陳 芳，田 凱

（1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029；2.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，成都 610081）

降雨入滲作用下土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析

陳 芳1，田 凱2

（1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029；2.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，成都 610081）

為分析研究降雨入滲作用下斜坡的穩(wěn)定性，采用Phase2有限元軟件，運(yùn)用二維滲流數(shù)值模擬計(jì)算方法，建立能考慮滲流場(chǎng)對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模型，對(duì)降雨條件下的斜坡位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和孔壓場(chǎng)的變化情況進(jìn)行分析。研究表明：降雨入滲會(huì)導(dǎo)致土質(zhì)斜坡中土體孔隙水壓力增加、基質(zhì)吸力減小、土體的抗剪強(qiáng)度降低，影響了該斜坡的穩(wěn)定性；隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)，斜坡的安全系數(shù)會(huì)減小；當(dāng)斜坡位移最大時(shí)，雨水繼續(xù)下滲，表層坡體的基質(zhì)吸力開(kāi)始有所增加，下滲的水隨著地下水飽和區(qū)流出，土體的含水量則相應(yīng)的有所減小，容重也減小，土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性又得到了延緩。

道路工程；降雨入滲；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性分析；滲流場(chǎng)

眾所周知，大氣降雨在一定程度上會(huì)觸發(fā)和打破斜坡原本的力學(xué)平衡，從而造成斜坡的變形甚至失穩(wěn)破壞。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者［1－5］對(duì)降雨入滲作用下斜坡穩(wěn)定性影響研究主要有2方面的問(wèn)題：第一，多考慮斜坡表層自重的增加以及入滲深度內(nèi)負(fù)空隙水壓力的減小，忽略影響斜坡失穩(wěn)的其他因素，以致不能全面分析斜坡的穩(wěn)定性；第二，采用自行編制的軟件程序進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性計(jì)算，由于程序的針對(duì)性和復(fù)雜性，很難得到推廣。本文通過(guò)對(duì)降雨引起該斜坡的變形滑動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)勘探、調(diào)研、監(jiān)測(cè)和土工試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，全面分析降雨入滲作用下斜坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，為今后斜坡失穩(wěn)的預(yù)測(cè)和治理措施提供參考。

1 土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算

1.1 斜坡概況

重慶嘉陵新路斜坡滑源區(qū)，長(zhǎng)約107 m，橫向?qū)捈s428 m，傾向?yàn)?30°，坡角為45°，近東西走向，上陡下緩，縱向上呈含臺(tái)階狀折線(xiàn)型，地形南高北低。該斜坡滑源區(qū)的覆蓋土層除了局部段表層有0.3～3.5 m厚的填土層外，其余主要為塊碎石夾粉質(zhì)黏土組成，厚0.3～11.4 m；中間為一條強(qiáng)風(fēng)化基巖破碎帶；下面主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟（Js2）紫紅色泥巖夾砂巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地調(diào)資料，斜坡變形破壞主要產(chǎn)生于坡體前緣和中后部，文中選取斜坡體最為危險(xiǎn)的滑源區(qū)C區(qū)關(guān)鍵部位進(jìn)行了研究分析，斜坡土體較為松散而且成分較為復(fù)雜，下部基巖為泥巖與砂巖互層，鑒于此，將滑源區(qū)斜坡體概化為3部分：表層滑坡體的土質(zhì)層、下部滑床基巖巖體層以及中間的強(qiáng)風(fēng)化破碎帶。圖1為斜坡地質(zhì)剖面圖。

圖1 斜坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of slope

1.2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

1.2.1 本構(gòu)模型的選取

選取van Genuchten Mualem非飽和水分特征模型［6］，對(duì)降雨條件下飽和－非飽和滲流問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.2.2 模型參數(shù)的選取

（1）巖土體參數(shù)的選取見(jiàn)表1。

（2）飽和土滲透系數(shù)：參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得各層飽和滲透系數(shù)的范圍：第1層含礫（碎石）粉質(zhì)黏土4.19×10－5～6.95×10－5m／s；第2層粉質(zhì)黏土8×10－9～5.5×10－7m／s；第3層基巖1×10－13～5.5×10－8m／s。地下初始水位在3.6～3.8 m之間。

