Study on the Variation Law of Volumetric Water Content of
Slope Under Rainfall Conditions
SU Wenji 1,2,YANG Xing 1,2,ZHENG Zhiwen 3,ZHANG Wei 3
(1.School of civil and transportation ,South China university of technology ,Guangzhou ,Guangdong 510641,
China ;2.South China Institute of Geotechnical Engineering ,South China university of technology ,
Guangzhou ,Guangdong 510641,China ;3.Guangdong Geological Environment Monitoring Station ,
Guangzhou ,Guangdong 510510,China )
Abstract :Continuous rainfall is one of the main causes of instability and failure of slope ,Based on the
saturated -unsaturated seepage theory ,this paper simulates the seepage field of a slope in Dapu County ,Meizhou City ,and studies the temporal and spatial variation of the volumetric water content of the slope under different rainfall conditions.The results show that:under the same conditions ,the great
er the rainfall intensity (the longer the rainfall duration ),the greater change the volumetric water content of the slope surface soil.The
rainstorm with a rainfall intensity of 60mm/d and a duration of 1d has a certain hysteresis on the increase of the
收稿日期:2018-11-15
项目资助：广东省国土资源厅科技项目(编号GDGTKJ2018004)
通讯作者：宿文姬(1969-)，女，博士，副教授，从事地质灾害监测与防护工程研究。E-mail :tbyswj@163.
宿文姬1,2，杨惺1,2，郑志文3，张伟3
(1.华南理工大学土木与交通学院，广州510641;2.华南理工大学华南岩土工程研究院，广州510640;
3.广东省地质环境监测总站，广州510510冤
第39卷第1期2019年03月
华南地震
Vol.39,NO.1Mar.,2019
摘要：持续降雨是边坡发生失稳破坏的主要诱因之一，基于饱和—非饱和渗流理论，对梅州市大埔县某边坡的渗流场进行模拟，研究在不同降雨工况下该边坡土体体积含水率的时空变化规律。研究结果表明：相同条件下，降雨强度越大(降雨历时越长)，边坡表层土体体积含水率变化越大；降雨强度60mm/d 历时1d 的暴雨对边坡表层土体体积含水率的增幅作用存在着一定的滞后性，其余工况未表现出滞后现象；降雨强度为120mm/d 和300mm/d 的两种工况各研究点任意时段体积含水率较为接近；当降雨强度达到60mm/d 以上时，边 坡内部体积含水率空间变化主要受降雨历时影响，降雨历时越长，降雨入渗深度和体积含水率变化越大。关键词：降雨强度；降雨历时；体积含水率中图分类号:TU43
文献标志码:A
文章编号:1001-8662(2019)01-0001-06黄宗羲定律
DOI ︓10.13512/j.hndz.2019.01.001宿文姬，杨惺，郑志文，等.降雨条件下边坡体积含水率变化规律研究[J].华南地震,2019,39(1):1-6.[SU Wenji ,YANG Xing ,ZHENG Zhiwen ,et al.Study on the Variation Law of Volumetric Water Content of Slope Under Rainfall Conditions [J].South China journal of seismology ,2019,39(1):1-6]
39卷
华南地震
volume moisture content of the surface soil on the slope,while the rest of the working conditions do not show hysteresis.When the rainfall intensity was120mm/d and300mm/d respectively,the volumetric moisture content of each research point at any time period was relatively close to each other;When the rainfall intensity reaches 60mm/d or more,the spatial change of volume water content inside slope is mainly affected by the duration of rainfall.The longer the duration of rainfall,the greater the change of rainfall infiltration depth and volume water content.
