基于非飽和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的滑坡穩(wěn)定性分析

鄭明新，張盧明，2，方 燾，劉偉宏，孔祥營(yíng)

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330013；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 61006）

基于非飽和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的滑坡穩(wěn)定性分析

鄭明新1，張盧明1，2，方 燾1，劉偉宏1，孔祥營(yíng)1

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330013；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 61006）

以鷹廈鐵路K290滑坡為原型，基于降雨入滲情況下滑坡體呈飽和－非飽和滲流狀態(tài)下，通過(guò)計(jì)算得到坡體孔隙水壓力和體積含水量隨降雨及地下水位變化的基本規(guī)律，進(jìn)一步導(dǎo)入SIGMA/W程序并依據(jù)坡體孔隙水壓力和體積含水量及地下水位變化特征分析了滑坡應(yīng)力場(chǎng)，探討了降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)和水位變化對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響。

滑坡；非飽和滑帶土；非非穩(wěn)定滲流場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)；穩(wěn)定性分析

降雨入滲導(dǎo)致地下水位上升常常誘發(fā)滑坡，主要表現(xiàn)在巖土體由非飽和、非穩(wěn)定滲流對(duì)坡體穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。目前關(guān)于滑坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法、極限位移分析法和有限元法等[1]。其中極限平衡法由于簡(jiǎn)便實(shí)用得到了廣泛使用，但該方法將滑動(dòng)體作為剛性體對(duì)待，沒(méi)有考慮巖土體的應(yīng)力應(yīng)變特性，并且整個(gè)滑動(dòng)面假定同時(shí)達(dá)到屈服；極限位移分析法在一定程度上考慮了土體的應(yīng)力應(yīng)變特征，但只能確定出假定滑動(dòng)面上的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，同樣不能考慮土體變形及其對(duì)穩(wěn)定性的影響；而有限元法在坡體穩(wěn)定性分析時(shí)則可以不預(yù)先假定滑動(dòng)面位置和形狀，并且可采用非線性彈塑性及剪脹性本構(gòu)模型來(lái)計(jì)算邊坡體內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變。鑒于目前對(duì)降雨入滲引起的地下水水位變化，特別是對(duì)于非飽和、非穩(wěn)定滲流時(shí)坡體穩(wěn)定性的研究尚不深入，有必要從滲流計(jì)算出發(fā)，考慮滲流特征并利用SIGMA/W程序開(kāi)展坡體應(yīng)力分析，進(jìn)而探討降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)和水位變化對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響。

該文以鷹廈鐵路K290滑坡為研究對(duì)象，針對(duì)滑坡體水位在降雨入滲情況下的非飽和－飽和－非飽和狀態(tài)的滲流分析，在掌握坡體孔隙水壓力和體積含水量隨降雨和地下水位變化基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步導(dǎo)入SIGMA/W程序并依據(jù)坡體孔隙水壓力和體積含水量及地下水位變化特征分析滑坡應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而探討滑帶土基質(zhì)吸力隨深度和時(shí)間的變化規(guī)律，從而確定在非飽和、非穩(wěn)定滲流作用下坡體的穩(wěn)定狀況。

降雨入滲實(shí)質(zhì)是水分在土體飽氣帶中的運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)涉及兩相流的過(guò)程，即水在下滲過(guò)程中驅(qū)替空氣的過(guò)程。大氣降水至地面后，若地表土層或巖層濕度不大，在分子引力作用下降水被地表介質(zhì)吸收成為薄膜水。當(dāng)薄膜水量達(dá)到最大值，入滲的水則充填土中的毛細(xì)裂縫形成毛細(xì)水，即毛細(xì)水下滲；當(dāng)裂縫開(kāi)度不均勻時(shí)，毛細(xì)水只能填充裂隙開(kāi)度較小的那部分，開(kāi)度較大的部分裂縫仍為空氣所占據(jù)，介質(zhì)處于非飽和狀態(tài)，從而形成非飽和滲流。土壤水分入滲大體可分為從地表垂直向下垂直入滲或側(cè)向入滲。干土在積水條件下入滲開(kāi)始時(shí)，一般入滲率i很高；隨著入滲的進(jìn)行，入滲率則隨之逐漸降低，即當(dāng)入滲進(jìn)行到一定時(shí)間后，入滲率趨于一穩(wěn)定值，相當(dāng)于地表體積含水率θ0的導(dǎo)水率k()θ0。根據(jù)非飽和土中水流動(dòng)的Darcy定律，得出非飽和土壤水流動(dòng)的一般基本微分方程：

式中：滲透系數(shù)kw(x,y,z)是含水率θw的函數(shù)。

公式（4）將飽和－非飽和區(qū)滲流統(tǒng)一考慮到計(jì)算中，不僅使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，且給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)方便。

