不同降雨强度条件下黄土边坡稳定性分析

2019-07-30刘林林王孝哲郭祥胜高超朱明亮刘帅

人民珠江 2019年7期

刘林林，王孝哲，郭祥胜，高超，朱明亮，刘帅

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083)

黄土在中国分布区域十分广泛，主要分布在中国西部地区，如陕西北部、甘肃中部等地。黄土边坡更是由于具有复杂性、频发性、灾难性等特点而在黄土地区成为一种典型的灾害现象，这种灾害现象至今仍不能有效地根治[1]。造成边坡失稳破坏的因素有很多，包括自然因素和人为因素2个方面，自然因素中最普遍的是降雨[2-6]。据研究统计，由降雨所引起的黄土边坡失稳破坏的数量占黄土边坡破坏总量的90%以上[7]。因此，分析降雨对黄土边坡失稳破坏的影响具有重要的研究意义。

目前，在研究降雨对黄土边坡的影响方面，中国学者已经做出了许多突出的贡献。潘俊义等[8]以陕北黄土边坡为研究对象，利用野外模拟降雨试验，测试不同降雨强度条件下边坡内部土体含水率变化及应力变化特征，结果表明，随降雨强度的不断增大，相同埋深测点处土体含水率及应力变化幅度较大，导致边坡冲刷效果逐渐明显。李亚哲等[9]根据室内试验模拟分析降雨对黄土边坡坡面产生侵蚀破坏的作用机理，提出了一种能够有效减小降雨对边坡坡面冲刷破坏的综合防护技术。郭震山等[10]使用有限元数值模拟软件模拟分析了黄土边坡在考虑降雨过程中土体基质吸力、物理力学参数以及渗透系数的变化特征。孙艳杰等[11]利用Geo-Studio软件对降雨条件下不同因素对黄土边坡稳定状态的影响进行分析，分别以孔隙水压力和土体物理强度参数为变量，研究它们对黄土边坡的影响。翟自强等[12]通过采用渗透循环试验方法模拟整个降雨过程，以此来探究边坡土体强度和渗透特性在整个降雨过程中的变化规律。赵涛、王新刚等[13-14]通过分析降雨作用下坡面裂隙深度对边坡稳定性的影响，得出边坡稳定性系数随裂隙深度增加而减小的规律。吴谦等[15]利用三维颗粒流软件对黄土边坡降雨冲刷过程进行模拟，得出结论：在降雨过程中坡顶侵蚀最为严重、水流的侵蚀能力最强。

本文设置4种降雨强度，利用Geo-Studio软件中的SEEP/W模块对黄土边坡进行降雨条件下的渗流分析，之后将渗流分析结果与SLOPE/W模块进行耦合分析，得出不同降雨强度下的边坡稳定性安全系数，为后续黄土边坡研究和治理提供一些参考作用。

1 SEEP/W模块及渗流原理介绍

1.1 SEEP/W 模块介绍

GeoStudio 软件包括SEEP/W、SLOPE/W、SIGMA/W、QUAKE/W等几个模块，其中SEEP/W广泛应用于岩土工程相关的渗流分析，例如边坡、基坑、大坝等瞬态或稳态渗流。因此利用该模块对边坡进行渗流分析时，不仅可以分析简单的饱和、饱和-非饱和渗流问题,也可以分析动态复杂的渗流问题。本文主要利用SEEP/W模块和SLOPE/W模块对黄土边坡内部渗流与边坡稳定性进行耦合分析。

1.2 SEEP/W 模块瞬态分析

SEEP/W模块在进行渗流分析中主要分为稳态分析和瞬态分析，稳态分析描述的是一种稳定且不改变的状态。在许多情况下，由于岩土工程问题受到自然界的循环作用，稳态可能永远也得不到。因此，在利用SEEP/W模块对边坡进行渗流分析时，常常采用瞬态分析，表达式如下:

(1)

式中kx——水平方向渗透系数，cm/s；ky——垂直方向渗透系数，cm/s；Q——渗流量，m3。

1.3 渗流计算原理

SEEP/W 模块分析非饱和土渗流问题的原理是基于饱和-非饱和土体渗流理论的达西定律。研究表明，达西定律不仅适用于饱和土，也同样适用于非饱和土，即达西定律在非饱和区的应用同饱和区是一样的，表达式如下：

v=ki

(2)

式中i——渗透坡降；v——渗流速度，cm/s；k——渗透系数，cm/s。

2 黄土边坡渗流模拟分析

2.1 模型建立及边界设定

模型材料为均质黄土，总高50 m，总长95 m，边坡坡率为0.75，边坡前后缘水平面长度分别为20、25 m, 初始水位线从坐标点(0，25)延伸至(95，15)。

初始水位线以下左右侧边界设置为定水头边界，水头值分别为25、15 m，水位线以上左右侧边界设置为零流量边界，边坡底部为不透水边界，设置为零流量边界，边坡坡面及前后缘水平面为自由入渗边界，设置为流量边界。

2.2 计算参数选取

本文通过阅读大量的文献资料并结合相关的黄土规范值和经验值，得出黄土的各种力学参数，见表1。其次，利用 SEEP/W模块中的Van Genuchten 估算方法，只需输入黄土的饱和含水量和残余含水量，再选择相应的土体类型，便可以很快建立非饱和黄土边坡计算模型，黄土边坡土水特征曲线与渗透系数函数分别见图1、2。

