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降雨诱发滑坡稳定性分析
Brian D. Collins, S.M.ASCE,1 and Dobroslav Znidarcic, M.ASCE2
摘要：降雨诱发的边坡稳定性问题包括边坡失稳。具体而言，对最初的不饱和斜坡稳定性的正负空隙水压力的同时影响进行详细的解释并耦合无限的边坡分析方法，提出一个公式以预测降雨事件导致的边坡失稳的发生。这个构想作为一个基准的分析方法，以评估受地表入渗导致的潜在不稳定土壤斜坡并解释可能发生的基于斜坡几何、土壤强度和入渗参数等个别组合组成的触发机制。程序的方法是利用解析公式预测安全系数的变化来概述边坡入渗并可通过详细分析的案例研究来验证该方法。大量涉及初始时间与出事深度与土壤、坡度和降雨参数的关系的表格被制作出来。
DOL：10.1061/（ASCE）1090-0241~2004（130:4~3620
关键词：滑坡；边坡稳定性；降雨；岩屑；渗流；抗剪强度；分析技术。
引言
滑坡对世界范围内的生命和财产安全构成了主要威胁，尤其在强降雨的残积土地区。在经历了漫长的炎热随后伴临着强降雨的地势险峻地区，大规模不稳定的土壤斜坡每年对大量人口造成威胁。虽然边坡事故的发生可能是由人为因素引起的，如已施工为目的的施加边坡荷载和坡脚开挖，但许多事故发生的根本原因是由于雨水浸湿了不稳定的斜坡。
几乎所有的边坡稳定性分析都认为降雨改变了地下水流动模式，导致了水压力增加和地下水位上升。对于细长的斜坡，它往往假定地下水位平行于斜坡表面，并通过简单上升来减少边坡的稳定性（坎贝尔1992；克雷格1974）。如果这个地下结构的实际情况是一个特定的领域或区域模式，那么这些分析就提供了一个准确的先验，稳定性评价。
然而在许多情况下不应该假设低下水位上升，因为其他空隙水压力在土壤中的分布可能取决于土壤的渗透性。一些渗透剖面可能会导致在斜坡表面附近出现上层滞水（由于不饱和轮廓），从而无法正确地使用传统的方法进行分析。因此，不同于传统研究的触发机制是可能的，并可能有助于描述并解释其他可能出现事故的原因。本文将分析这种触发机制。
在各种地形上工作的研究人员已经观察并分析有不同机制导致的降雨诱发滑坡。从强烈的降雨饱和边坡孔隙水压力产生的影响进行了分析（例如，约翰逊和斯塔 1990；范宁和雅科拉 1999）已经变成一个土壤剖面和可能的静态液化多向地下水渗流的影响（艾弗森和梅杰 1986）。此外，一些研究人员观察分析边坡事故由于降雨入渗，在土壤剖面中无法形成正空隙压力，事故的发生是由于当吸力消失时非饱和土抗剪强度的损失导致的（例如，坎和赛斯 1991；拉哈尔佐和弗雷德隆德 1995）。
在这些研究中，研究人员得出结论，降雨引起的滑坡启动是一个复杂的问题，涉及到渗流力分析，土壤渗透的过渡路径不饱和的情况，饱和与非饱和土的抗剪强度。 然而到目前为止，一在传统的边坡稳定框架内采用了完整的瞬态渗流和渗流分析的分析方法还没有被开发。本文提供了一种将降雨纳入传统的边坡稳定性分析，并提供了一个在合理的基础上无论是在饱和或不饱和的情况下都可以解释各种可能的失效机理的程序方法。
渗透概念
降雨滑坡经常发生的相对较浅的失败面的区域，其中平行取向的斜面剩余或冲积土层已经形成了一个基石接口（拉哈尔佐 等 1995）。这些特性允许使用无限的斜坡假设来分析发生在一个斜坡的孔隙压力分布。即使在不同坡面地形区，在山脊和空心内存在巨大的空间变异，山体滑坡通常发生在浅层，在更大的框架的线性特征中已成功地进行了无限边坡的假设（迪特里希等 1995）。
渗流对边坡稳定性的影响通常是通过计算边坡的安全系数和临界埋深的计算方法来解决的，而边坡的渗流与边坡的渗流平行。对于一个无限的边坡，边坡的渗流平行于坡面。这种类型的分析假设饱和的稳定状态流动发生在土壤深度的给定片段（克雷格 1992,；冢本等 1998），但是，为了简化分析为“最坏情况”渗透的情况下，它往往是假设潜水面上升到与坡面并坡面完全饱和。 对于这些饱和的山坡上，附加渗透是不可能的，雨水不会有任何进一步的对边坡稳定性影响，除非毛细管效应在边界是存在。
对于最初是不饱和的斜坡，降雨对在坡面上的影响会有一个显着不同的效果。这个孔隙水压力模式，发展在土壤中会发生一个短暂的过程，随着浸润水向下移动土壤剖面。要正确执行不饱和稳定性分析，几个在饱和分析不考虑的因素必须并入。土体的抗剪强度将取决于孔隙水压力分布的程度（负孔压），并将在下一节更详细地讨论。渗透力在坡上的展开也将取决于孔隙水压力分布的演变。要计算孔隙水压力分布的变化，必须利用非饱和土的水流量方程。
对于一个均匀的，各向同性的土壤，三维流体流动可以用李察方程模拟总压头 （见弗里兹和谢里 1979）.
