高坝泄洪时，由于水流掺气、散裂和水舌入水时的溅水形成雾化流，雾化流受上游大气与水舌风及下游地形条件的综合影响，在大坝下游附近一定范围内形成一种密集雨雾现象^[1]。泄洪雾化形成的密集强降雨会引起很多边坡稳定问题。天然降雨尤其是暴雨也是引起边坡发生失稳的原因之一。泄洪雾化雨或强降雨对边坡稳定性的影响主要体现在两个方面，强降雨落到边坡表面时，大部分水分在表面形成径流，带走了边坡表面的土体颗粒；另一部分水分入渗到边坡内部。雨水的入渗使边坡非饱和区上部的含水量逐渐增大，基质吸力逐渐降低，土体的实际凝聚力减小，导致土体抗剪强度降低，减小了边坡阻滑力，使边坡的稳定性下降。随着雨水入渗，边坡非饱和区的孔隙水压力暂时升高，产生暂态的附加水荷载使边坡下滑力增加。同时，在边坡土体非饱和区出现暂态饱和区和暂态水压力虽然是暂时的，但对边坡稳定性的影响却至关重要。以上两种诱发方式均为土体含水率变化引起的，可见针对边坡土体含水率的变化来研究边坡失稳具有实际意义。

针对降雨入渗引起边坡失稳问题的研究方法主要有数值模拟和物理模型试验。Sammori等^[2]用Galerkin有限元法模拟暂态渗流过程，并对边坡稳定性进行了参数研究。Huang等^[3]建造了长2.29 m、宽0.645 m、高0.84 m的粉砂边坡，分析了含水率、孔压、位移随时间变化的规律, 提出了基于含水率、孔压、降雨强度和历时的包络线来分析边坡破坏的理论。Tohari等^[4]在长2.4 m、宽0.9 m、高1.2 m的模型槽内分别进行同种土质、水位升降快慢和不同土质、雨强不同条件下共4组滑坡试验，得出了不同工况下边坡的破坏模式，指出对于初始含水率较低、渗透性较好的土体，在降雨入渗过程中，含水率的显著增加可分为两个阶段。Catane等^[5]自制了长2.4 m、宽0.9 m、高1.2 m的室内模型槽，研究了渗流诱发变坡破坏造成的含水率、土体位移变化规律。国内学者对这方面的研究起始于20世纪末，张有天等^[6-7]就地表入渗对岩质边坡的稳定性作了研究。王环玲等^[8]认为雾雨区的边坡稳定与渗流场变化有着重要关系，在评价边坡稳定与否时，要考虑渗流场对其影响。林鸿州等^[9-10]采用长4 m、宽1.015 m、高2 m的模型槽进行试验，进行了粉细砂与粉土边坡的滑坡模拟试验，探讨了不同的初始基质吸力场、雨强以及地质结构在降雨条件下的滑坡特性。李波^[11]选用长3.8 m、宽0.5 m、高2.2 m的模型槽对松散粉土在不同雨强和边坡厚度条件下进行试验，发现松散粉土边坡在强降雨条件下可能发生静态液化。孙永帅^[12]选用长2.0 m、宽1.0 m、高1.2 m的模型槽试验，研究砂土、粉土在不同坡度、雨强下的破坏规律，分析在降雨过程中孔压、浸润线的变化。

综上所述，前人对降雨入渗造成边坡失稳进行了大量研究。为了更好地观测降雨入渗到边坡内部的水分扩展过程，本文设计了室内人工降雨物理模型试验，研究在降雨入渗情况下，边坡内部水分扩散的时间过程及分布规律，研究暂态饱和区的扩展过程，计算各个时刻边坡的稳定安全系数，分析降雨入渗对边坡稳定性变化过程的影响。