表1 黄土力学参数

2.3 不同降雨工况下的渗流分析

本文根据中国气象局官网降雨强度等级划分标准，选取4种降雨工况，分别是中雨20 mm/d、大雨40 mm/d、暴雨90 mm/d、大暴雨200 mm/d，降雨持续时间均为24 h。初始渗流场及4种降雨工况在相同降雨历时条件下的边坡内部渗流场变化，见图3—7。通过以黄土边坡初始(无降雨时)渗流场为参照，对边坡内部渗流场变化情况进行分析，得出以下结论。

a) 在降雨强度为20、40 mm/d时，边坡内部渗流呈微小变化，仅在坡脚和坡体前缘处呈现微小的土体吸水现象，坡体内部基质吸力即负孔隙水压力变化较小，此时，降雨强度小于边坡土体入渗能力。

b) 随着降雨强度的不断增大，坡体内部初始水位线呈现明显的抬升现象，坡内局部区域土体呈现吸水饱和现象，负孔隙水压力值变化明显。当降雨强度为90 mm/d时，坡体前缘土体吸水首先达到饱和状态，边坡浅层土体负孔隙水压力值明显减小。当降雨强度达到200 mm/d时，边坡浅层土体达到饱和状态，坡体前缘位置降雨强度已经大于边坡土体的入渗能力，在坡体前缘将会形成地表径流，雨水在此位置已经不能继续渗入土体。

c) 随着降雨强度的增加，在边坡坡脚处首先形成局部饱和区，之后坡面浅层土体处逐渐形成贯通的饱和区。

3 黄土边坡稳定性模拟分析

通过上述SEEP/W模块对黄土边坡内部渗流分析，结合SLOPE/W模块对黄土边坡进行耦合分析，从而确定边坡的临界滑动面位置及稳定性系数。SEEP/W模块分析边坡内部渗流所建立的边坡模型可以作为SLOPE/W模块计算的模型，只需要对黄土物理参数进行重新赋值即可。本文采用SLOPE/W模块中的Morgenstern- Price法对黄土边坡稳定性进行分析计算，该方法几乎满足所有的极限平衡条件，适用于任意形状的滑动面，能够很好地反映出边坡最危险滑动面各个土条之间相互作用力情况。此外，SLOPE/W模块提供了指定滑动面法、完全指定滑动面法、指定剪入和剪出口法等多种定义边坡计算滑动面的方法，本文根据黄土边坡滑动规律特性采用指定剪入和剪出口法对黄土边坡进行滑动面滑动范围指定。

3.1 非饱和土强度计算理论

利用SLOPE/W模块进行边坡稳定性计算时，对于非饱和土质边坡，其强度计算理论采用Fredlund理论，随着雨水的不断渗入，边坡内部土体含水量逐渐上升，基质吸力逐渐下降，进而在土体内部形成一定范围的暂态饱和区，可利用φb来设置边坡土体的抗剪强度参数。

S=c′ +(σ-μa)tanφ′ +(μa-μw)tanφb

(3)

式中S——土体抗剪强度，MPa；c′——有效黏聚力，MPa；μa——孔隙气压力，MPa；μw——孔隙水压力，MPa；σ——总应力，MPa；φ′——有效内摩擦角,(°)；φb——随基质吸力降低而增大的角度,(°)。

当μa=μw时，土体达到饱和状态，此时将式(3)转化为饱和状态下的土体强度计算公式：

S=c′ +(σ-μa)tanφ′

(4)

3.2 边坡稳定性等级划分

通过查阅DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查规范》可知，根据边坡稳定性系数可将边坡稳定状态分为4级，见表2。

表2 边坡稳定状态划分标准

3.3 初始状态下的边坡稳定性分析

利用SLOPE/W模块对初始状态(无降雨时)下的黄土边坡进行稳定性模拟计算，可以得出初始状态下的边坡稳定性系数为1.537，此时边坡处于稳定状态，见图8。

3.4 不同降雨强度下的边坡稳定性分析

通过SEEP/W模块和SLOPE/W模块对边坡的耦合分析可以得出不同降雨强度条件下的黄土边坡稳定性系数，见表3。

表3 不同降雨强度作用下边坡稳定性系数

天然无降雨状态下的边坡处于稳定状态，稳定性系数为1.537，随着降雨强度的不断增大，边坡稳定性系数从降雨强度20 mm/d的1.528持续降低到200 mm/d的1.198。

图9所示为黄土边坡在不同降雨强度条件下稳定性系数与降雨强度的关系曲线。从图9中可以很明显地看出：在降雨持续时间相同的情况下，边坡稳定性系数与降雨强度大小呈负相关关系，即边坡稳定性系数随降雨强度的不断增大而不断减小。当降雨强度低于40 mm/d时，边坡稳定性系数降低不明显，此时降雨对黄土边坡的稳定性影响较小。根本原因可以理解为：①当24 h持续降雨总量较少时，渗入到边坡内部的雨量十分有限；②由于天气的原因使一部分雨水在降雨过程中被蒸发，进一步导致渗入到边坡内部的雨量降低。随着降雨强度继续增加至200 mm/d时，边坡的稳定性系数以更快的速率降低。在200 mm/d降雨强度条件下边坡的稳定性状态即将有所降低，可以理解为：随着降雨的不断持续，入渗到边坡内部的雨水不断增多，使边坡土体重量增加，土体抗剪强度降低，力学性质发生不同程度的改变，从而导致黄土边坡的稳定性进一步降低。