（3）非飽和土滲透系數(shù)：根據(jù)斜坡組成巖土的飽和滲透系數(shù)大小和土的粒徑分布規(guī)律推求其滲透函數(shù)，該斜坡土－水特征曲線(xiàn)和滲透性函數(shù)均調(diào)用SEEP／W軟件數(shù)據(jù)庫(kù)里面相關(guān)土層的函數(shù)曲線(xiàn)。

（4）降雨參數(shù)的選?。旱冉涤瓿掷m(xù)時(shí)間24 h下，選取降雨強(qiáng)度2，4，6，8，10，12 mm／h。等降雨強(qiáng)度10 mm／h下（根據(jù)該地區(qū)降雨歷時(shí)資料日最大降雨量192.9 mm，選取保守值10 mm／h）下，選取持續(xù)降雨時(shí)間分別為8，16，24，32，40 h。

1.2.3 初始條件

僅考慮土體自身重力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)與孔壓場(chǎng)，不考慮其本身構(gòu)造應(yīng)力的影響，將天然情況下變形斜坡的穩(wěn)定分析計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，其中包括斜坡的初始應(yīng)力、斜坡的初始孔隙水壓力的分布作為降雨條件下巖土體滲流的初始條件。

1.2.4 邊界條件

（1）位移邊界條件：靠近嘉陵江的（模型的左側(cè)）一側(cè)為水位在3.7 m的限制邊界，通過(guò)Phase2軟件實(shí)現(xiàn)，頂部下部采用不透水的限制邊界，右部水位18.4 m的限制邊界，而降雨邊界的坡面則采用流量的邊界，施加在斜坡體表面的節(jié)點(diǎn)，采用節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量來(lái)進(jìn)行控制。

（2）應(yīng)力邊界條件：初始應(yīng)力場(chǎng)采用自重應(yīng)力場(chǎng)，加速度為10 m／s2。

（3）滲流邊界條件：坡面為自由滲流面，其余為不透水邊界。

1.3 計(jì)算方案

1.3.1 假設(shè)條件

（1）將斜坡巖土體看成宏觀性連續(xù)體以及各向同性的力學(xué)模型，從而不考慮該變形斜坡巖土體內(nèi)部的裂隙微觀性等缺陷帶來(lái)的影響。

（2）采用彈塑性的力學(xué)模型。

（3）巖土體的屈服破壞服從摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則。

1.3.2 數(shù)值計(jì)算流程

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)情況數(shù)據(jù)，將圖1工程地質(zhì)剖面圖的變形區(qū)域簡(jiǎn)化，建立符合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)相關(guān)條件的數(shù)值模型。圖2為網(wǎng)格模型，計(jì)算網(wǎng)格由541個(gè)單元，1 140個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，模型的坐標(biāo)系x軸方向?yàn)榛麦w的滑動(dòng)方向，y軸方向?yàn)榛麦w高程的豎直方向，滑坡模型在縱向方向長(zhǎng)107 m，橫向方向長(zhǎng)428 m，在豎直方向高70 m，高程的范圍在240～310 m，上層滑坡體含礫碎石粉質(zhì)黏土厚度0.0～3.5 m，中間破碎帶粉質(zhì)黏土3.4～5.0 m，如圖2所示。

（2）計(jì)算天然靜力條件下計(jì)算出初始孔壓力場(chǎng)，運(yùn)用Phase2軟件的流固藕合計(jì)算模式，輸入相關(guān)函數(shù)，施加降雨模型的邊界條件，計(jì)算得出降雨下斜坡安全性系數(shù)。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of monitoring points

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico mechanical parameters of rock and soil for calculation

圖2 降雨滲流作用下斜坡有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite elementmodel of slope under rainfall infiltration