1 滑坡體的基本特征及參數(shù)的選取

1.1 滑坡的基本特征

滑坡體物質(zhì)組成為強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖，近似概化為砂質(zhì)粉土，滑帶土為粉質(zhì)粘土，滑床體為砂質(zhì)粘土?；赂呕Ｐ腿鐖D1。

1.2 計(jì)算參數(shù)及初始邊界條件

1）土體物理力學(xué)參數(shù)：滑坡體各層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)依據(jù)土工試驗(yàn)并結(jié)合已有研究成果[3]綜合確定，各項(xiàng)非飽和參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 非飽和土體物理力學(xué)參數(shù)一覽表Tab.1 The principal parameters of unsaturated soils

2）初始邊界條件：初始左側(cè)地下水位25.0 m高程，右側(cè)10.0 m高程。依據(jù)土的滲透性函數(shù)（conductivity function）和土水特征曲線[4-5]（soil water characteristic curve）來(lái)確定滑坡體、滑帶土及滑床土的水力學(xué)特性參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 土的水力學(xué)特性的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of hydraulic characteristics of the soil

2 坡體非飽和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析

依據(jù)計(jì)算得到的飽和－非飽和滲流場(chǎng)，將孔隙水壓力分析結(jié)果導(dǎo)入到SIGMA/W分析模塊，從而通過(guò)計(jì)算可以得到不同降雨強(qiáng)度和水位變化下坡體應(yīng)力場(chǎng)的變化特征。

2.1 有限元網(wǎng)格劃分及邊界條件

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格采用滲流場(chǎng)網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖2。其中左側(cè)邊界采用水平方向位移約束，底部邊界采用垂直方向

位移約束，模型上部采用自由邊界，共劃分單元1 434個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 331個(gè)。

初始條件：在計(jì)算降雨及地下水位變化下坡體的滲流場(chǎng)時(shí)，初水位見(jiàn)圖1所示。

邊界條件：在對(duì)瞬態(tài)滲流問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，降雨過(guò)程通過(guò)選取邊界函數(shù)取得。取為

1）模型兩側(cè)：地下水位以上邊界按零流量邊界處理，地下水位以下為常水頭邊界（地下水位的初始高程）。

2）入滲邊界：在坡體表面假設(shè)降雨區(qū)域?yàn)锽C，CD取為流量邊界或給定水頭邊界（水位升降時(shí)水頭小于高程的節(jié)點(diǎn)）。當(dāng)孔隙水壓力小于0時(shí)為流量邊界，反之變?yōu)樗^邊界。通過(guò)定義邊界函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)降雨過(guò)程的模擬，即設(shè)計(jì)單位節(jié)點(diǎn)流量隨時(shí)間變化的曲線來(lái)模擬動(dòng)態(tài)降雨過(guò)程。

3）模型底面：假設(shè)坡體位于不透水基巖上，AE邊界條件為不透水邊界條件，即總流量為0。4）滑動(dòng)面：滑動(dòng)面設(shè)為零流量邊界。

2.2 有限元計(jì)算方案

為分析坡體在天然狀態(tài)和降雨水位變化條件下的位移和應(yīng)力變化特征，主要分析以下兩種工況：

工況1：僅考慮地下水位的影響，坡體前緣水位保持10.0 m高程，后緣水位保持16.0 m高程，不考慮降雨。

工況2：坡內(nèi)地下水位變化考慮降雨強(qiáng)度為50 mm·d-1，降雨持時(shí)60 d。

2.3 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算與結(jié)果分析

根據(jù)前面計(jì)算得到的孔隙水壓力場(chǎng)結(jié)果，導(dǎo)入到SIGMA/W中，通過(guò)計(jì)算可分析各工況下坡體位移和應(yīng)力分布。

在水位不變及無(wú)降雨條件下，坡體基本穩(wěn)定，最大垂直位移為1.2 cm，剪應(yīng)變主要發(fā)生在滑動(dòng)帶土的上部區(qū)域（圖略）。

從圖3可知，在強(qiáng)降雨和地下水位升降條件下，坡體位移和應(yīng)力發(fā)生了顯著變化，最大水平位移為14 cm，發(fā)生在坡頂滑帶裂縫附近。最大垂直位移為8 cm（圖略）。從圖4可知，降雨及水位變化后，坡體內(nèi)滑帶土（軟弱夾層）出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，最大剪應(yīng)力為2.13 MPa。受剪應(yīng)力作用，坡體沿軟弱夾層發(fā)生順層滑動(dòng)。從最大剪應(yīng)變圖也可以看出，受降雨及水位變化的影響，隨著降雨持時(shí)的增加，一定幅值的塑性剪應(yīng)變區(qū)已從坡腳到坡頂沿軟弱夾層貫通，坡體將發(fā)生淺層滑動(dòng)。這種情況與Bolton M.D.等人[6]的研究情況較為一致。

