不同降雨模式下土質(zhì)邊坡滲流場分析的數(shù)值模擬研究

摘 要：為準(zhǔn)確分析短期強降雨、長期弱降雨和周期性降雨中哪種降雨模式對土質(zhì)邊坡滲流場的影響最大，根據(jù)非飽和土滲透系數(shù)和飽和土滲透系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，該文利用FLAC3D軟件監(jiān)測降雨入滲過程中的地下水位，并用FISH語言實時更新非飽和土的滲透系數(shù)，進而確定邊坡內(nèi)部的滲流場變化規(guī)律。在廣西平陸運河邊坡工程現(xiàn)場中監(jiān)測坡面土質(zhì)含水量的變化，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行比較，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。通過該文提出的數(shù)值模擬分析程序，繪出在不同降雨模式下邊坡上非飽和土的滲流特征情況，研究結(jié)果可指導(dǎo)邊坡工程在降雨過程中制定支護方案。

關(guān)鍵詞：邊坡工程；降雨模式；滲流場；數(shù)值模擬；非飽和土

中圖分類號：TU43 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0090-04

Abstract： In order to accurately analyze which rainfall mode has the greatest influence on the seepage field of soil slope among short-term heavy rainfall， long-term weak rainfall and periodic rainfall， according to the corresponding relationship between the permeability coefficient of unsaturated soil and the permeability coefficient of saturated soil， we use FLAC3D software to monitor the groundwater level in the process of rainfall infiltration， and use fish language to update the permeability coefficient of unsaturated soil in real time， and then determine the variation law of seepage field in the slope. The change of soil water content on the slope was monitored in the Pinglu Canal slope project in Guangxi， and the numerical simulation results were compared with the field test data to verify the reliability of the numerical simulation results. Through the numerical simulation analysis program proposed in this paper， the seepage characteristics of unsaturated soil on the slope under different rainfall modes are drawn， and the research results guide the slope engineering to formulate the support scheme in the process of rainfall.

Keywords： slope engineering; rainfaGZBTzePtEyhB8uehVjTBQdi0Cfia2L0TiNJ1mGY9UmA=ll model; seepage field; numerical simulation; unsaturated soil

降雨模式包括長期弱降雨、短期強降雨、雨季周期性降雨。在降雨過程中，由于地下水位的上升，邊坡負(fù)孔隙壓力和安全系數(shù)急劇下降。在過去的幾十年中，越來越多的研究人員開始研究不同降雨模式下邊坡滲流場的變化規(guī)律[1-2]。該研究從降雨模式的2個方面進行[2]：降雨強度和持續(xù)時間[3-4]。在研究降雨對邊坡穩(wěn)定性影響的過程中，研究人員更愿意研究短期強降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響[5]。然而，在長期弱降雨和周期性降雨期間，有許多邊坡工程事故發(fā)生[6-8]。

由于試驗條件的限制，一些研究人員轉(zhuǎn)向數(shù)值模擬軟件來模擬和分析降雨條件下邊坡的滲流場變化規(guī)律。數(shù)值模擬軟件包括GEO-slope、FLAC3D等。此外，GEO-Slope軟件的滲漏模塊僅限于分析二維邊坡的安全性。因此，一些研究人員轉(zhuǎn)而使用FLAC3D來分析降雨條件下三維邊坡的安全性。FLAC3D軟件在模擬滲流過程中無法考慮非飽和土的滲透系數(shù)，從而使得滲流場計算結(jié)果有一定偏差。因此，有必要使用FLAC3D軟件的FISH語言在降雨期間實時更新非飽和土的滲透系數(shù)。

本文研究目的是在FLAC3D軟件模擬降雨入滲過程中實時更新非飽和土滲透系數(shù)的有效方法，分析短時強降雨、長時間弱降雨和周期性降雨模式中哪種模式對邊坡滲流場影響更大。本文利用FLAC3D軟件的FISH語言監(jiān)測降雨過程中邊坡土壤孔隙壓力和含水量的變化規(guī)律，為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將含水率變化規(guī)律與現(xiàn)場試驗結(jié)果進行了對比。利用數(shù)值模擬軟件模擬不同降雨模式下邊坡孔隙壓力的變化規(guī)律，確定何種模式對邊坡滲流場影響最大，并將模擬結(jié)果作為分析雨季實際邊坡穩(wěn)定程度的參考。

1 現(xiàn)場試驗結(jié)果驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性

為了驗證數(shù)值模擬程序的準(zhǔn)確性，對現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行了對比分析。以廣西平陸運河馬道樞紐范圍內(nèi)陸上的某段邊坡工程為例，根據(jù)邊坡工程在現(xiàn)場試驗中的實際情況，建立了相應(yīng)的數(shù)值模擬計算模型（如圖1所示）。地下水位分別距模型左右兩側(cè)底部12 m和15 m。邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)和SWCC參數(shù)見表1。

為了模擬降雨過程中邊坡滲流場的變化，將邊坡模型的降雨密度設(shè)置為16 mm/h。選擇命令“vwell”作用于邊坡表層土體模擬降雨，荷載值為4.44×10-6 m/s。降雨持續(xù)時間值為4 h，對應(yīng)于現(xiàn)場試驗。在計算過程中，邊坡飽和土的滲透系數(shù)為1×10-7，非飽和土滲透系數(shù)實時更新。

