都是针对土壤实际人渗率与降雨强度之间的关系,而对于土壤入渗性能(最大入渗能力)与降雨强度关系的研究非常少.双环入渗是常用的土壤入渗测量仪器,可以方便快速地测量土壤人渗率,具有结构简单,操作简便和移动方便等特点_8j.由于双环入渗法测量过程中需要保持环内水位高度稳定一致,因此不适用于坡地土壤测量.人工降雨法也是较为广泛使用测量土壤入渗的方法之一.通过模拟天然降雨,测量降雨量与产流量随时间变化过程,即可计算土壤人渗率变化过程,具有不受地形限制适应性强的特点,而且综合考虑了降雨引起土壤侵蚀对土壤人渗过程的影响;但人工降雨法测量土壤入渗率受降雨强度限制,只能测量土壤人渗性能小于降雨强度部分.雷廷武等¨lo_研究了一种测量土壤人渗性能的径流一人流一出流法,可以方便测量模拟天然降雨条件下,土壤人渗性能变化全过程.笔者主要采用径流一人流一出流法,以双环人渗仪测量结果作为对照,.研究不同土壤含水率和降雨强度对土壤入渗性能的影响,并通过传统入渗计算模型回归分析比较研究结果的合理性.1材料与方法试验在中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的人工降雨大厅进行.试验土壤为陕西杨凌的黏黄土,土样采自地表20～30cm土层,土壤颗粒组成如表1所示.表1试验土壤颗粒组成Tab.1Particlesizedistributionoftheexperimentalsoil试验所需初始土壤含水率按田间持水量的百分比配置,分别为自然风干土,体积含水率为10.4%(约等于田间持水量的30%)和体积含水率为19.5%(约等于田间持水量的60%)的土壤.土壤含水率按要求配置后均用塑料薄膜覆盖密封处理7～10d,一方面防止土壤表层水分散失,另一方面使土壤充分熟化,含水率进一步均匀.实验用水平土槽尺寸为8m×3m×0.5m,按照5cm厚度分层装土,土层总厚度为25cm,密度为1.3g/cm3,装土时采用自制钢钉插实,避免传统方法表面打压夯实,破坏表层土壤结构.装土后用塑料薄膜覆盖进行密闭处理,翌日进行试验,以使土壤水分进一步均匀,试验前再次现场快速测定土壤含水率,以确保所配置含水率符合试验要求.采用产渗流土壤人渗性能测量仪_10_测定不同土壤含水率下土壤入渗变化过程,该仪器装置如图1所示,包括人工模拟降雨装置(图1(a))和下垫面设置(图1(b)),其中,下垫面分隔设计3个相同尺寸土槽,相当于3次重复试验.实验过程中记录径(a】人工降雨装置(b)F垫面设置图1径流一入流一出流法测量系统Fig.1Schematicsystemofthe13in—off-on—outmethod流在地表随时间推进的过程,代人计算模型得出土壤人渗性能随时间变化规律.本研究设计了3种不同的降雨强度,分别为20,40和60mm/h,研究稳定降雨强度下,不同含水率对土壤入渗性能的影响.同时采用传统双环入渗法作为对照,双环入渗仪内第2期刘汗等:土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土人渗性能的影响外环直径分别为28和53cm,采用马氏瓶补给内环水量维持稳定水位,3次重复实验.2结果与分析2.1降雨强度对土壤入渗性能影响在稳定降雨强度下,径流一人流一出流法测量的土壤入渗性能大于双环入渗法(图2～4),特别是试验开始阶段的初始入渗性能.如图2所示,径流一人流一出流法测量的稳定入渗率远大于双环入渗法,是双环法测量数值的2—4倍,而随着降雨强度的增大(图3～4),稳定人渗率之间的差别逐渐缩小.原因在于雨滴动能随着降雨强度的增加而增加,而雨滴动能是土壤表面结皮的重要影响因素,降雨强度增加使得结皮发育更成熟,导致稳定入渗率大幅下降, 与双环入渗法的差异随之缩小.表2为不同降雨强度下降雨动能计算列表,对于不同研究地区的不同计算公式结果均表明,随着降雨强度增大,降雨动能逐渐增大,但增加趋势逐渐变缓,也就是说降雨动能增加的趋势小于降雨强度增加趋势.这与不同降雨强度下土壤入渗性能变化曲线趋势是一致的(图2 ～4),即降雨强度20mm/h与40mm/h的入渗性能曲线之间的差异大于降雨强度40mm/h与60mm/h 入渗性能曲线之间的差异,一定程度上说明了径流一人流一出流法测量结果的合理性.三l瓣&lt;图2降雨强度20min/h下土壤入渗性能曲线与Fig.2Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder20mm/h withdoubleringmethod因此,径流一人流一出流法测量土壤入渗性能随着降雨强度的增加而逐渐降低,并逐渐趋于稳定;原因在于随着降雨强度的增加,降雨动能增加趋势变缓,雨滴对地表的打击扰动能力逐渐达到相对稳定值,不再随降雨强度增大而线性递增,地表结皮程度也相应达到稳定.在试验过程中,20mm/h降雨强度下一直未见有径流出流,说明此工况下土壤稳定入渗率大于降雨强度,所有降雨及径流完全入渗,而传统的降雨入渗测量方法对于未产流的情况,很难测量土壤人渗性能变化过程.,皇喜斛斑&lt;时间/l1图3降雨强度40mm/h下土壤入渗性能曲线与双环法测量比较Fig.3Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder40mm/h withdoubleringmethod昌.1;{L&lt;时间/l1图4降雨强度60mm/h下土壤入渗性能曲线与Fig.4Comparisonofinfiltrabilitycurvesunder60mm/hwith doubleringmethod双环入渗法测量土壤入渗性能小于径流一人流一出流法测量结果,可能的原因如下:一方面双环人渗法在测量开始时,需要向内外环迅速加水造成土壤快速湿润,土壤颗粒迅速崩解分散,堵塞土壤孔隙通道,很短时间内就引起土壤表面结皮,土壤人渗性能随之迅速降低,并且由于双环入渗法为积水人渗在土壤表面形成水封,使得土壤中的气体无法及时排出,阻碍了水分的正常人渗;另一方面双环法测量试验开始阶段,土壤初始人渗性能很高,马氏瓶供水能力受限于出水口直径和管径,未能及时补给双环入渗所需水量,为非充分供水人渗.4中国水土保持科学2009年K=11.87+8.731ogiK=29(1—0.72exp(一0.051))K=36.8(1一O.69exp(一O.0381))K=28.3(1一O.52exp(一O.0421))K=27.83+11.551oglK=32.98+12.131ogl23.2321.3224.9321.9542-8648.7625.8626.1731.2525.5646.3352.4127.39W.H.Wischmeier等【"J27.96L.C.Brown等lJ34.20A.W.Jayawardena等[]27.12A.M.VanDiik【j48.37江忠善等[15针对中国西北地区普通雨型54.55江忠善等[]针对中国西北地区矩阵型雨型2.2含水率对土壤入渗性能影响图2～4径流一人流一出流法测量结果表明,土壤初始含水率增加时,土壤入渗性能降低速度更快. 