h:总压头；theta;：作为压力头的函数hp指定的体积含水量 并等于S.n（s为饱和度；n为空隙）；k为水力传导率也被指定为一个函数hp； x，y，z：三角坐标；t：时间。这个控制方程可以用来确定总的或压力的头剖面的水相随着时间推移的变化。在这一提法中的空气相流被忽略，假设孔隙空气是在大气压力下，可以自由地出入的土壤。
压头Eq.压头计算简介。有关容积含水量和水力传导系数必须知道。这些关系可以利用实验室方法或经验数据得到（见弗雷德隆德和拉哈尔佐1993）. 此外，它最近已示出的曲线是应力依赖性，并应在适当的条件下进行测试。典型的吸气容积含水量和吸水力传导系数与细粗颗粒土壤的曲线图如图所示。1.第三组曲线的“标记和研究土壤”也包括在内，用于在后面的章节中提出的分析。随着吸力，体积含水量增加，液压导电性降低。这是由于数量较少流体连通的孔隙内的土壤结构，减少可用于水流量的通道数的原因。确定在特定气候条件下的渗透模式。（1）可以解决数字。初始条件，边界条件，土壤性质将取决于现场条件。
图1.粗粒土，细颗粒土，土不饱和特性曲线：a吸力体积含水量曲线和b吸水力传导曲线
渗流分析
如前所述，浅层滑坡的失败往往是使用无限边坡分析。如果每一片都是无限
长坡受相同数量和强度的降雨，个别切片可以作为一个一维的土壤柱受垂直入渗。任何横向流动引起由相邻切片间的高度差 在上坡和下坡的切片边界是平等的。因此，只考虑垂直渗透不违反流量连续性要求。利用一维平行分析和二维浸润证实了所产生的孔隙压力分布是相同的一个无限的斜坡（柯林斯1997）. 探讨发展的渗透模式在一个无限的斜坡片，一维渗流分析使用饱和/非饱和渗流有限元计算SEEP/W。以3times;40一维分析网格来表示一个4米深土设计柱。在这些分析中，渗透发生在顶部的列，而底部的列被分配为排水（渗水）边界。不透水边界条件
也可以选择，以模拟一个给定的领域条件，并将导致相同的结果，直到时间的饱和度前面的轮廓和存在导入池塘水。假定一个在所有分析中的初始条件下的静吸分布。这是合理的在许多情况下，在现场条件下的估计。其他初始条件当然是可能的，无论是从轻微的渗透，从降雨或渗透向上由营养覆盖或蒸发引起的吸力并且应该被建模为适当的站点特定的条件。降雨入渗的典型细、粗分析利用非饱和特征对粮食土壤的影响在曲线1显示，这代表“典型”的土壤。
用顶边界条件模拟入渗降雨，重要的是要实现一个流入边界大于饱和导水率的条件，Ksat将导致液压梯度大于团结，因此正孔隙压力将在表面形成。因为在顶部表面的正压头的存在是类似于有积水的情况，因为它是明显的那积水走斜坡，最大应用降雨，可以渗透到一个斜坡将是一个降雨保持顶面上的压力头等于零。这个最大入渗率，土壤，从而将由一个顶部指定而不是磁通的边界条件。在下面的分析，顶部边界条件设置为总头等于4米（即50）。因此，这一顶边界条件类似于降雨强度大于或等于Ksat与非浸润性降雨流失的斜坡。并行使用这两个条件进行分析，由柯林斯1997年在验证了这一点。如果现场结果表明，降雨强度小于Ksat，那么通量边界条件将在以下章节中的显示更为合适。然而，如果在风暴事件中真的平均流量代表最大降雨强度，那么它是很难预测的。
图2. 压头之间的关系（Hp或Hc），海拔头（he），和液压梯度（i）饱与和不饱和渗透机制
作为一个了解以下背景的分析，曲线2介绍了压力头的原理图和相应的水力梯度与垂直入渗向地下水位。左大部分配置文件代表无流量的流体静力学状态。零压头剖面与单位梯度浸润，而右侧倾斜的配置文件是与不断增加的梯度。因此，在一个点上的压力头部轮廓的斜率是直接相关的水力梯度，在该点。这个数字可以用来理解发生在这里的更详细的渗透分析的力学和流程过程。
在曲线3和4中分别给出了细、粗粒土入渗分析的压头结果。从时间上显示，在粗粒土的渗透比不饱和土壤要快得多。与细颗粒土壤相比存在于粗粒土的饱和水力传导率较高。然而，结果也表明，它是相对的不饱和特征曲线，有一个控制的压力分布的影响，而不是它们的绝对幅度的形状。在饱和度和渗透之前，与毛孔粗粒土比较细粒土输水较少。因此，当渗透开始，细颗粒土壤更自由地通过其通道网络，使阻力流的阻力最小和压力的头值超过稳定状态值不会出现。
图3.叠加稳定包络的细颗粒土的入渗结果