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為便于分析該斜坡的位移變化量，在數(shù)值模型潛在變形土體表面JY－1和潛在滑帶面上JY－2設(shè)立2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖3）。選取降雨持續(xù)24 h，降雨強(qiáng)度分別為2，4，6，8，10，12 mm／h的6種降雨條件，計(jì)算出2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值，統(tǒng)計(jì)生成圖4（a）的等降雨持續(xù)時(shí)間24 h下位移與降雨強(qiáng)度曲線(xiàn)圖。在等降雨強(qiáng)度10 mm／h，降雨持續(xù)時(shí)間8，16，24，32，40，48 h的5種降雨條件下，計(jì)算出2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值，統(tǒng)計(jì)生成圖4（b）的等降雨強(qiáng)度10 mm／h下位移與降雨持續(xù)時(shí)間曲線(xiàn)圖。根據(jù)該地區(qū)降雨歷時(shí)資料日最大降雨量192.9 mm（保守值10 mm／h），選取降雨強(qiáng)度10 mm／h，分析降雨持續(xù)時(shí)間24 h非飽和土位移、應(yīng)力、孔壓場(chǎng)、剪應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

2.1 位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖5為總位移云圖，由圖可知當(dāng)降雨量達(dá)到10 mm／h的時(shí)候，土體中部陡峭處最大位移達(dá)到0.48 m，在滑坡的中部位移量最大，由中部至前緣部位逐漸減小，并且隨著深度的增加位移量也逐漸減小?；碌幕裁?／4圓弧狀（類(lèi)似圓弧狀），沿著土層和破碎帶分界線(xiàn)向下蠕滑變形，并在中部和前部逐漸貫通，在較大的降雨強(qiáng)度下，最大位移處發(fā)生拉裂破壞，從而向前擠壓的推移式滑動(dòng)。土體受水飽和后容重的增加導(dǎo)致下滑力增加，使該斜坡處在不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)之中。

圖4 測(cè)量位移與降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relation of displacement respectively with rainfall intensity and rainfall duration

圖5 總位移云圖Fig.5 Nephogram of total displacement

2.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖6為斜坡在此降雨強(qiáng)度下的最大主應(yīng)力云圖和最小主應(yīng)力云圖。由圖6（a）可知，坡體內(nèi)最大主應(yīng)力為3.45 MPa，且由坡面往坡面內(nèi)部呈層狀分布幾乎與坡面平行且隨深度的增大而增大，在斜坡后緣小范圍內(nèi)出現(xiàn)了負(fù)值，可見(jiàn)后緣存在拉應(yīng)力，其值為0.15 MPa，降雨條件下可能發(fā)育拉裂縫。由圖6（b）可知，坡面最小應(yīng)力場(chǎng)分布往坡體內(nèi)呈層狀分布，隨深度的增加而增加，在斜坡體后部有較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)域，最大的拉應(yīng)力值由0.19 MPa上升到0.3 MPa，表示斜坡比較容易發(fā)生拉裂破壞，這與位移計(jì)算結(jié)果相吻合。

2.3 孔壓場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖7和圖8分別為孔隙水壓力云圖和壓力水頭云圖。由圖7可知，斜坡孔隙水壓力呈層狀分布，由坡體到內(nèi)部逐漸增大，最大值為1.15 MPa，對(duì)應(yīng)的最大水頭值為115 m，隨著地下水位面升高，地下水對(duì)于斜坡體的托浮力也在增加，導(dǎo)致斜坡應(yīng)力不斷減小，不利于斜坡穩(wěn)定。同時(shí)，隨著降雨的入滲使土體飽和度增加，最不利情況下會(huì)接近100%，導(dǎo)致斜坡體的滑體自身重度的增加，有效應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度減小，進(jìn)而引發(fā)斜坡體的失穩(wěn)。

圖6 主應(yīng)力云圖Fig.6 Nephogram of principal stress

圖7 孔隙水壓力云圖Fig.7 Nephogram of pore water pressure

2.4 剪應(yīng)變?cè)隽康挠?jì)算結(jié)果分析

圖9為斜坡體最大剪應(yīng)變?cè)茍D，由圖可知，最大剪應(yīng)變值為0.36，主要集中在斜坡與破碎帶的接觸面上，降雨條件下斜坡體肩部發(fā)生剪切破壞，形成貫通面，造成斜坡失穩(wěn)。圖10為斜坡體塑性應(yīng)變?cè)茍D，由圖可知，最大塑性應(yīng)變值為0.16，主要集中在肩部潛在滑動(dòng)帶的接觸處。此外，斜坡體上部由拉應(yīng)力產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?cè)趫D中也得到了體現(xiàn)。