对于40mm/h(图3)和60mm/h(图4)降雨强度,随着降雨强度的增大,土壤含水率对土壤入渗性能的影响逐渐缩小,土壤入渗性能曲线趋于一致.径流一人流一出流法土壤初始含水率增加时,土壤入渗性能降低速度更快,可能的原因是随着土壤含水率增加,初始土壤水吸力降低,水力梯度逐渐减小,土壤入渗性能降低速度加快.随着降雨强度的增大,土壤含水率对土壤入渗性能的影响逐渐缩小, 土壤入渗性能曲线趋于一致.可能的原因是,在较大降雨强度时,土壤表面结皮对入渗性能的影响占据主要作用,而含水率对入渗的影响相对处于次要位置.说明随着降雨强度的增加,含水率的变化对土壤入渗性能的影响逐渐降低.用图2～4双环入渗法测量的结果表明,试验初始阶段土壤初始入渗率随着土壤含水率增加而增加,稳定人渗率随着土壤含水率的增加而减小.可能的原因是:双环人渗法开始测量时,需要向内外环同时加水,土壤颗粒快速湿润分散,堵塞土壤孔隙引起地表结皮,严重影响土壤人渗,掩盖了土壤含水率对入渗性能的影响;因此,在双环人渗初始阶段,地表结皮状况对入渗的影响大于含水率变化对初始入渗的影响,尤其是对于含水率较低的干燥土壤(2.60%),地表快速湿润时更容易形成结皮.所以,用双环入渗法测得的土壤初始入渗率随着初始含水率的降低而降低.对于初始含水率较高的土壤(10.4%与19.5%),地表结皮敏感度降低,初始入渗率之间的差异逐渐缩小.当地表结皮程度相对稳定后,水力梯度逐渐成为影响人渗的主导因素,初始含水率较低的土壤水力梯度越大,有利于增加土壤入渗,双环入渗法测量的稳定入渗率随着含水率降低而增加.2.3土壤累积入渗量比较图5～7比较了双环入渗法和径流一人流一出流法不同试验状况下的累积人渗量.径流一人流一出流法的累积入渗量均大于双环法的累积入渗量,特别是较小降雨强度20mm/h时,径流一人流一出流法累积入渗量约为同时段双环累积入渗量的2～4倍.可能的原因是,双环入渗法和径流一入流一出流法测量过程中不同的湿润速度,引起地表不同程度的结皮直接影响土壤入渗.双环人渗法在测量开始时,快速湿润会引起严重的地表结皮,而径流一人流一出流法对地表土壤颗粒而言,降雨首先起到了预湿润的作用,而随后的径流逐步湿润;因此,湿润速度与双环人渗相比较慢,并且土壤孔隙通道中空气随着降雨持续而逐渐被排出,不会瞬间被压缩形成气泡直至破裂,从而破坏土壤结构.第2期刘汗等:土壤初始含水率和降雨强度对黏黄土入渗性能的影响5 300I200&lt;鼬{5100●2.6O%,40mm/h◆lO-4%,40mrn/h▲19.5%40mm/ho2.60%,双环人渗法◇10.4%,双环人渗法△19.5%,双环入渗法象22宝0_20.40.6081.0时间/h图6降雨强度40mm/h累积入渗与双环法累积入渗量比较Fig.6Comparisonofcumulativeinfiltrationunder40mm/h withdoubleringmethod300目200&lt;100●2.6O%.60mm/h◆10.4%.60mm/h▲19.5%.60mm/hO2.60%,双环入渗法o10.4%,双环人渗法△19.5%,双环人渗法罢是窘盒222宝2时f目/h图7降雨强度60mm/h累积入渗与双环累积人渗量比较Fig.7Comparisonofcumulativeinfiltrationunder60mm/h withdoubleringmethod线性增加.可能的原因是,由于降雨强度较小,影响入渗的主导因素为水力梯度,累积入渗量随着土壤含水率的增加而逐渐降低_1.对于40mm/h(图6)和60mm/h(图7)较大降雨强度时,降雨动能增加的同时地表湿润速度加快,由此引起的地表结皮会显着降低土壤人渗性能,而随着降雨强度递增,地表结皮程度达到相对稳定状态;因此,随着降雨强度的增加,含水率对累积人渗量的影响逐渐变小.图5～7不同降雨强度累积人渗量比较表明,20mm/h降雨强度累积入渗量远大于40和60mm/h降雨强度,主要原因是降雨强度增加,雨滴对地表打击夯实能力增强,使得地表结皮状况更严重,产流转化率迅速提高,土壤人渗性能降低.尽管20mm/h降雨强度相比40和60mm/h更小,相同时间内降雨量更少,但径流一人流一出流法中降雨产流面的上方来水,能够满足20mm/h降雨强度下为充分供水人渗,表现土壤的真实人渗性能.不同含水率状况下,双环人渗法测量累积人渗量曲线均非常接近(图5),可能的原因是双环人渗法测量开始向内外环注水时,快速一致的湿润速度决定了地表结皮状况的相似性,进一步决定土壤累积入渗曲线的相似性.当试验后期水力梯度逐渐对入渗起主导作用时,双环法测量累积入渗量结果表明,随着土壤含水率的增加而减少.2.4土壤入渗计算模型回归比较传统入渗计算模型对不同测量方法试验结果回归分析(表3)表明,径流一人流～出流法测量数据的回归计算结果均显着优于双环入渗法测量数据的回归计算结果,一定程度上说明了径流一人流一出流法测量不同含水率对土壤入渗性能影响的合理性,均能够很好的满足经典入渗理论模型描述土壤入渗性能变化过程.其中,径流一人流一出流法测量结果入渗模型回归决定系数R为0.940.99.而对于双环入渗法测量结果,Horton入渗模型回归分析结果是最好的,回归决定系数为0.97—0.99,明显优于A.N.K0stiakov['](0.86&lt;R&lt;0.93)和J.R.Philip_l副(0.76&lt;R&lt;0.84)入渗模型回归计算结果, 这与M.K.Shukla等_19¨的研究结果是一致的.3结论与讨论1)径流一人流一出流法测量结果表明,土壤人渗性能随着降雨强度的增加而降低,随着含水率的增加而降低,而且随着降雨强度的增加,含水率变化对土壤人渗性能的影响逐渐降低.