降雨入渗是造成滑坡最为重要的诱因之一[1]，降雨入渗会降低土体抗剪强度，增加土体重度，进而导致边坡下滑力增大，诱发边坡失稳。发展一种有效的降雨入渗模型进而在最大程度上降低降雨对边坡的危害，是降雨作用下边坡稳定性分析的关键。目前常用的边坡降雨入渗分析方法主要有[2]：①基于Richards方程的数值分析方法；②基于物理入渗模型的解析计算方法，如Green-Ampt（GA）入渗模型、Smith模型和Philip模型等。数值分析方法需要不断迭代求解降雨入渗控制方程，计算过程较为繁琐，对于复杂问题将十分耗时，并且若是网格尺寸和时间步长选择不当，将会导致计算不收敛。相较之下，以GA入渗模型为代表的解析计算方法，模型参数具有明确的物理意义，计算过程便捷，在降雨入渗下边坡稳定性研究中得到了广泛应用[3-14]。如Chen等[3]基于GA入渗模型研究了边坡降雨入渗过程，推导了边坡降雨入渗率计算表达式。张杰等[4]考虑气阻作用建立了分层假定的雨水入渗计算分析的GA模型。Zhang等[5]基于GA模型建立了可以计算时变破坏概率和失效时间的可靠度分析框架，并开发了基于电子表格的降雨型边坡破坏概率预测方法。Dou等[6]考虑土体饱和渗透系数变异性，基于GA入渗模型建立了雨水入渗-重分布分析模型。潘永亮等[7]建立了可综合考虑地下水位、初始含水率及不同降雨工况的改进GA模型。蒋水华等[8]提出了一种可考虑土体参数空间变异性的修正GA模型，并探讨了降雨入渗与多参数空间变异性作用下边坡失稳机理。
虽然上述研究大大地拓展了GA入渗模型的应用范围，但是忽略了土壤中客观存在的湿润区非饱和过渡层。大量试验发现湿润锋至土体入渗表面之间的土体并非处于完全饱和状态，在饱和区和天然区之间至少存在一个过渡层，并且过渡层内不同深度处土体体积含水量也不尽相同[9-10]。为此，张杰等[11]基于土体分层假定，推导了GA模型降雨历时与湿润锋深度之间的函数关系。胡海军等[12]在分层GA模型基础上，合理考虑湿润锋处吸力作用和水分剖面形状，分析了积水和降雨作用下非饱和重塑黄土的降雨入渗过程。Yao等[13]将饱和层与非饱和层厚度设定为入渗区深度的50%，分别对无限长边坡和马家沟滑坡进行了稳定性分析，并发现分层GA模型对研究强降雨事件下边坡稳定性问题十分有效。温馨等[14]针对黄土入渗中存在的非饱和区，提出了一种修正的GA模型来表征土体实际渗透系数随埋深的变化规律。
另一方面，受沉积、后沉积等地质作用的影响，岩土体参数存在固有的空间变异性。现有研究[8, 15-16]表明土体水力参数的空间变异性是影响降雨入渗下边坡渗流计算的关键因素。为客观评价降雨入渗下边坡失稳机理及稳定性，需要合理表征岩土体参数空间变异性的影响。然而，目前缺乏适用于考虑土体渗透系数空间变异性多层非均质边坡的降雨入渗模型。为此，提出了一种改进的Green-Ampt模型，通过4种常见的边坡工况验证该模型的有效性，进而探讨降雨入渗下多层非均质边坡含水率分布及稳定性问题。
考虑降雨入渗作用下边坡土体中客观存在的过渡层，提出了一种适用于多层非均质边坡降雨入渗分析的改进GA模型，为合理确定不同降雨历时下多层非均质边坡的入渗区深度和土体体积含水量分布奠定了基础。同时，以无限长边坡模型为例，进行降雨入渗下边坡稳定性分析，并与采用Richards方程数值解和修正GA模型计算的边坡安全系数和最危险滑动面深度进行了对比分析，验证了提出的改进GA模型的有效性。
（1）修正GA模型局限于雨水呈矩形入渗，没有考虑雨水入渗过程中土体客观存在的过渡层，导致降雨入渗过程中单位土体重度被高估，计算的边坡安全系数偏小，造成对边坡失稳机理的错误认识。
（2）提出的改进GA模型因考虑了边坡土体入渗区内客观存在的过渡层，故计算的土体含水量分布、安全系数和滑动面分布不仅贴近客观实际，而且与Richards方程数值解吻合，能够较好地解决考虑土体饱和渗透系数空间变异性的多层非均质边坡降雨入渗问题。
（3）相比于修正GA模型，提出的改进GA模型能够准确识别非均质边坡最危险滑动面位置，为降雨型滑坡加固设计及风险防控提供了一条有效途径。如工况4中，降雨历时60 h时，修正GA模型认为最危险滑动面位于入渗区，而改进GA模型和Richards方程计算结果均证明边坡最危险滑动面位于不透水层处。
（4）工程实际中存在多种环境因素对边坡降雨入渗过程具有重要的影响，包括边坡初始状态（如含水量，土壤类型等）的不均匀分布、边坡倾角大小、覆土厚度和降雨雨型等，融入多种环境因素影响的边坡降雨入渗模型还有待进一步研究。
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《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
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