基于SEEP/W的降雨條件下黃土邊坡穩(wěn)定性分析

黃新智　劉俊俊

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州　730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅蘭州　730070)

Analysis of Loess Slope Stability under Rainfall Conditions Based on the SEEP/W

HUANG Xinzhi　LIU Junjun

基于SEEP/W的降雨條件下黃土邊坡穩(wěn)定性分析

黃新智1，2劉俊俊1，2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點試驗室，甘肅蘭州730070)

Analysis of Loess Slope Stability under Rainfall Conditions Based on the SEEP/W

HUANG XinzhiLIU Junjun

摘要在對邊坡進行穩(wěn)定性分析的過程中，通常是在飽和狀態(tài)的靜水(孔隙水)壓力理論基礎(chǔ)上來考慮。而在很多實際工程中，邊坡發(fā)生失穩(wěn)變形或者破壞往往是由于其處于非飽和狀態(tài)，在降雨過程中邊坡會由非飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化。使用非飽和土體滲流分析軟件SEEP/W，分析非飽和黃土邊坡的孔隙水壓力和體積含水率分布場，并將其耦合到SLOPE/W中進行黃土邊坡穩(wěn)定性分析，探討抗剪強度和孔隙水壓力的變化。

關(guān)鍵詞邊坡降雨入滲非飽和穩(wěn)定性

降雨入滲到達土體內(nèi)部，往往經(jīng)過了及其復(fù)雜的過程，需要通過物理作用、化學(xué)作用等循環(huán)的改變。在這個循環(huán)過程中，邊坡土體通過不斷的變形、蠕動、運移，達到新的地質(zhì)平衡，最終改變土體原來的結(jié)構(gòu)[1]，在巖土工程中，邊坡穩(wěn)定性分析一直是重要的研究領(lǐng)域[2]。

降雨引起非飽和土斜坡失穩(wěn)的原因是：當降水滲入到非飽和土體內(nèi)時，非飽和土土體內(nèi)的負孔隙水壓力開始升高，負孔隙水壓的升高導(dǎo)致土體的抗剪強度降低。當滑裂面上的抗剪強度減小到比下滑力還小的時候，斜坡就會發(fā)生失穩(wěn)破壞[3，4]。

黃土大多數(shù)是低含水量土，屬于非飽和土，氣候變化對地表附近土的含水量影響很大。土中的孔隙水壓力為所在地區(qū)由于水分蒸發(fā)或者植物蒸騰產(chǎn)生從地面向上的流量與降雨及地表滲水引起進入土中的向下流量之差。黃土在受水浸濕作用前處于非飽和狀態(tài)，當降雨作用在非飽和的黃土上時極易達到局部飽和狀態(tài)，安全系數(shù)減小，從而誘發(fā)滑坡[5，6]。深入研究降雨引起黃土邊坡失穩(wěn)的規(guī)律，對于滑坡、泥石流等災(zāi)害的防治具有指導(dǎo)性意義。

1有限元計算模型

1.1　數(shù)值模擬軟件簡介

GeoStudio軟件是一套適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬的計算仿真軟件，具有專業(yè)、高效及功能強大等特點。SEEP/W 作為GeoStudio軟件的一個模塊，是非飽和土滲流方面的專業(yè)分析軟件，不但可以分析穩(wěn)態(tài)滲流，還可以分析瞬態(tài)滲流，廣泛應(yīng)用于巖土工程相關(guān)的滲流分析[7]。在SEEP/W 計算結(jié)果中，可以分析各種飽和非飽和條件下的孔隙水壓力、體積含水率隨深度和時間變化的趨勢。然后將SEEP/W與GeoStudio的其他模塊進行耦合，例如將其與SLOPE/W進行耦合，進而考慮基質(zhì)吸力和邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，根據(jù)SEEP/W的計算結(jié)果，可以分析邊坡不同時間段的安全系數(shù)，進行邊坡穩(wěn)定性評價[8]。

1.2　黃土邊坡的基本參數(shù)和水力學(xué)特征

(1)黃土邊坡基本參數(shù)

模型中的土質(zhì)原型來源于蘭州市蘭山后山南部邊坡，黃土高邊坡上部分主要為蘭州馬蘭黃土，下部分主要為離石黃土。數(shù)值模擬中的各層土物理力學(xué)參數(shù)為：馬蘭黃土天然含水量ω=6.80%、密度ρ=1.59 g/cm3、孔隙比e=1.1、液限WL=33.1%、塑限WP=19.6%、飽和凝聚力c′=6.0 g/cm3、飽和內(nèi)摩擦角φ′=11.5°；離石黃土天然含水量ω=9.55%、密度ρ=1.64 g/cm3，孔隙比e=0.84、液限WL=30.8%、塑限WP=20.3%、飽和凝聚力c′=18.7 g/cm3、飽和內(nèi)摩擦角φ′=11.5°。

(2)模型中各土層水力學(xué)特征

土的水力學(xué)特征主要參數(shù)見表1。

計算過程中用到的這些水力參數(shù)都選自SEEP/W函數(shù)庫中的函數(shù)。選用Van.Genuchten模型生成完整滲透曲線。各種土的滲透性系數(shù)函數(shù)和土水特征曲線見圖1～圖4。

1.3　模型的建立

GeoStudio中所有網(wǎng)格都是自動生成的，不必繪制單獨的“有限單元”，也不用擔心網(wǎng)格的協(xié)調(diào)性或者改變網(wǎng)格是否會影響材料屬性和邊界條件[9]。劃分網(wǎng)格過程中，在考慮計算模型的邊界條件、精度條件下，合理對模型進行網(wǎng)格劃分。黃土高邊坡模型有限元網(wǎng)格劃分如圖5所示，共有260個節(jié)點，359個單元，上半部分網(wǎng)格為三角形，下半部分網(wǎng)格為三角形和四邊形。