圖8 壓力水頭云圖Fig.8 Nephogram of pressure head

圖9 最大剪應(yīng)變?cè)茍DFig.9 Nephogram ofmaximum shear strain

圖10 降雨?duì)顟B(tài)下塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.10 Nephogram of p lastic strain under rainfall infiltration

3 結(jié) 語(yǔ)

從上述結(jié)果可知：

（1）在斜坡土體中降雨入滲會(huì)引起土體孔隙水壓力增加，基質(zhì)吸力減小，造成土體的抗剪強(qiáng)度降低，影響了該斜坡的穩(wěn)定性。

（2）入滲會(huì)直接導(dǎo)致土體的含水量增大，斜坡土體的容重增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，滑動(dòng)面摩擦因數(shù)減小，土體所受到的剪力增大，導(dǎo)致斜坡的安全系數(shù)減小到0.98。

（3）在降雨過(guò)程中，降雨時(shí)間越長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致斜坡的安全系數(shù)會(huì)減小，文中只表示了最不利斜坡穩(wěn)定的降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間；在斜坡位移達(dá)到最大值的時(shí)候，降雨的雨水繼續(xù)下滲，坡體表層的基質(zhì)吸力開(kāi)始有所增加，下滲的水隨著地下水飽和區(qū)流出，土體的含水量則相應(yīng)的有所減小，容重也減小，該斜坡的穩(wěn)定性又得到了舒緩。

［1］ HOEK E，BROWN E T.Empirical Strength Criterion for Rock Masses［J］.Journal of the Geotechnical Engineer ing Division，1980，106（9）：1013－1035.

［2］ 周家文，徐衛(wèi)亞，鄧俊曄，等.降雨入滲作用下斜坡的穩(wěn)定性分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39（9）：1066－1073.（ZHOU Jia wen，XUWei ya，DENG Jun ye，et al.Analysis of Slope Stability under Intensive Rainfall［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2008，39（9）：1066－1073.（in Chinese））

［3］ 吳長(zhǎng)富，朱向榮，尹小濤，等.強(qiáng)降雨條件下土質(zhì)斜坡瞬態(tài)穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2008，29（2）：386－391.（WU Chang fu，ZHU Xiang rong，YIN Xiao tao，et al.Analysis of Soil Slope’s Transient Stability under In tensive Rainfall［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（2）：386－391.（in Chinese））

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［6］ VAN GENUCHTEN M T.A Closed Form Equation for Prediction the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1979，44（5）：892－898.

（編輯：姜小蘭）

Numerical Analysis of Soil Slope Stability Under Rainfall Infiltration

CHEN Fang1，TIAN Kai2
（1.Jiangxi Hydraulic Research Institute，Nanchang 330029，China；2.Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources，Chengdu 610081，China）

Finite element software Phase2 together with two dimensional seepage numerical calculation method was used to build a numericalmodel in consideration of the influence of seepage field on slope stability.The displace ment field，stress field and porewater pressure field were analyzed.The result indicated that rainfall infiltration re sulted in the increase of pore water pressure in the soil，and decreases ofmatrix suction and shear strength.As rainfall duration increased，slope’s safety factor reduced.As slope displacement reached the maximum，matrix suction of the slope surface began to increase due to the further infiltration of rain.And as the water draining through the groundwater saturation zone，the water content and bulk density of soil decreased，which delayed the effect on slope stability.

road engineering；rainfall infiltration；numerical simulation；stability analysis；seepage field

TU441.33

A

1001－5485（2013）12－0069－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.12.013

2013－02－28；

2013－03－28

陳 芳（1987－），女，江西都昌人，助理工程師，碩士，主要從事水利水電工程和巖土工程質(zhì)量檢測(cè)研究，（電話(huà)）15083817288（電子信箱）chenfang0609＠126.com。