3 降雨條件下滑坡穩(wěn)定性分析

在降雨和不同地下水位條件下滑坡飽和－非飽和滲流有限元法得到坡體內(nèi)瞬態(tài)孔隙水壓力分布，利用推導(dǎo)的飽和－非飽和土坡穩(wěn)定性分析的極限平衡條分法[7-8]，分別對(duì)地下水位、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)三種條件進(jìn)行分析，計(jì)算得到不同降雨條件下相應(yīng)滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。

3.1 地下水位對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

假設(shè)30 d內(nèi)坡內(nèi)地下水位從10.0 m上升至16.0 m。坡體穩(wěn)定系數(shù)從1.8降低為1.2，變化規(guī)律見(jiàn)圖5。從圖中進(jìn)一步可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小。

3.2 降雨強(qiáng)度滑坡穩(wěn)定性的影響

降雨強(qiáng)度從20 mm·d-1變化到50 mm·d-1，從圖6可以看出，總體上，隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡體的穩(wěn)定系數(shù)隨之降低，但降雨初期穩(wěn)定系數(shù)降低的幅度較大，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土坡的入滲能力后，超過(guò)土體入滲能力的那部分雨水通過(guò)坡面徑流流走，此時(shí)穩(wěn)定系數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化較小。

3.3 降雨持時(shí)滑坡穩(wěn)定性的影響

在降雨強(qiáng)度保持不變情況下，降雨持時(shí)和邊坡的穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖7。從圖7可知，前10 d穩(wěn)定系數(shù)降低速度比較快，之后降低較慢。當(dāng)水位保持穩(wěn)定時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)又有所恢復(fù)。分析原因是由于降雨前期水位上升，雨水滲入坡體內(nèi)部導(dǎo)致內(nèi)部負(fù)隙水壓力大幅度變小、基質(zhì)吸力減小較大，但在超過(guò)一定時(shí)間當(dāng)降雨強(qiáng)度與土體滲透容量相近時(shí)，土體液、氣壓力達(dá)到新的平衡并保持一定吸力，又導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)變化較小。

另?yè)?jù)圖6和圖7可見(jiàn)，在考慮基質(zhì)吸力基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化Janbu法較普遍極限平衡GLE法和簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算結(jié)果更為合理。

4 結(jié)論

1）針對(duì)鷹廈鐵路K290滑坡在降雨入滲下坡體處于飽和－非飽和滲流狀態(tài)時(shí)，依據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果并采用SIGMA/W對(duì)坡體開(kāi)展了應(yīng)力場(chǎng)分析，探討了降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)和水位變化對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響，得到不同降雨強(qiáng)度和降雨持時(shí)對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2）在考慮基質(zhì)吸力影響的基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)化Janbu法、普遍極限平衡GLE法和簡(jiǎn)化Bishop計(jì)算了滑坡在飽和－非飽和滲流狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定特征，結(jié)果表明簡(jiǎn)化Janbu法計(jì)算較普遍極限平衡GLE法和簡(jiǎn)化Bishop法更為合理。

3）初步證明當(dāng)滑坡體在飽和－非飽和滲流狀態(tài)下，通過(guò)計(jì)算坡體的孔隙水壓力和體積含水量，進(jìn)一步利用SIGMA/W程序分析滑坡應(yīng)力特征，是滑坡體非飽和狀態(tài)穩(wěn)定性分析的有效途徑之一。

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[8]鄭明新.滑坡防治工程效果的后評(píng)價(jià)方法研究[M].南京：河海大學(xué)出版社，2007.

StabilityAnalysis of Unstable Permeability Field and Unsaturated Soil of Landslide

Zheng Mingxin1，Zhang Luming1，2，F(xiàn)ang Tao1，Liu Weihong1，Kong Xiangying1
（1.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Nuclear Industry Southwest Survey and Design Institute Co.Ltd.Chengdu 61006，China）

Based on the unsaturated and saturated slip soil with rainfall infiltration，the shear strength of unsaturated slip soil of K290 landslide along the Yingxia railway is analyzed.Then，the basic regularities of pore water stress，volume water content and ground water table are calculated.Furthermore，considering the various water tables，the influence on the parameters of shear strength and the contribution of suction，using SIGMA/W software，the stress field of landslide with the various rain intensity，raining time and the table of water are discussed，which lays a better guide for the analysis on the stability of unsaturated slope.

landslide；unsaturation of slip soil；unstable permeability field；stress field；stability of landslide

TU472

A

1005-0523（2011）03-0044-05

2010-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50668002，51068006)；江西省科技支撐項(xiàng)目(2009BSB08701)

鄭明新（1966－），男，教授，博士，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)與巖土工程。