双环入渗法测量结果表明,初始人渗率随着土壤含水率增加而增加,稳定人渗率随着土壤含水率的增加而减小;主要原因是双环人渗仪测量初期地表结皮是影响初始入渗的主要因素,之后含水率变化引起的水力梯度才逐渐成为影响人渗的主要因素.解文艳等_20_通过双环入渗仪野外实验研究土壤含水量对土壤人渗能力的影响也得出相似的结论.2)径流一人流一出流法测量的稳定入渗率大于双环人渗法,20mm/h较小降雨强度时约为双环测量数值的2～4倍,而随着降雨强度的增大,稳定人渗率之间的差别逐渐缩小.3)通过Kostiakov,Horton和Philip入渗计算模型回归拟合,径流一人流一出流法测量结果回归分析优于双环入渗法测量结果,Horton入渗模型回归决定系数优于其他人渗模型.由于该研究在室内条件下进行实验比较,进一步可以考虑更为广泛的野外应用研究,为水文水资源,灌溉管理及土壤侵蚀等相关学科提供参考.6中国水土保持科学2009年4参考文献[1]HiHelD.CrustFormationinLassiessoils.InternationalSoil Science,1960,29(5):330-337[2]BodmanGB,ColmanEA.MoistureandEnergyCondition DuringDownwardEntryofWaterintosoil.SoilScience SocietyofAmericaJournal,1994,8(2):166—182[3]EigleJD,MooreID.Effectofrainfallenergyoninfiltration intoabaresoil.JRANS.OfASAE,1983,26(6):189—199 [4]RubinJ.Theoryofrainfalluptakebysoilinitiallydriverthan theirfieldcapacityanditsapplications.WaterResource Research,1966,2(4):739-749[5]AkenAO,YenBC.Effectofrmnfallintensitynoinfiltration andsurfacerunoffrates.JournalofHydraulicResearch, 1984,21(2):324—331[6]王玉宽.黄土高原坡地降雨产流过程的试验分析.水土保持,1991,5(2):25-29[7]李毅,邵明安.雨强对黄土坡面土壤水分人渗及再分布的影响.应用生态,2006,17(12):2271-2276[8]BouwerH.Intakerate:Cylinderinfiltrometer∥KluteA. Methodsofsoilanalysis.Part1.2nded.AgronMonogNo.9.MadisonWI:ASAandSSSA,1986:825—843[9]袁建平,蒋定生,文妙霞.坡地土壤降雨入渗试验装置研究.水土保持通报,1999,19(1):24—27[10]LeiTW,"uH,PanYH,eta1.Runoff-on—outMethod andModelsforSoilInfiltrabilityonHill—slopeunderRainfall Conditions.ScienceinChinaSeriesD,2006,49(2):193—201[11]WischmeierWH,Smi山DD.Predictingrainfallerosion DAAgriculturalResearchServiceHandbook,1978:537l12』BrownLC,FosterGR.Stromerosivityusingidealized intensitydistributions.TransactionsoftheAmericanSocietyof AgriculturalEngineers,1987,30(2):379—386l13JJayawardenaAW,RezaurRB.Dropsizedistributionand kineticenergyloadofrainstormsinHongKong.Hydrological Processes,20O0,14(6):1069—1082l14JVanDijkAM,Rainfallintensity—kineticenergyrelationships: acriticalliteratureappraisa1.JournalofHydrology,2002,261(1.4):卜23[15]江忠善,宋文径,李秀英.黄土地区天然降雨雨滴特性研究.中国水土保持,1983(3):32-36[16]陈洪松,邵明安,王克林.初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响.农业工程,2006,22(1):44-47[17jKostiakovAN.Onthedynamicsofthecoefficientofwater- percolationinsoilsandonthenecessityforstudyingitfroma dynamicpointofviewforpurposesofamelioration. TransactionsofSixthCongressofInter-nationalSocietyofSoil Science,Moscow,Russian,1932:17—21[18]PhilipJR.Thetheoryofinfil~ation:1.Theinfiltrationequationanditssolution.SoilScience,1957,83(5):345—357[19]ShuklaMK,R.UnkeferPE.Experimentalevaluationof infiltrationmodelsfordifferentlanduseandsoilmanagement systems.SoilScience,2003,168(3):178—191[2O]解文艳,樊贵盛.土壤含水量对土壤入渗能力的影响. 太原理工大学,2004,35(3):272—275(责任编辑:程云)。