Keywords:Rainfall intensity;Rainfall duration;Volumetric water content
0引言
持续降雨是边坡发生失稳破坏的主要诱因之一，一方面，降雨使得土体重度增加，增大了土体的下滑力；另一方面，降雨入渗造成土体的含水率发生变化，含水率的增加不同程度地降低土体抗剪强度，进而影响边坡的稳定性。很多学者针对土质边坡的降雨入渗展开了深入研究：蒋中明等[1-4]通过数值模拟从降雨强度、降雨历时和前期降雨等方面探讨边坡渗流特征；左自波等[5-7]采用试验手段研究了降雨入渗条件下边坡内部的渗流特性，取得了良好的结果。以上研究内容从各个角度分析了边坡在降雨条件下的渗流特征，但针对降雨条件下边坡内部体积含水率时空变化规律的分析较少。为此，本文基于饱和—非饱和渗流理论，对降雨条件下饱和—非饱和土边坡渗流场进行模拟，研究不同降雨强度和降雨历时对边坡体积含水率时空变化规律的影响，为探讨边坡失稳机理和实际工程治理提供依据[8]。
钻采工艺
1饱和—非饱和渗流理论
1.1饱和—非饱和渗流达西定律
渗流是液体在多孔介质中的流动,1856年法国工程师达西通过研究砂层的渗透试验总结得到了线性渗透定律，即为达西定律，该定律主要描述了流体速度v与总水头梯度和渗透系数之间的函数关系，可用来表达饱和土体中水的流动特性:
v w=-k w∂h w∂y(1)其中,∂h w∂y为水力梯度;k w为饱和渗透系数; v w为水流速度。
1.2饱和—非饱和渗流基本微分方程
在进行降雨条件下边坡渗流场分析中，降雨入渗的流动问题一般可简化为二维流动问题。在推导微分方程之前，首先做如下假定:(1)微元体只发生x、y两个方向流动，且土体形状不受到水流作用的改变;(2)在渗流计算中，假设渗流方向各项同性。推导得出的二维饱和—非饱和渗流微分方程为[9-10]:
m v p w g∂h w∂t=∂k w
∂h w∂x
[]啄x+∂k w∂h w∂y[]
碱性硅溶胶
信息监控系统∂y(2)式中:m v为与基质吸力变化有关的水的体积变化系数，是土水特征曲线斜率的绝对值;p w为土体中渗流体的密度;h w为某处一点的总水头，总水头大小为位置水头和压力水头之和;k w为土体的渗透系数。
2数值模型
2.1计算模型
(1)模型概况。以梅州市大埔县某一边坡为工程背景，该边坡坡高10m，坡角51.34°，边坡土层自上而下分为砂质黏性土和砾质黏性土。利用geo-studio的seep/w板块建立有限元模型。模型左侧地下水位高程为6m，右侧地下水位高程为2 m。模型网格尺寸为0.25m，整个模型包括5942个节点,5784个单元(图1)。本文以图1中边坡上部、中部和坡底以下0.5m左右的三个节点作为研究特征点，以Ⅰ-Ⅰ截面为研究辅助截面。(2)土层参数。土层饱和体积含水率根据土工试验报告成果取平均值，其中，砂质黏性土的饱和体积含水率为0.4297，砾质黏性土的饱和体积含水率为0.4007。渗透系数根据单环法试验得出，砂质黏性土渗透系数取2.97×10-7m/s，砾质黏性土渗透系数取5.56×10-7m/s。各土层的土水特征曲线是根据土层的饱和体积含水率，利用seep/w自带的样本函数拟合得出的，而渗透系数曲线是根据土层的土水特征曲线和饱和渗透系数，利用Van
2
第1期图3砾质黏性土土水特征曲线
Fig.3Soil water characteristic curve of Grave
clay
图1边坡数值模型Fig.1Slope numerical
model
Genuchten 模型生成的，两土层土水特征曲线和渗透系数曲线分别如图2~5所示。
宿文姬等：降雨条件下边坡体积含水率变化规律研究
图2砂质黏性土土水特征曲线
Fig.2Soil water characteristic curve of sandy clay
图4砂质黏性土渗透系数曲线
Fig.4Permeability coefficient curve of sandy clay
(3)边界条件。①地下水位以下的侧边界为定水头边界，水头值等于高程值，模型最下部为不透水边界;
②地下水位以上的侧边界按零流量边界处理;③坡顶和坡面设定为流量边界或定水头边界,
具体原则如下：当降雨强度大于边坡饱和渗透系数时，雨水不完全入渗，这时视作定水头边界;
当降雨强度小于渗透系数时，雨水完全入渗，视作流量边界。2.2计算工况
根据国家气象部门关于降雨量标准的规定,
当降雨强度大于50mm/d 时为暴雨，降雨强度大于100mm/d 为大暴雨，降雨强度大于250mm/d
图5砾质黏性土渗透系数曲线
Fig.5Permeability coefficient curve of Gravel clay
3
39卷华南地震
为特大暴雨。由于大浦县边坡失稳多发生在降雨较大情况下，根据近十年部分监测站点显示日最大降雨量达230mm，因此，结合本文研究目的和实际不利情况设置了如下5种降雨工况，各工况对应的降雨强度和降雨历时如表1所示。其中，工况1~3旨在研究相同降雨时间下不同降雨强度对边坡体积含水率分布的影响，工况1、4、5旨在研究在同一降雨强度不同降雨历时对边坡体积含水率的影响。
表1不同工况下降雨强度和降雨历时表Table1Rainfall intensity and rainfall duration under