相反，初始饱和度和吸力对粗粒土的影响导致了较低的饱和状态。随着孔隙最初充满水，有更少的渠道可用于对于流体输送，因此水的流动受阻。随着渗透在顶部边界的开始，水被强制进入一个土壤，这使运送它的效率降低，这导致在积极的压力头的发展，作为渗透前的向下发展。因此，由于每个土壤的不饱和特征，较少的负或正压头相比细颗粒土更容易发展在一个粗粒土中。通过检查图4中的压力头剖面的斜率，可以得到以下几个结论。在渗透前的区域，孔隙水压力是正的，土壤是饱和的，水力梯度小于1. 梯度是最大的渗透前沿的土壤是不饱和的，具有较低的水力传导系数。积极的孔隙水压力的增加是由于需要“水”水向非饱和土与向下渗透。这种高梯度是不存在的渗透剖面细粒土的水力传导率的变化更缓慢。正孔隙水压力的发展与层上部的一个栖息的地下水位的建立类似。
图4. 叠加稳定包络的粗粒土的入渗结果
所提出的分析表明，在渗透过程中，吸气减少导致正孔压的增加。因此，无论是抗剪强度降低和渗透力的增加，都可能会导致滑坡的失败。两者中的哪一种机制得发生将主要取决于土壤的非饱和特征曲线的相对形状。
图5. 典型的无限坡片自由体图
边坡稳定性的概念
通过了解降雨入渗过程的过程中，降雨引起的边坡稳定性问题，现在可以得到更清楚地解决。由于初始事故往往有小的深度长度比和形式的事故平面平行的斜坡表面，使用无限的边坡稳定性评价分析是合理的（交通运输研究委员会1997年）。利用垂直一维分析方法对渗流过程进行了分析，在描述物理过程中有吸引力。然而，在传统的无限边坡分析中使用的方法，必须从渗透过程的结果考虑到孔隙水压力分布的变化。随后的分析将表明，可以启动的渗透过程中的2个不同的故障机制。在第一机制中，事故发生由于正孔隙压力，而在二种机制中事故发生，由于负孔隙压力。在第一机制中的渗透力将最有可能导致一个完整的液化失败。在二次机构中，材料仍处于不饱和状态，事故是由于吸减，而斜坡可能会以多或少刚体的形式移动。包括渗透力的稳定性分析，是相当于求和孔隙水压力沿边界，但用于这里的清晰度。使用稳定的孔隙压力值，而不是使用渗透力的最终表达式。
考虑到一个无限长的斜坡，坡角，从水平测量，在一个垂直的斜坡上的力量的力量包括重量的土壤和正常和剪切的反应力作用于基础上的切片（图5）。可以通过一个无限边坡破坏的公式认识到破坏面将发生在临界深度dcr。在无限的边坡分析中，由于它们是相等的和相反的方向，所以对该片的侧向力进行了分析。
图6. 水力梯度间的无限边坡剖面图lsquo;lsquo;irsquo;rsquo; and beta;, beta;*
与入渗过程相同，一个单独的切片可以作为一个一维土柱受垂直浸润。如前所述，在一片中渗透的水将从一个较高的海拔向比它稍低的斜坡运动。因此，即使对于相同的压力头文件，一个二维渗流模式将发展作为片头差高程的结果。把这种渗透模式的结果称为渗透力，如图5所示受力图。如果在一个给定的时间是已知的压力头分布，渗透力将随时间变化的方向，大小和位置的作用范围内的渗透过程的进展，可以很容易地计算。注意的是，在渗透前后渗透力只作用于一部分的饱和i.e。对于切片的不饱和部分，考虑总的单位重量和总应力。最终的表达式给出的函数的总单位重量的土壤和孔隙水压力（无论是正面是负面），而这种双重压力处理在一个单一的分析可能会有疑问。如果故障发生在饱和或不饱和部分的斜率，这种双重的方法是必要的与为了获得一个独特的表达为临界深度无关。
由于最初的垂直渗透发生，一个两维的流动制度，将导致在海拔头的切片如上所述的差异。 让beta;从横向的角度来描述渗流力的方向。可以通过检查的表面上的斜率的头部差计算出液压梯度，如图6所示。
hellip;hellip;
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（翻译已达到规定字数，余下内容略）
参考文献
Anderson, S. A., and Sitar, N. ~1995!. lsquo;lsquo;Analysis of rainfall-induced debris
flows.rsquo;rsquo; J. Geotech. Eng., 121~7!, 544–552.
Campbell, R. H. ~1974!. lsquo;lsquo;Debris flows originating from soil slips during
rainstorms in southern Californi
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