1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0638-12豆红强，谢森华，王浩，等 2023 降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡渗流特性与稳定性分析J 工程地质学报，31(2):638649 doi:1013544/jcnkijeg20220391Dou Hongqiang，Xie Senhua，Wang Hao，et al 2023 Numerical analysis of seepage characteristics and stability for spheroidal weathered granite-l
2、ike soilslopes under rainfall conditionsJ Journal of Engineering Geology，31(2):638649 doi:1013544/jcnkijeg20220391降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡渗流特性与稳定性分析*豆红强谢森华王浩简文彬(福州大学，紫金地质与矿业学院，福州 350116，中国)(地质工程福建省高校工程研究中心，福州 350116，中国)(福建省地质灾害重点实验室，福州 350002，中国)摘要降雨作为边坡失稳破坏的最常见诱因，在非均质性、非连续性特征显著的球状风化花岗岩类土质边坡中具有更为复杂的影响特征。依托
3、 ABAQUS 及其二次开发，通过构建降雨条件下球状风化体类土质边坡渗流模型，综合考虑降雨参数的影响，开展了降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡渗流特性与其稳定性研究。研究结果表明:受球状风化体影响，边坡浅层土体更快达到饱和，并且其饱和速率亦受风化体的埋藏深度、“迎雨”面横截面积和含量控制;降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡潜在滑动面仍表现出显著的复杂多样性，存在与无雨状态相似的滑面，也可能拓展形成新的浅层滑面;边坡安全系数与降雨历时和降雨强度为负相关，随着降雨的持续有趋于平缓的趋势，但也能在球状风化体的影响下失去平缓趋势而持续降低;在所设雨型中，渐变递增型对边坡稳定性影响最大。研究成果可为降雨
4、条件下球状风化花岗岩类土质边坡稳定性评价提供科学依据。关键词降雨入渗;降雨参数;球状风化体;数值模拟;边坡失稳中图分类号:TU18文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220391*收稿日期:20220623;修回日期:20220817基金项目:国家自然科学基金(资助号:42007235，U2005205，41972268)，福州市科技创新平台项目(资助号:2021P032)This research is supported by Natioanl Natural Science Foundation of China(Grant Nos 42007235，U200520
5、5，41972268)and Fuzhou Scienceand Technology Innovation Platform Project(Grant No 2021P032)第一作者简介:豆红强(1987)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事地质灾害及其防治等方面的科研与教学工作 E-mail:douhqfzueducn通讯作者简介:王浩(1978)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事滑坡与工程边坡等方面的科研与教学工作 E-mail:h_wang126comNUMEICAL ANALYSIS OF SEEPAGE CHAACTEISTICS AND STABIL-ITY FO S
6、PHEOIDAL WEATHEED GANITE-LIKE SOIL SLOPES UN-DE AINFALL CONDITIONSDOU HongqiangXIE SenhuaWANG HaoJIAN Wenbin(School of Zijin Geology and Mining，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China)(Geological Engineering esearch Center，Fujian Provincial University，Fuzhou 350116，China)(Key Laboratory of Geological
7、Hazards in Fujian Province，Fuzhou 350002，China)AbstractAs the most common cause of slope instability damage，rainfall has more complex influence characteris-tics in spheroidal weathered granite-type soil slopes with significant non-homogeneity and discontinuity characteris-tics Based on ABAQUS and it
8、s secondary development，a study on the seepage characteristics and stability of sphe-roidal weathered granitic soil slopes under rainfall conditions was carried out by constructing a seepage model forspheroidal weathered granitic soil slopes and considering the influence of rainfall parameters The r