different conditions
工况降雨强度/(mm/d)降雨时间/(d)计算时长/(d) 16015 212015 330015 46025 56035
3数值模拟结果分析
3.1不同降雨强度入渗对体积含水率的影响
经过对模拟结果进行整理，得出三个节点在不同降雨强度下体积含水率的变化趋势，分别如图6~8所示。
对比三种工况，可以发现不同降雨强度下，同一节点土体含水率在降雨过程中都随着降雨时间增大而增大，其中，降雨强度越大，土体含水率增加的幅度越大；当降雨停止一段时间后，土体含水率逐渐减小。由图6~8可知，工况1中A 点含水率在27h达到最大值，位于边坡中部的B 点体积含水率则在30h达到最大值，而坡脚处的C点体积含水率于24h达到最大值，其他两种工况下各节点体积含水率均在24h达到最大值。这说明了当降雨强度较小时，降雨对土体含水率的增幅作用不是在雨停后立即消散，表现出滞后特点，也间接验证了边坡在降雨条件下出现最不稳定的状态相对于雨停时间存在滞后性这一普遍结论的正确性。
对比图6~8的工况2(降雨强度120mm/d)和工况3(降雨强度300mm/d)各研究节点体积含水率变化趋势，可以发现在这两种工况下，各研究节点在同一时段体积含水率差值不大，说明土体含水率变化幅度不
仅与降雨强度有关，而且很大程度取决于土体的渗透系数，由于工况2和工况3降雨强度远大于渗透系数，大部分降雨形成地表径流，沿坡面流出，导致两者有效入渗量接近，因此体积含水率变化幅度相近。同时，从图8可以看出，三种工况下坡脚体积含水率变化较为接近，说明降雨对边坡坡脚影响较大。
图6A点不同降雨强度体积含水率变化图Fig.6Change in volumetric water content of different rainfall
intensity at point A
图7B点不同降雨强度体积含水率变化图Fig.7Change in volumetric water content of different rainfall
intensity at point B
图8C点不同降雨强度体积含水率变化图Fig.8Change in volumetric water content of different rainfall
intensity at point
C
4
第1期图12Ⅰ-Ⅰ截面在工况1下含水率与坡高变化关系Fig.12Relationship between volumetric water content and slope height in I-I section under working condition of 1
3.2不同降雨历时对体积含水率的影响
为研究不同降雨历时对边坡体积含水率的影响，设置60mm/d 的降雨强度，分析降雨历时分别为1d 、2d 、3d 时边坡上部、中部和坡底三个节点体积含水率的变化情况，整理结果如图9~11
图11C 点不同降雨历时体积含水率变化图
Fig.11Change in volumetric water content of different rainfall
veadurations at point C
图9A 点不同降雨历时体积含水率变化图
Fig.9Change in volumetric water content of different rainfall
durations at point
A
图10B 点不同降雨历时体积含水率变化图
Fig.10Change in volumetric water content of different rainfall
durations at point B
所示。从图中可知：相同降雨强度下，降雨历时越长，降雨对土体含水率的增幅作用越大，同时，当
新鸿门宴
降雨历时较短时，边坡各点体积含水率达到峰值的时间不尽相同，各节点体积含水率达到峰值的顺序依次为坡脚—坡顶—边坡中部。3.3体积含水率空间变化规律
体积含水率的变化还表现在边坡的空间位置上，以边坡中部的Ⅰ-Ⅰ截面为研究辅面，研究边坡在工况1(降雨强度60mm/d ，历时1d )工况3(降雨强度300mm/d ，历时1d )和工况5(降雨强度60mm/d ，历时3d )下，该截面不同高程下含水率的变化规律，各工况变化趋势分别如图12~14所示。
对比图12和图13可以发现：降雨过程中，工况1降雨入渗深度在1.5m 左右，高程最大处节点体积含水率峰值为0.4235；工况3降雨入渗深
度为2m ，高程最大处节点体积含水率峰值为0.4267。说明在相同降雨时间下，降雨强度越大，入渗深度越大。
对比图12和图14可以发现：降雨过程中工况5中降雨入渗深度在3.5m 左右，高程最大处节点体积含水率峰值为0.4289，说明相同降雨强度下，降雨历时越长，雨水入渗深度越大。
由图13和图14可知：虽然工况3总降雨量(300mm )比工况5(180mm )大，但是工况5降雨
对边坡表层土体体积含水率影响更大，以高程11m 左右的节点为例，工况3该处节点体积含水率增加了0.03，工况5增加了0.06，说明了当降雨强度大于渗透系数时，长时间暴雨工况比短时间特大暴雨工
况对边坡更不利
。
宿文姬等：降雨条件下边坡体积含水率变化规律研究5
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