坡面降雨入渗产流规律的数值模拟研究摘要：本文采用运动波理论和两次改进后的Green-Ampt入渗模型建立了坡面降雨入渗产流的动力学模型，并得到了实验资料的良好验证。

运用该模型研究了简单坡面上降雨入渗产流的动力学规律，分析了雨强、土壤初始含水量、渗透系数、坡面阻力，以及坡长、坡度等因素对坡面产流过程的影响规律，得出了一些有益的结论。

关键词：入渗产流坡面动力学1 概述雨水降落在坡面上将产生雨水的聚集并形成坡面水流。

坡面水流是土壤水蚀过程的主要动力，搞清产流的动力学特点是进一步研究侵蚀过程规律的基础。

坡面水流不同于一般明渠流动，其水深极浅(一般只有几毫米)，沿程不断有质量源和动量源加入，使其随时间和空间有较大的变化。

且坡面流的坡度较一般河渠陡得多，边界条件也更为复杂。

这些特点使得对坡面水流的研究有相当的难度。

坡面产流研究已有很长历史，但对它的数学求解还只有三十多年。

60年代后期Woolhiser和Ligget(1967)将运动波模型引入坡面水流研究，大大简化了计算工作，促进了研究的发展。

运动波模型是从一维圣维南方程简化而来，其基本假设是水流的能坡和底坡相等，并借助Chezy阻力公式得到流量和水深的关系。

Woolhiser和Ligget的研究结果表明在运动波波数k>10时，运动波模型可以很好地描述坡面水流运动。

而实际坡面流的运动波波数一般远大于10(沈冰等，1996)。

因此，运动波近似是一种较好的数学描述方式。

其后，又有对运动波理论的修正(Ponce,1978,Govindaraju,1988)，保留了水深的沿程变化项，相当于压力梯度，被称为扩散波模型。

该模型扩展了适用的参数范围，但并无实质性改进，因此实际应用仍以运动波为主。

也有使用完整圣维南方程求解实际问题的(戚隆溪，1997)。

土壤入渗过程的研究也有很长历史，从1911年提出概念明确形式简单的Green-Ampt积水入渗模型开始，相继有Horton(1940),Philip(1957)等模型出现，但G-A模型仍以其简单的形式，明晰的物理概念，良好的扩展性和可信的应用效果受到广泛重视，特别是经过Mein & Larson(1973)和Chu(1978)的两次改进，使其可应用于不均匀降雨的入渗计算，更使它成为最有效和应用最广泛的模型。