1 室内人工降雨模型试验设计 1.1 室内人工降雨模型

为分析降雨入渗对边坡稳定性变化过程的影响，设计了一套室内人工降雨模型。模型由4部分组成，分别是有机玻璃模型槽、边坡土体、降雨系统、数据采集系统。

图 1为试验边坡模型，有机玻璃模型槽尺寸为：长2.4 m，宽1 m，高1.4 m。模型槽材质采用10 mm厚有机玻璃，模型槽四周用角钢固定；为了显示入渗影响区的移动变化过程，采用坡面局部入渗进行试验。坡面局部入渗情况下，坡面用6 mm厚玻璃封盖，在距离底部1.18 m处往上开了一个25 cm宽的窗口，形成坡面局部入渗，便于观察边坡内部水分运动过程。底部用9 cm厚多孔砖将模型整体抬高，防止积水从底部渗入边坡。

人工降雨控制系统由降雨喷头、输水管、水泵、控制系统等组成。人工降雨设备的降雨区域分为5个分区域，可模拟不同降雨强度范围的人工降雨，最大降雨强度为2 700 mm/h。本试验采用的是小降雨区域，可模拟的降雨强度范围为0~400 mm/h。监测系统连接的是自制的含水率传感器，与传感器连接的数据采集仪为INV306u智能信号采集处理分析仪。含水率的变化对土壤的介电常数起决定性作用，因而可以利用土壤的介电特性测量土壤含水率，通过测量传感器正负极的电压变化来获得边坡相应位置含水率的变化过程。

含水率传感器布置原则是应能尽可能地测定边坡内部的含水率分布。本试验研究的是二维条件下的降雨入渗过程，因此可认为每个断面的情况是相同的。为减少边界形成优势渗流面对试验结果的影响，传感器布置的位置应远离模型边界。平行于坡面布置4排、总计24个含水率传感器。边坡宽度为1 m，在宽度方向上20，40，60和80 cm的位置分别设1，2，3，4共4个观测断面(图 2)，每个断面布置6个传感器，具体布置见图 3，其中编号m-n表示第m个断面第n个传感器。

1.2 试验土体

某水电站坝高300余米，DJ4堆积体位于尾水出口下游600 m左右，临河分布，堆积体上未见明显的开裂等变形迹象，说明天然状态下堆积体整体处于基本稳定状态，但堆积体局部临河一带覆盖层地形较陡，且砂层分布不利于堆积体的局部稳定，目前堆积体中部可见小规模的垮塌痕迹也说明了堆积体局部稳定性差。堆积岩土体参数参考库区堆积体试验并结合反算提出，位于表层的第四系覆盖层的平均饱和渗透系数为5.0×10^-4 cm/s。

根据该堆积体的表面土层渗透系数，配制得到相似的砂土作为降雨入渗物理试验的介质。试验所用砂土初始含水率为5.4%。降雨试验开始前，控制填筑密度在1.55 g/cm³，进行常水头试验测量得到砂土的饱和渗透系数为6.54×10^-4 cm/s。

1.3 工况设计

气象部门规定：当12 h雨量不小于140 mm或者24 h雨量不小于250 mm时即为特大暴雨；香港政府1984年制定：70 mm/h的降雨强度可视为引起滑坡的临界值；南京水利科学研究院研究指出50~200 mm/h对建筑物边坡危害较大^[13-14]。结合DJ4堆积体边坡位置和砂土饱和渗透系数，选取72，108和144 mm/h共3种降雨强度工况，每种工况降雨时长3 h，降雨停止后继续监测24 h边坡各测点的含水率，总监测时长27 h。

2 试验结果分析 2.1 边坡降雨入渗规律 2.1.1 降雨入渗过程

下面以工况1为例说明降雨入渗边坡的过程，图 4为降雨强度为72 mm/h条件下边坡内不同埋深监测点的含水率变化过程曲线，图 5为降雨强度为72 mm/h条件下3，15和27 h的边坡含水率等值线图。