在數(shù)值模擬計算過程中采集邊坡模型監(jiān)測點孔隙壓力的變化，并將其值轉(zhuǎn)換為土壤含水量。在轉(zhuǎn)化過程中，將孔隙壓力大于0的土壤單位含水率強行設(shè)定為飽和含水率值。將變換結(jié)果與實際監(jiān)測點土壤含水量變化進行比較，結(jié)果如圖2所示，確定數(shù)值模擬計算的準(zhǔn)確性。

從圖2可以看出，在土壤含水量由殘余含水量向飽和含水量轉(zhuǎn)變的過程中，實際監(jiān)測值與模擬計算值之間的土壤含水量總體趨勢接近。但除了監(jiān)測點含水量從非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)的計算時間略小于實際監(jiān)測時間外，2種土壤達到飽和的時間差為20 min，其差異的主要原因是數(shù)值模擬的計算結(jié)果較為理想，而實際監(jiān)測值受試驗條件、監(jiān)測儀器設(shè)備等因素影響有偏差。

2 不同降雨模式下邊坡滲流場變化規(guī)律

2.1 降雨模式的設(shè)定

在實際工程中，降雨模式主要包括長期連續(xù)弱降雨和短期周期性強降雨。為了分析不同降雨模式下邊坡滲流場的變化情況，本文制定了5種降雨模式。模式1是指長期連續(xù)的弱降雨；模式2是在短時間內(nèi)持續(xù)暴雨；模式3—模式5為長期周期性強降雨。周期性強降雨的間歇性過程意味著沒有降雨。這些降雨模式的具體降雨強度和持續(xù)時間顯示在表2中。弱降雨的降雨密度為8 mm/h，強降雨的降雨密度為16 mm/h，計算持續(xù)時間為8 h，總降雨量為128 mm。

2.2 邊坡滲流場的監(jiān)測點設(shè)置

為了分析5種降雨模式對邊坡土質(zhì)孔隙壓力的影響，將5種降雨模式加載到邊坡上并計算滲流場。邊坡模型、地下水位和土壤孔隙壓力監(jiān)測點分別位于邊坡的頂部、中部和底部，示意圖如圖3所示。

2.3 不同降雨模式下的邊坡滲流場模擬結(jié)果

通過對比模式1和模式2的結(jié)果，可以詳細(xì)分析短期強降雨和長期弱降雨對邊坡孔隙壓力的影響。模式3、模式4和模式5孔隙壓力結(jié)果可用于分析周期降雨對邊坡孔壓力的影響[9]。降雨條件下邊坡不同位置孔隙壓力的變化規(guī)律如圖4—圖6所示。

不同降雨模式下，邊坡不同位置監(jiān)測點的孔隙壓力變化規(guī)律相對相似。也就是說，隨著降雨時間的不斷增加，邊坡表面的孔隙壓力不斷減小。但在周期性降雨的無降雨或小雨過程中，邊坡監(jiān)測點孔隙壓力略有增加。負(fù)孔隙壓力增幅最大的監(jiān)測點位于邊坡底部，其次是邊坡中部、邊坡頂部。

為了分析短期強降雨和長期弱降雨對邊坡孔隙壓力的影響，對比了模式1和模式2下的邊坡孔隙壓力數(shù)據(jù)。模式1是指長期連續(xù)的弱降雨：模式1的降雨密度為8 mm/h，降雨持續(xù)時間為8 h。模式2是指短時間內(nèi)持續(xù)暴雨：降雨密度為16 mm/h，前4 h為降雨持續(xù)時間，隨后4 h為無降雨。在連續(xù)降雨的前4 h，2種降雨模式下邊坡負(fù)孔隙壓力持續(xù)快速減小，直至邊坡監(jiān)測點孔隙壓力接近0，模式2降雨條件下邊坡孔隙壓力降低幅度大于模式1；在降雨模式的第二個4 h過程中，模式1仍處于連續(xù)降雨狀態(tài)，監(jiān)測點孔隙壓力值不斷減小，但其下降速度變慢。而模式2處于無雨狀態(tài)，坡面土體負(fù)孔隙壓力迅速增大，然后趨于平坦。

通過對比模式3、模式4和模式5等周期性降雨條件下孔隙壓力的變化規(guī)律，分析周期性降雨對邊坡孔隙壓力的影響。結(jié)果表明，周期越短，循環(huán)降雨次數(shù)越多，孔隙壓力變化范圍越小，越接近模式1的孔隙壓力變化規(guī)律。

綜上所述，在周期性降雨過程中，邊坡表面土壓的變化范圍大于邊坡內(nèi)土體孔隙壓力的變化范圍。在降雨過程中，邊坡表層土體孔隙水壓力不斷減小，浸水線趨于向邊坡頂部發(fā)展。當(dāng)停止降雨時，邊坡表層土的孔隙壓力迅速減小。監(jiān)測時間結(jié)束時，表層土的孔隙壓力略大于邊坡內(nèi)土壤的孔隙壓力。

3 結(jié)論

本文利用FLAC3D的FISH語言實時更新了非飽和土的滲透系數(shù)，從而準(zhǔn)確模擬和計算了降雨入滲過程中孔隙壓力的變化規(guī)律。利用FISH語言的編程功能對坡面土體孔隙壓力進行修正。主要步驟包括監(jiān)測土壤元素的孔隙壓力值。如果坡面土的孔隙壓力值為正，則需要將其校正為零，否則孔隙壓力保持不變。選取實際邊坡工程作為研究對象，設(shè)置土壤含水量監(jiān)測點。將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，結(jié)果表明差異較小。因此，降雨條件下邊坡滲流數(shù)值模擬計算方法具有一定的可靠性，為研究提供了一定的可靠性。

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