边坡在降雨作用下易发生滑坡，目前大量的学者对降雨作用下的边坡饱和一非饱土渗流及强度进行了较深入的分析研究。

现有的研究多将降雨入渗面作为同一土层进行了分析研究，对入渗面为不同土层进行分析研究的较少。

本文以半填方半挖方挡土墙作为研究对象，通过有限元法分析了降雨作用下挡土墙后回填土体、原状土体的雨水下渗的饱和一非饱和渗流状态，研究了该挡土墙在不同降雨持时，挡土墙的整体稳定性，为挡土墙的设计提供必要的参考。

1、降雨入渗模型1.1 降雨入渗挡土墙模型降雨入渗过程一般受降雨强度q.地面以上水层厚度、土层表面的含水率、土层饱和渗透系数KW有关，当降雨持续时间较长时，土层的入渗强度近似等于土层饱和渗透系数。

本文中挡土墙形式及渗流模型如图1所示。

降雨量假设原状土饱和渗透系数为KW 一回填土饱和渗透系数为Kwz, 挡土墙渗透系数为KW3。

此处回填土考虑采取砂质回填土，渗透 性大于原状土，考虑到一般挡土墙泄水孔质量较差，假设其渗透 性系数大于原状土，故有：Kw2>Kw ∖>Kw3.假设原状土体宽Ll , 回填土体宽L 2o 挡土墙后降雨入渗的过程分为如下过程及行为。

(1 )当4<Kw ∣,此时地表径流不会发生，降雨将全部入渗， 此时地表入渗强度i = q.(2 )当KQq> K~回填土部分的降水全部下渗，但原状 土部分降雨发生径流，径流将全部径流至回填土区，此时，原状 土入渗强度为：iι = Kw2 ；回填土入渗强度为/2 = (/+ ( q-Kw ∖ ) L ∖∕Lι 和i 2 = K w 2中的大值0(3 )当q>Kw2 ,由于降雨强度大于土壤的入渗率，故部分降 雨并不入渗，形成地表径流，原状土入渗强度为Zi = ∕C w ι /回填土 入渗强度为Z2 = ∕C W 2O1.2 饱和一非饱和渗流的控制方程及定解条件饱和一非饱和渗流的控制方程表示为：式中：Kw 为渗透系数(cm/s ) ； 〃W 为水的密度；m?w 为土水特征曲线斜率的绝对值；人为总水头；〃W 为压力水头(非饱和区 为负值，饱和区为正值)，/2 = /?w+ Z o(1 )初始条件：ah 、 a 「一)+『(&, ∂x ∂y c)h(1)(2 )边界条件。

降雨条件下土质边坡稳定性分析发布时间：2021-07-07T07:24:16.032Z 来源：《防护工程》2021年7期作者：王秋其[导读] 我国滑坡灾害相当严重，降雨更会导致土质边坡力学性能下降，稳定性降低，诱发滑坡。

因此研究降雨条件下的土质边坡失稳具有重要意义。

本文先介绍降雨入渗与渗流理论以期明确土体内部渗流规律，并根据非饱和土体强度理论确定边坡最危险滑弧。

并阐述现今用于土质边坡稳定性分析的多种方法，最后总结降雨条件下土质边坡稳定性分析过程，及其发展方向。

王秋其重庆交通大学河海学院重庆 400041摘要：我国滑坡灾害相当严重，降雨更会导致土质边坡力学性能下降，稳定性降低，诱发滑坡。

因此研究降雨条件下的土质边坡失稳具有重要意义。

本文先介绍降雨入渗与渗流理论以期明确土体内部渗流规律，并根据非饱和土体强度理论确定边坡最危险滑弧。

并阐述现今用于土质边坡稳定性分析的多种方法，最后总结降雨条件下土质边坡稳定性分析过程，及其发展方向。

关键词：土质边坡；稳定性分析；降雨；渗流中国是世界上滑坡灾害最严重的地区之一，而 95%以上的滑坡均与降雨或地下水渗流有密切关系[1]。

国内外学者采用了许多方法对雨水入渗后的土坡稳定性作了详细的探讨。

1降雨对边坡稳定的影响降雨会带来大量的地下水体渗流，而渗流会导致边坡稳定性的下降，具体表现在物理力学和物理化学两个方面，前者表现在地下水压力使有效正应力减小,后者表现在降雨带来的软化使岩土的粘结力和摩擦力减小。

