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(diǎn)試驗(yàn)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(diǎn)試驗(yàn)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(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的過(guò)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(lái)考慮。而在很多實(shí)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(guò)程中邊坡會(huì)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(chǎng)，并將其耦合到SLOPE/W中進(jìn)行黃土邊坡穩(wěn)定性分析，探討抗剪強(qiáng)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(dá)土體內(nèi)部，往往經(jīng)過(guò)了及其復(fù)雜的過(guò)程，需要通過(guò)物理作用、化學(xué)作用等循環(huán)的改變。在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，邊坡土體通過(guò)不斷的變形、蠕動(dòng)、運(yùn)移，達(dá)到新的地質(zhì)平衡，最終改變土體原來(lái)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(dāng)降水滲入到非飽和土體內(nèi)時(shí)，非飽和土土體內(nèi)的負(fù)孔隙水壓力開(kāi)始升高，負(fù)孔隙水壓的升高導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)滑裂面上的抗剪強(qiáng)度減小到比下滑力還小的時(shí)候，斜坡就會(huì)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(duì)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(jìn)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(dāng)降雨作用在非飽和的黃土上時(shí)極易達(dá)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(duì)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(jì)算模型

1.1　數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介

GeoStudio軟件是一套適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬的計(jì)算仿真軟件，具有專(zhuān)業(yè)、高效及功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。SEEP/W 作為GeoStudio軟件的一個(gè)模塊，是非飽和土滲流方面的專(zhuān)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(jì)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(shí)間變化的趨勢(shì)。然后將SEEP/W與GeoStudio的其他模塊進(jìn)行耦合，例如將其與SLOPE/W進(jìn)行耦合，進(jìn)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(jì)算結(jié)果，可以分析邊坡不同時(shí)間段的安全系數(shù)，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[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(lái)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(jiàn)表1。

計(jì)算過(guò)程中用到的這些水力參數(shù)都選自SEEP/W函數(shù)庫(kù)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(jiàn)圖1～圖4。

1.3　模型的建立

GeoStudio中所有網(wǎng)格都是自動(dòng)生成的，不必繪制單獨(dú)的“有限單元”，也不用擔(dān)心網(wǎng)格的協(xié)調(diào)性或者改變網(wǎng)格是否會(huì)影響材料屬性和邊界條件[9]。劃分網(wǎng)格過(guò)程中，在考慮計(jì)算模型的邊界條件、精度條件下，合理對(duì)模型進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，359個(gè)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(guò)程中，滲入會(huì)使得邊坡土體的含水量隨著降雨時(shí)間的增加而增加，故這是一種瞬態(tài)情況，需要在模型計(jì)算過(guò)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(qiáng)度來(lái)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(gè)坡面和坡頂，所以要把整個(gè)邊坡作為分析對(duì)象。在將降雨強(qiáng)度作為邊界條件加到邊坡線上時(shí)，要保證其和滲流面垂直。所以當(dāng)邊坡存在坡度時(shí)，必須將降雨強(qiáng)度投影到與滲流面垂直的方向，故需要進(jìn)行降雨強(qiáng)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(jì)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(chǎng)中，負(fù)孔隙水壓力最大值出現(xiàn)在坡體頂部，其值為-236.9 kPa，這說(shuō)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(qiáng)度為70 mm/d的條件下，分析邊坡滲流場(chǎng)的變化情況，降雨范圍是整個(gè)坡面和坡頂。在不同的降雨持續(xù)時(shí)間下，孔隙水壓力和體積含水率變化見(jiàn)表2。

隨著降雨的進(jìn)行，坡體的含水率隨著深度增加，負(fù)孔隙水壓力減小。隨著降雨時(shí)間的增加，負(fù)孔隙水壓力減小速度(孔隙水壓力增加速度)開(kāi)始變緩，不過(guò)與降雨的持續(xù)時(shí)間依然成反比，這說(shuō)明負(fù)的孔隙水壓力對(duì)基質(zhì)吸力是有貢獻(xiàn)作用的，而且基質(zhì)吸力與含水率成反比，可以推斷負(fù)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(gè)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。

(1)安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖7可以看出，在降雨初始時(shí)刻，安全系數(shù)減小的速率最大，隨著降雨時(shí)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(shì)。

(2)抗剪強(qiáng)度隨深度的變化

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

3結(jié)論

(1)體積含水率會(huì)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(duì)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(shí)間有著直接的關(guān)系，土體的安全系數(shù)隨著降雨時(shí)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(duì)緩慢。

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

參考文獻(xiàn)

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[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(lèi)號(hào)：U213.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)05-0041-03

收稿日期：2015-08-12