9、esults of the stud-y show that the shallow soil of the slope is saturated more quickly under the influence of the spherical weatheringbody The saturation rate is also controlled by the depth of burial of the weathering body，the cross-sectional areaand content of the“rain-facing”surface The potential
10、 sliding surfaces of the spherical weathering granite-like soilslope under rainfall conditions still show a significant complex diversity，and there are similar sliding surfaces tothose in the rain-free state The slope safety factor is negatively correlated with rainfall duration and intensity，andten
11、ds to level off as rainfall continues，but can also lose its leveling off trend and continue to decrease under the in-fluence of spheroidal weathering bodies Among the rainfall types，the gradual incremental type has the greatest in-fluence on slope stability The results of the study can provide a sci
12、entific basis for evaluating the stability of spheri-cally weathered granite-like soil slopes under rainfall conditionsKey wordsainfall infiltration;ainfall parameters;Spherical weathering bodies;Numerical simulation;Slopeinstability0引言球状风化花岗岩类土质边坡在我国东南沿海地区广泛发育，受极端降雨和台风暴雨作用，该类边坡极易发生失稳破坏(冯涛等，2006;王浩等
13、，2011;Yh et al，2019)。笔者前期调研发现，仅厦成高速公路漳州段、沈海复线漳州段，由小直径和中等直径的球状风化体与花岗岩残积土或全风化花岗岩混合而成的类土质边坡，因降雨而触发的失稳就多达 30 余处。因此，面对当前东南沿海花岗岩球状风化发育区如火如荼的工程建设和日益增加的防灾减灾需求，开展降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡的稳定性分析迫在眉睫。降雨条件下边坡稳定性分析作为一个热点问题，国内外众多学者已对其开展了大量研究，从边坡现场试验到物理模型试验，从概念物理入渗模型到数值分析模型，从数学统计分析到边坡稳定可靠度分析等等，不一而足。如潘俊义等(2018)和孙萍等(2019)于黄
14、土边坡现场开展人工模拟降雨试验，实测了土体的含水率及土压力变化，分析总结了该类边坡变形破坏规律;左自波(2013)则通过自研降雨滑坡室内模型试验装置和实时监测系统，探索边坡雨水入渗规律;与此同时，刘果果(2016)从现场调研出发，开展相应的室内模型试验，并基于此建立了相应的浅层滑坡理论模型，亦基于非饱和土渗流变形耦合理论进行数值计算相互印证;此外，郜泽郑(2019)基于研究区滑坡与降雨统计数据，运用经验性降雨阈值方法，分析降雨强度与降雨持时关系，确定滑坡降雨阈值 ID 曲线，以此提出滑坡治理建议;周游等(2020)同样从研究区调查报告入手，提出一套边坡稳定性可靠性评价方法，弥补确定性分析方法的
15、不足。整体上，上述研究揭示了降雨型滑坡的失稳机制，提出了合理评价边坡稳定性的方法。但必须承认的是，现有研究对象多为黄土边坡(潘俊义等，2018)、碎石土边坡(董辉等，2015)，甚至土石混合体边坡(周广鹏，2019;陈晓等，2020)等等，对球状风化体类土质边坡的稳定性则缺乏深入研究，且球状风化体类土质边坡表现出高度的非均质、非连续以及物理力学特性空间差异显著等特征，其稳定性与球状风化体含量、空间分布及其强度参数密切相关。尤其在降雨作用下，球状风化体类土质边坡雨水入渗迁移特征及球状风化体与渗流场的相互作用关系尚不明确。鉴于此，本文依托 ABAQUS 及其二次开发，构建了降雨条件下球状风化体类土
16、质边坡降雨入渗模型，在现有非饱和理论的基础上，结合有限元强度折减法，系统地探讨球状风化体对边坡渗流场的影响，分析不同降雨参数(降雨历时、降雨强度、降雨雨型)下球状风化花岗岩类土质边坡的稳定性，以期为降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡稳定性评价提供科学依据。1球状风化花岗岩类土质边坡降雨入渗模型构建1.1基本理论雨水入渗是多相介质渗流问题，其中涉及到饱93631(2)豆红强等:降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡渗流特性与稳定性分析和与非饱和渗流问题。在数值计算中，如何定量地描述边坡渗流问题及位移应力耦合作用下的失稳机制，是进行降雨条件下边坡稳定性分析的先决条件和重要科学问题。1.1.1饱和非饱和土渗流控制方程边坡降雨入渗是典型的饱和非饱和非稳态入渗过程(李强等，2021)，因而考虑降雨条件的边坡稳定性分析势必涉及 Darcy 定律及质量守恒定律，对于二维饱和非饱和渗流问题，其渗流控制方程可推导为:xkxHx()+ykyHy()=wt(1)式中:H 为总水头;kx、ky分别为水平渗透系数和垂直渗透系数，非饱和状态下，其值与基质吸力相关;w为体积含水率，在非饱和状态下，为基质吸力的非线性函数