具体来说，有以下方面。

降雨使得地下水产生与边坡压应力方向相反的水压力,使边坡有效压应力减小,边坡稳定性减弱。

坡顶或破面上的张裂缝充水后,还会增大滑动力。

降雨带来地下水,使边坡滑动面之间的摩擦系数、粘结力减小。

降雨加强地下水的渗流引起对地表土和裂隙充填物的侵蚀,这种侵蚀不仅会降低边坡稳定性,而且还会淤塞排水系统。

2 饱和土体的渗流降雨条件下的水体渗流与边坡失稳有很大的相关性，因为渗流运动与土质边坡稳定性分析时考虑的孔隙水压力息息相关。

考虑降雨入渗的边坡稳定性数值分析王述红;何坚;杨天娇【摘要】运用有限元软件ABAQUS模拟降雨条件下边坡渗流场和应力场耦合,并运用强度折减法,以监控点位移突变和边坡形成连续贯通的塑性变形为边坡失稳判据,采用数值方法计算出耦合后的安全系数,结合孔压演变分析,综合评价稳定性变化情况,从而研究降雨影响边坡稳定性的机理,并通过含黏土层边坡工程实例进行验证.分析发现:降雨强度越大,浅层土体形成饱和区的速度越快,极易发生浅层滑坡,而黏土层则会加速上述过程,危害边坡稳定性;在降雨24 h内,安全系数降幅最大.该研究结果为降雨条件下边坡事故防治提供了参考和分析依据.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)008【总页数】5页(P1196-1200)【关键词】降雨入渗;边坡稳定性;有限元法;流固耦合;强度折减法【作者】王述红;何坚;杨天娇【作者单位】东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110819;东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110819;东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TU442降雨入渗是诱发边坡失稳最显著和最频繁的环境影响因素[1].受气候和环境因素影响,大部分边坡土体是非饱和土,在雨水渗入条件下,土体内部产生渗流场,导致土体应力场改变,两场彼此影响.大部分对降雨条件下边坡稳定性的研究主要讨论渗流场作用,关于两场耦合的研究较少[2-4].文献[5]采用基于Biot固结理论的直接耦合计算方式实现了两场耦合运算,但没有进一步验证结果的准确性.随着计算机和软件技术不断成熟,通过现场采集的数据建立模型,并在隧道、边坡、岩体破碎等工程中得到了较好的运用和验证[6-8],数值分析结合工程实际的方法获得广泛认可.文献[1]采集实际工程数据,运用ABAQUS软件,结合强度折减法,获得边坡安全系数,并将这种方法与广泛使用的极限平衡法对比,验证了采用ABAQUS模拟边坡受降雨影响的方法具有较高的准确性和参考价值.在此基础上,本文通过降雨入渗条件下边坡内瞬态渗流场和应力场的直接耦合运算,获得耦合作用后边坡的应力和应变状态,后续使用强度折减法计算边坡安全系数,并结合坡内孔隙水压力演变，综合研究边坡稳定性，最终通过常见的含有黏土层的边坡实例验证了分析的准确性.1 流固耦合与强度折减法1.1 流固耦合原理1.1.1 流固耦合影响机理雨水渗入到土质边坡形成的渗流场会随着降雨不断变化,渗流场产生的渗流力作用在土体上引起应力场变化,导致土体变形,土内部孔隙体积变小,孔隙率降低,雨水在孔隙中渗流作用减弱,从而又反过来影响渗流场;渗流场以改变渗透能力的方式使其与应力场不断相互作用.渗流体积力是渗流场产生的,也是影响应力场的主要因素.根据水力学原理,渗流体积力会随着水力梯度成正比例变化,单元的渗流体积力FV为[5]式中:Fx,Fy是FV在x和y方向上的分量;Jx,Jy是在x,y方向上的渗透坡降;rw为水的重度.渗流场改变土体孔隙,孔隙率对渗透系数影响显著,在没有试验测定相关性时,常采用A.Riverra等人提出的渗透系数随孔隙率变化经验公式[5]:(2)式中:n0为土体初始孔隙率;n为变化后的孔隙率;k,k0是与n,n0对应的渗透系数.1.1.2 ABAQUS中流固耦合方程根据虚功原理和质量守恒定理分别获得渗流场与应力场耦合的平衡方程和渗流连续性方程,再通过有限元离散,结合孔压边界条件与流量边界条件,使用Galerkin解法,联立各式获得流固耦合方程,即为文献[9]中所推导的流固耦合方程:(3)式中:均为矩阵,t为时间;u为单元节点位移;pw单元节点孔隙水压力.1.2 非饱和土强度理论非饱和土的孔隙中含有气体,无法应用传统的摩尔-库伦强度理论.在工程中应用最广泛的非饱和土强度理论是由Fredlund等提出[10]:τf=c′+(σ-pa)tanφ′+(pa-pw)φb .(4)式中:φ′为有效内摩擦角;c′为有效黏聚力;pw为孔隙水压力；pa为孔隙气压力；φb为随基质吸力(pa-pw)变化的内摩擦角,为方便分析,此处设为常数;τf为非饱和土抗剪强度.由式(4)可知,基质吸力减小会引起土体强度大幅下降,因此基质吸力是研究土体强度和边坡失稳重要参考因素和指标.由于坡面直接接触空气,pa=0,故负的孔隙水压力可以表示基质吸力.1.3 强度折减法强度折减法能在有限元分析中真实模拟边坡失稳和塑性变形过程,因此本文用其求解瞬态渗流场和应力场耦合作用后边坡的安全系数,分析边坡整体稳定性.在外荷载保持不变的情况下,折减系数Fr对边坡整体土体的c′与φ′进行折减运算,当边坡因强度折减至下滑力等于土体抗剪强度时,即边坡处于失稳临界状态,此时的Fr可视为边坡安全系数.