在初始状态下，土的含水率为5.4%，降雨开始后，雨水开始入渗到边坡内部，表面的砂土率先被润湿，在表面形成一层湿润层，随后水分往下并往两侧扩散。但是传感器还没有检测到任何明显的数值变化，原因是因为降雨入渗的水分没有到达边坡上层的含水率传感器的位置，布置于边坡上部的4-1号监测点(埋置深度为10 cm)在0.5 h监测到明显的含水率变化。而布置于边坡底部的1-6号监测点(埋置深度为70 cm)在3 h的降雨阶段仍未产生较大的含水率变化，试验8 h时刻才有明显的含水率变化。降雨阶段3 h结束后，边坡上部区域形成了一块含水率较大的区域。

工况1的试验结果显示：(1)各个监测点位置含水率的变化趋势基本相同，呈现一种先快速上升而后较平缓下降至平稳的过程。但在开始变化的时间点上略有不同，边坡上部的含水率先升高；(2)暂态饱和区率先在边坡上部形成，随着降雨持续进行，暂态饱和区逐渐扩大；(3)降雨停止后，暂态饱和区的水分继续在重力作用下往下扩展，上部暂态饱和区内的土体含水率开始降低，并逐渐趋于稳定，稳定后的土体含水率大于初始含水率。而位于边坡下部的土体，含水率升高，试验结束后的土体含水率同样大于初始含水率。

2.1.2 降雨强度对入渗过程的影响

图 6为降雨3 h的边坡含水率等值线分布。

图 7为监测点4-1和1-6(监测点位置见图 3，埋置深度分别为10和70 cm)含水率变化过程曲线。降雨持续3 h，不同降雨强度条件下水分入渗的深度和范围不同，雨强越大，水分扩散范围越广，暂态饱和区越大。

降雨强度对水分入渗边坡形成暂态饱和区的影响主要有以下几个方面：

(1) 水分入渗深度  水分入渗深度-降雨历时曲线如图 8所示。降雨阶段，由于边坡上方源源不断的降雨补给，水分在重力和压力作用下持续向下入渗，水分入渗深度随着时间增长，从图 8可以看出，水分入渗最大深度与时间近似为线性关系；水分入渗深度与降雨强度存在正相关关系，降雨强度越大，同一时刻水分入渗的深度越大。降雨阶段3 h结束时，降雨强度为72 mm/h的水分入渗深度为51.4 cm；降雨强度为108 mm/h时，水分入渗深度为58.8 cm，而降雨强度最大的144 mm/h的水分入渗深度达到了65.5 cm。将试验得到的水分入渗数据导入到origin软件进行拟合，得到试验砂土的水分入渗深度随降雨历时和降雨强度的经验计算式：

$ \mathit{h}{\rm{ = 199}}{\rm{.385}}\mathit{t}{\rm{ - 0}}{\rm{.319}}\mathit{I}{\rm{ + 0}}{\rm{.466}}\mathit{tI} - 21.652\;{t^2} + 0.005\;{I^2}\qquad {R^2} = 0.992; $

式中：h为水分入渗深度(mm)；t为时间(h)；I为降雨强度(mm/h)。

(2) 水分入渗速率  降雨强度影响着水分入渗边坡的速率，对于不同的降雨强度条件，同一埋深的监测点监测到明显的含水率变化的时间并不相同，见表 1。埋深小的监测点对含水率变化的时间响应差异并不明显，时间间隔较短。埋深大的监测点对含水率变化的时间响应差异较为明显，降雨强度为144 mm/h时，埋深70 cm处4 h后检测到了明显的含水率变化，降雨强度为72 mm/h该部位在8 h后才检测到，二者相差4 h。降雨强度越大，入渗的水分越多，水分受到的重力和压力越大，迫使其以较快的速率入渗。

(3) 边坡极限含水率  试验过程中，边坡内土体含水率的提高全部来自于降雨的补给，3 h的降雨阶段，3种降雨强度条件下土体达到的极限含水率较为接近。降雨强度大的边坡的极限含水率稍大些，但都小于理论饱和含水率30%(表 2)。砂土内存在一定的孔隙，降雨入渗的水分会填充这些孔隙，部分气体可能被压缩成密闭的气泡，增大降雨强度会使气泡变小，但不能使其完全消失。