1.4　模型的邊界條件

降雨過程中，滲入會使得邊坡土體的含水量隨著降雨時間的增加而增加，故這是一種瞬態(tài)情況，需要在模型計算過程中在模型邊坡地表線位置設(shè)置邊界條件(單位流量)為降雨強度來表現(xiàn)這種瞬態(tài)。模型地下水位較深，所以模擬邊坡左右兩側(cè)邊界總流量為零；模型底面土體均為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)非常小，所以模擬底面的總流量為零。

通常情況下，降雨的范圍是整個坡面和坡頂，所以要把整個邊坡作為分析對象。在將降雨強度作為邊界條件加到邊坡線上時，要保證其和滲流面垂直。所以當邊坡存在坡度時，必須將降雨強度投影到與滲流面垂直的方向，故需要進行降雨強度的換算[10]。

2模擬成果分析

2.1　穩(wěn)態(tài)分析

在設(shè)定好邊界條件和給定水力學(xué)函數(shù)的條件下，計算出坡體初始狀態(tài)下的孔隙水壓力。在初始狀態(tài)的滲流場中，負孔隙水壓力最大值出現(xiàn)在坡體頂部，其值為-236.9 kPa，這說明坡頂基質(zhì)吸力最大；正孔隙水壓力17.8 kPa位于坡底，孔隙水壓力大致沿地下水位線垂直方向，從上往下遞增。坡頂體積含水率為3.05%。

2.2　降雨入滲條件下的瞬態(tài)分析

本次數(shù)值模擬采用降雨強度為70 mm/d的條件下，分析邊坡滲流場的變化情況，降雨范圍是整個坡面和坡頂。在不同的降雨持續(xù)時間下，孔隙水壓力和體積含水率變化見表2。

隨著降雨的進行，坡體的含水率隨著深度增加，負孔隙水壓力減小。隨著降雨時間的增加，負孔隙水壓力減小速度(孔隙水壓力增加速度)開始變緩，不過與降雨的持續(xù)時間依然成反比，這說明負的孔隙水壓力對基質(zhì)吸力是有貢獻作用的，而且基質(zhì)吸力與含水率成反比，可以推斷負孔隙水壓力的減小是由體積含水率快速增加所致。

2.3　黃土邊坡穩(wěn)定性分析

在自然條件下，由于孔隙水壓力的存在，使得邊坡土體的含水量增加，抗剪強度減小。因此，在邊坡穩(wěn)定性分析中必須考慮孔隙水壓力的影響。在考慮基質(zhì)吸力的極限平衡法改進的基礎(chǔ)上，求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)[10]。

利用之前SEEP/W的非飽和滲流分析結(jié)果，耦合到SLOPE/W中進行黃土邊坡的穩(wěn)定性分析。在模型穩(wěn)定性分析的結(jié)果中，得出如圖6所示的30個最危險滑動面。

(1)安全系數(shù)隨降雨時間的變化規(guī)律

由圖7可以看出，在降雨初始時刻，安全系數(shù)減小的速率最大，隨著降雨時間的繼續(xù)，安全系數(shù)減小的速率逐漸放緩，但最后依然有下降的趨勢。

(2)抗剪強度隨深度的變化

如圖8，降雨入滲將會影響邊坡含水率的分布，從而使得邊坡土體的抗剪強度減小。邊坡土體抗剪強度隨深度表現(xiàn)為先增加后減小的拋物線，地表的抗剪強度為16 kPa；隨著深度的增加，抗剪強度呈線性迅速增加，在深度為9 m處達到最大，其值為60 kPa。之后隨著深度增加，抗剪強度又以更快的速度減小。

3結(jié)論

(1)體積含水率會直接影響孔隙水壓力的大小，體積含水率與孔隙水壓力成正比關(guān)系。

(2)基質(zhì)吸力對于邊坡的穩(wěn)定具有十分顯著的影響，降雨引起基質(zhì)吸力的下降將誘發(fā)滑坡。

(3)邊坡的安全系數(shù)與降雨時間有著直接的關(guān)系，土體的安全系數(shù)隨著降雨時間的增加而降低，降雨的前12 h安全系數(shù)減小較快，降雨25～40 h期間安全系數(shù)變化較小，曲線相對緩慢。

(4)非飽和黃土邊坡土體在降雨的影響下，坡體抗剪強度隨深度表現(xiàn)為先增加后減小的類似拋物線關(guān)系。

參考文獻

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[2]王曉東，吳連海.強度折減有限元法在降雨條件下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2013(6)：47-50．

[3]D.G弗雷德隆德，H.拉哈爾佐.陳仲頤，等譯.非飽和土土力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

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[5]張少宏，康順祥，李永紅.降雨對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響[J].水土保持通報，2005，25(5):42-44

[6]田學(xué)偉，喬玉榮.對某鐵路工程滑坡治理措施的探討[J].鐵道勘察，2013(6)：31-35

[7]GEO-SLOPE International Ltd. Seep Modeling with SEEP/W 2007[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2011

[8]GEO-SLOPE International Ltd. Stability Modeling with SLOPE/W 2007 Version[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2011

[9]張開鵬，劉新喜.降雨入滲對三峽庫區(qū)堆積層滑坡穩(wěn)定性的影響[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2006(6)：4-8

[10]銀曉鵬.降雨條件下的邊坡滲流數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008

中圖分類號：U213.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0041-03

收稿日期：2015-08-12