经过折减的抗剪强度参数为[11]cm=c′/Fr ,(5)φm=arctan(tanφ′/Fr) .(6)在土体强度折减过程中,判断边坡失稳临界状态的判据有多种,其中边坡塑性贯通区形成并且监控点位移发生突变是最准确的边坡失稳判据[12-14],算例均采用上述判据.虽然安全系数能较好评价边坡整体稳定性,但无法反映边坡稳定性受降雨影响的机理；而分析孔隙水压力或饱和度等,能解释稳定性演化过程和分析边坡局部稳定性,如坡面的稳定性.因此本文将两者结合,共同评价边坡稳定性.2 边坡稳定性影响因素分析2.1 计算模型及计算方案运用ABAQUS进行有限元数值计算的二维模型算例如图1所示.土体的材料属性:干密度1.3 kg/m3,黏聚力15 kPa,有效内摩擦角30°,弹性模量100 MPa,泊松比0.3,渗透系数5×10-6 m/s,初始孔隙比1.0.本构模型使用摩尔-库伦准则.EF,AB为不透水边界,边坡CD面和BC面的雨水入渗强度分别为20和15.62 mm/h.网格单元采用CPE4P单元,土体涉及渗透系数的变化特征采用文献[15]研究数据.图1 模型尺寸及地下水位(单位:m)Fig.1 Model geometry and the waterlevel(unit:m)2.2 降雨强度和降雨持续时间的影响为研究边坡稳定性在不同降雨强度下的变化,分别设置降雨强度为10，15，20mm/h三种方案,并采用强度折减法数值计算出边坡的安全系数,得到图2所示曲线.分析可知:边坡安全系数均随着降雨持续而降低,降雨24 h后安全系数的降幅最大;安全系数的降幅会随降雨强度增大而增大.图2 降雨强度对边坡安全系数的影响Fig.2 Effect of rainfall intensity on safety factors of slope为说明稳定性削弱机理,选取边坡模型右端顶点为监控点,获得浅层土体监控点基质吸力变化曲线如图3所示,与图2的安全系数变化趋势对应.降雨初期24 h内,由于地表水力传导率较大,雨水全部入渗,降雨强度越大,饱和区在浅层形成的速度越快,基质吸力迅速降低,土体抗剪强度削弱,严重降低边坡整体稳定性,安全系数降幅最大;降雨持续24 h之后,浅层土体达到饱和,基质吸力减小的速度减缓,安全系数降幅逐渐减小.因此,降雨对边坡浅层首先产生危害,逐渐形成的饱和区将降低边坡的稳定性.边坡浅层土体最易受降雨影响,分析孔隙水压力演变可以较好评价其稳定性.设置10，15，20 mm/h 三种降雨强度,每种降雨强度分别持续24,48,72,96 h,共有12种降雨方案,由此获得边坡土体孔压在降雨过程中的演化曲线,如图4所示，可进一步研究边坡在降雨强度和降雨时长两种因素共同作用下的稳定性.图3 浅层土体监控点基质吸力变化曲线Fig.3 Curve of the matric suction on controlled nodal in narrow area of slope图4 孔隙水压力与坡体深度的关系Fig.4 Relationship between pore pressure and slope depth分析发现边坡浅层土体孔隙水压力受影响程度:雨强20 mm/h,持续24 h >雨强15 mm/h,持续96 h;雨强15 mm/h,持续24 h>雨强10 mm/h,持续96 h.即对比低强度长时间降雨，短时强降雨雨水的入渗量更多,浅层土体含水率更高,土体重度增大,同时由于土体抗剪强度降低,极易产生浅层滑坡.由此可见短时强降雨造成的危害更大,并且更加迅速.综合上述分析可知,边坡浅层土体既受降雨强度影响，也受降雨时长影响,而降雨强度的影响更大.3 工程实例3.1 实例计算方案选取某含不透水黏土层基坑边坡进行实例分析,基坑边坡底距地面7 m,坡度比1∶1.5,地下水位线在地下13 m处.根据当地气象局数据,选取2016年梅雨季节最大日降雨强度10 mm/h进行分析.基坑有三层土,底层为不透水的黏土层,中间层为粉质黏土,最上层为杂填土,各土层参数见表1.各层土体渗透系数采用经验公式(2)计算确定.表1 土体参数表Table 1 Parameters of soil参数杂填土粉质黏土黏土干密度/(kg·m-3)1.34061.39981.5330黏聚力/kPa101631内摩擦角/(°)899弹性模量/MPa359渗透系数/(m·s-1)2.31×10-61.16×10-85.79×10-9孔隙率0.970.9530.793层厚/m1.74.363.2 边坡雨水入渗降雨0.5 h在沿坡面方向距坡脚2.44 m处,即粉质黏土与黏土在坡面上的交界处,产生正孔隙水压力,高达228 kPa,如图5中红色区域所示,而红色区域所在土层的平均孔压为-3.57 kPa.这说明在降雨过程中雨水逐渐入渗到粉质黏土层底部,由于黏土层不透水,雨水在黏土层上部聚集,孔隙水压力在粉质黏土层底部与坡面交界处迅速增大.对应地,降雨0.5 h后边坡安全系数由降雨前的1.95变为1.88,降低了3.4%,降低速度较快,符合2.2节所述降雨初期浅层孔压迅速增大,基质吸力降低,边坡安全系数下降幅度较大的特征.图5 降雨0.5 h后孔压分布图Fig.5 Pore pressure distribution after 0.5 h rainfall为进一步说明此现象,选取降雨1 h后的孔压云图,见图6.