降雨强度越大，降雨阶段3 h后边坡内部形成的暂态饱和区就越大。降雨结束后，这些存储在暂态饱和区内的水分被释放出来，在重力的作用下向其他区域扩散，试验结束时边坡砂土的极限含水率与降雨强度呈正相关关系，其中降雨强度为144 mm/h的极限含水率为17.8%，比降雨强度为72 mm/h的12.8%要大得多。

2.2 降雨入渗过程对边坡稳定性变化的影响

为探究降雨入渗对边坡稳定性变化的影响，计算边坡稳定安全系数时，考虑含水率升高导致强度降低和重度增加的影响。根据含水率的范围，把含水率等值线图划分不同的区域，对每个区域采用含水率对应的重度和抗剪强度参数, 具体计算参数见表 3，表中不同含水率的黏聚力和内摩擦角的值由三轴剪切UU试验测得。采用相应的砂土黏聚力和内摩擦角代替初始的黏聚力和内摩擦角，并根据含水率用实际重度代替初始重度。

计算得到不同工况不同时刻的边坡抗滑稳定安全系数见表 4，边坡安全系数变化曲线见图 9。

由表 4和图 9可见, 降雨阶段边坡稳定安全系数降低幅度与降雨强度呈正相关关系，降雨强度越大，边坡稳定安全系数降低得越多，降雨对边坡稳定性危害越大。

降雨结束后，边坡的稳定安全系数会继续下降，会在降雨结束一段时间后的某一个时间点达到最低值，在此时间点后，边坡稳定安全系数会缓慢升高。降雨强度为72 mm/h的边坡稳定安全系数在9 h时刻达到最低值，降低幅度为32.8%；降雨强度为144 mm/h的边坡稳定安全系数在6 h时刻达到最低值，降幅为38.2%；边坡稳定安全系数最小值与降雨强度的关系是降雨强度越大，边坡稳定安全系数最小值越小。

降雨阶段，降雨入渗在边坡内部形成暂态饱和区，使砂土的含水率升高。一方面，土体重度增加，增大了下滑力；另一方面，土体的黏聚力降低，抗剪强度降低，导致边坡的稳定安全系数下降。降雨停止后，暂态饱和区的水分会继续往边坡下部渗透，在降雨过后一段时间内对边坡稳定性造成持续性危害。

3 结语

本文设计了室内人工降雨物理模型试验，研究在降雨入渗情况下，边坡内部水分扩散的时间过程及分布规律，研究暂态饱和区的扩展过程，计算各个时刻边坡的稳定安全系数，分析降雨入渗对边坡稳定性变化过程的影响。研究得到以下结论：

(1) 降雨入渗率先在边坡表面形成暂态饱和区，随着降雨的进行，暂态饱和区逐渐扩大；降雨停止后，暂态饱和区内的水分会持续向下渗透。

(2) 降雨强度是影响降雨入渗因素，主要体现在边坡的水分入渗深度，速率和极限含水率3个方面。得到了降雨阶段水分入渗深度随降雨历时和降雨强度的经验公式。

(3) 降雨强度越大，降雨阶段形成的暂态饱和区越大，水分入渗越快。增大降雨强度会使试验砂土的含水率更接近于饱和含水率，但无法使砂土完全饱和。

(4) 降雨强度是影响边坡稳定性的因素；降雨强度越大，降雨阶段边坡内部形成的暂态饱和区就越大，边坡稳定安全系数的降低幅度就越大。其中降雨强度为144 mm/h条件下稳定安全系数降低到1.413，降低幅度为27.0%。

(5) 降雨入渗对边坡稳定性的影响不仅仅发生在降雨过程中，降雨停止后一定时间内，水分会继续入渗，对边坡的稳定性持续造成危害。降雨强度为144 mm/h条件下稳定安全系数在6 h时降到了最小值1.196，最大降幅为38.2%。