图中两处红色区域,即沿坡面方向距坡脚2.27 m处以及3.72 m处,孔隙水压分别高达261 kPa和181 kPa.说明滞留在黏土层上的雨水以及沿坡面入渗的雨水在粉质黏土层底部与坡面交接处逐渐聚集,并沿坡面往坡顶方向发展,逐步形成饱和区,即图7中粉质黏土层所在坡面位置形成的橙红色区域.随着降雨持续,饱和区沿坡面扩展,边坡稳定性将持续降低,安全系数逐渐减小.图6 降雨1 h后孔压分布图Fig.6 Pore pressure distribution after 1 h rainfall 图7 降雨1 h后饱和度分布图Fig.7 Saturation distribution after 1 h rainfall 3.3 边坡浅层土体破坏降雨1 h后,孔隙水压力为261 kPa的土体部位已发生较大塑性变形,见图8中出现的塑性变形区域.该区域因雨水软化,导致土体强度不足,而孔隙水压力增大,发生了较大塑性变形.图8 降雨1 h后边坡塑性应变Fig.8 Plastic strain of slope after 1 h rainfall在实际状态下,受多种因素影响,雨水还会沿粉质黏土层所在坡面位置渗出,内部土体颗粒被冲刷出坡体,土体易发生冲蚀或滑流.因此,该区域土体可能发生破坏和一定程度滑移.随着降雨持续,经过4.5 h，在黏土层上部,坡面浅层土体发生塑性破坏并沿坡面向上发展,最终形成连续塑性破坏面,见图9.由于该区域土体破坏,其上部土体缺乏支撑,坡面会产生浅层滑坡,验证了2.2节中短时强降雨易发生浅层土体滑坡的结论.3.4 不透水黏土层的影响经过强度折减的边坡因黏土层上部土体产生连续贯通的滑动面而失稳破坏,见图10中形成的滑动带.该过程中黏土层的变形不大,而黏土层上部透水土体受强度削减首先破坏.结合渗流场和边坡局部塑性破坏的演化过程分析,边坡底部不透水的黏土层受降雨影响并不明显,但由于黏土层阻挡入渗雨水补给地下水,使得水不易在坡体内消散,雨水逐渐聚集在坡面和边坡内部,加速上部透水土层形成饱和区,威胁边坡安全. 图9 降雨4.5 h后坡面浅层形成连续塑性破坏面Fig.9 Continue plastic failure surface after 4.5 h rainfall图10 边坡形成连续贯通塑性变形Fig.10 Perforation of plastic zone in slope 综合上述分析,该基坑边坡对强降雨较敏感,短时间内易发生浅层滑坡破坏.因此该边坡应在降雨前进行加固处理,在梅雨季节施工时,应警惕降雨,及时采取相应的基坑降水措施.4 结论1) 对比降雨时长,降雨强度对边坡稳定性影响更大;短时强降雨可迅速在边坡浅层土体形成饱和区,并逐步从坡脚往坡顶延伸,极易造成边坡浅层滑坡事故.2) 最大的安全系数降幅发生在降雨初期24 h 内,24 h后边坡的安全系数降幅会随着降雨持续逐渐减小.3) 边坡内不透水的黏土层在降雨过程中所受影响不大,但黏土层的存在会加速上层透水土体形成饱和区,影响边坡稳定性.参考文献：【相关文献】[1] 李炎隆,陈波,马成成,等.基于ABAQUS的降雨入渗条件下基坑边坡稳定性分析[J].应用力学学报,2017,34(1):155-161,203-204.(Li Yan-long,Chen Bo, Ma Cheng-cheng,et al.Study on the stability of the foundation pit slope under rainfall infiltration conditions based on ABAQUS[J].Chinese Journal of Applied Mechanics,2017,34(1):155-161,203-204.)[2] Liu Z Z,Yan Z X,Duan J, et al.Infiltration regulation and stability analysis of soil slope under sustained and small intensity rainfall[J].Journal of Central SouthUniversity,2013,20(9):2519-2527.[3] Lan H X,Zhou C H, Lee C F,et al.Rainfall-induced landslide stability analysis in response to transient pore pressure—a case study of natural terrain landslide in HongKong[J].Science in China(Series E:Technological Sciences),2004,47(1): 1-8.[4] Collins B D,Znidarcic D.Stability analyses of rainfall induced landslides[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2004,130(4):362-372.[5] 陈丽刚.基于ABAQUS渗流与应力耦合作用的边坡稳定性分析[D].郑州:郑州大学,2010. 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