董立根

南阳市南水北调工程运行保障中心（南阳市移民服务中心），河南 南阳 473000

0 前言

中国某些地区的地形以山地为主，坡地大概占全部面积滑裂面2/3以上，适合人居住的平原面积很少。随着全球气候暖化，极端气候开始出现，近年来因为暴雨所带来的灾害屡见不鲜，常见的灾害如边坡崩塌造成道路堵塞中断、暴雨引发泥石流冲毁桥梁等等，危害人类生命财产安全。基于前人的研究成果，并借由数值分析的方法了解不饱和土壤的基质吸力变化与现地水文特性的关系，以SEEP/W 分析不饱和土壤在不同时间下的瞬时渗流情形，再利用渗流分析的结果汇入SLOPE/W 计算边坡稳定性，针对降雨入渗行为进行探讨，并考虑降雨对基质吸力与浸润带等水文特性的影响，借此了解降雨入渗对崩积土坡水文特性的影响。最后将分析结果做一综合讨论与建议。

1 不饱和土壤渗流分析软件滑裂面SEEP/W

过去数十年的研究都发现不饱和土壤中的渗流具有一定的重要性，但不饱和土体内的水流动情形解析不易，故本研究采用由加拿大Calgary 大学所发展的数值分析软件SEEP/W 进行数值分析，此程序主要功能为分析饱和与不饱和土壤于稳态（steady state）或是瞬时（transient state）情况下的渗流问题。透过输入不同的分析模式、材料参数、边界条件等，求得边坡在饱和与不饱和条件下的渗流情形。通过瞬时分析，可以得到不同时间不同点位的孔隙水压力、总水头、压力水头、体积含水比，浸润带发展及基质吸力变化分布图。

2 SEEP/W分析模式

2.1 稳态分析

在渗流分析中，稳态分析用来描述一种达到稳定且不持续变动的状态，意即在流场中任何一特定点位置上已达稳定状态，任何物理性质例如水压和渗流量不再随时间改变。稳态分析模式不需考虑到底要花多长的时间才能到达最终状态，只需要给定边界条件即可求解，意味着提供的边界条件在定义的位置是始终保持不变的。

2.2 瞬时分析

在渗流分析中，瞬时分析用来描述一个持续变化的状态，瞬时分析是考虑花多久的时间才能和给定的边界条件相适应，所以它是一直在变动。瞬时分析的结果，依照时间设定（Time Step）运算出特定时间的结果。不同时间下的瞬时分析结果是不同的。

若一个渗流分析案例经过2 d就呈现稳定状态，那超过2 d以后的瞬时分析就已经没有意义，因为经过2 d以后就已经呈现稳定状态。若一个渗流分析案例要经过100 d 才会呈现稳定状态，如果程式只分析了6 d，则无法看出后面94 d的状况，必须延长分析时间。

如何选用正确的天数来做瞬时分析是一个重要的问题，此问题可以根据结果来判断，例如选用不同的天数来做瞬时分析，观察安全系数是否达到稳定状态，若还没稳定则须增加分析天数，若已达稳定状态则可减少分析天数，寻找安全系数趋于稳定的时间点，此时间即为瞬时分析所需要的时间。

2.3 时间设定

在渗流分析中，所有的瞬时分析都需要配合时间设定来求解，在大多数的情况下，一个计算结果所对应的合理时间设定需要经过反复调整测试才能确定。合适的时间设定与研究的问题息息相关，例如：如果浸润带移动速度太快，无法看出变化过程，时间间隔设定就必须缩小；如果浸润带移动速度太慢，时间间隔设定就必须增加。

3 SEEP/W滑裂面数值模型的建立

研究参考某崩塌区崩塌潜势分析及监测成果报告书的资料来建立分析所需的边坡分析模型。根据某崩塌地于滑裂面NBH-2 孔位的地质钻孔资料显示，该崩塌地的最上层为崩积土层，其厚度约为16 m，于崩积土层下方为轻度风化的砂岩，其厚度约为5 m，在砂岩下方为页岩间夹砂岩，厚度约为9 m，钻孔底层为砂岩与页岩角砾，其崩塌地的坡度约为滑裂面49%，换算成边坡角度为26°。整理上述资料绘制出所需的边坡分析模型，如图1所示。

图1 滑裂面地层剖面图

分析边坡坡面长度为40 m，边坡角度为26°，坡顶与坡底各延伸30 m的水平面。地形剖面由地表面向下依序为崩积土层、砂岩滑裂面层、砂页岩互层与砂岩、页岩角砾层等4 层，岩层层面角度为参考基地地层剖面图，假设为6°。通过近三个月内的实时监测计算，得出上边坡、下边坡不同部位的饱和渗透系数，见表1。

表1 滑裂面上下边坡及各深度的饱和渗透系数表

4 计算结果分析

在边坡的坡顶与坡底设置滑裂面入口与出口，如图2 所示，上边坡红色线段范围为滑裂面入口，下边坡红色线段范围为滑裂面出口，程序会计算在这两个指定滑裂面入口及出口的地方可能产生的滑动面，灰色圆弧线即边坡可能滑裂面，绿色区域为安全系数最小的滑动面。采用指定滑裂面入口及出口法通常所得滑裂面较深，优点为计算速度较快。

图2 滑裂面指定滑裂面入口及出口法设定及分析结果图

由SLOPE/W 边坡稳定分析结果可以得知，降雨强度越大，安全系数下降越快、越多。由于每个小时的滑动面变化不大，又安全系数在6 h最低，故以不同降雨强度在6 h的滑动面为代表，滑动面皆为圆弧形，其安全系数随时间变化如图3所示。

图3 安全系数随时间变化图

在高地下水位情况时，0-6 h的安全系数随降雨入渗而下降，第7 小时降雨停止且地表发生蒸散作用，安全系数仍持续下降，可能原因为地下水位较高，降雨入渗对地下水位改变量较大，如图4所示，且降雨停止后地下水位仍持续上升，因降雨停止后，原本入渗至边坡浅层的雨水继续往下入渗到较深层土壤，使地下水位面提高，降雨的水入渗到土壤里短时间难以排出，导致安全系数仍持续下降。降雨强度越大，安全系数下降越快、越多。

图4 滑裂面地下水位随时间变化图

5 结论

①滑裂面无论地下水位高低，当地表开始降雨时，浅层土壤受到雨水入渗的影响，土壤内孔隙逐渐被水填满，导致孔隙水压力上升、压力水头上升，位置水头不变，浅层土壤的总水头也开始提高。当地表发生蒸散作用时，浅层土壤内孔隙水逐渐蒸散而消失，导致孔隙水压力下降、压力水头下降，总水头也随的降低。②滑裂面降雨入渗会使浅层土壤体积含水比上升，当体积含水比达到上限时，土壤为饱和状态，浅层边坡开始产生浸润带。当地表开始发生蒸散作用时，浅层土壤体积含水比开始下降，浸润带消失。③滑裂面基质吸力与浸润带存在着互制关系，当基质吸力上升时，浸润带停止发展；反的当基质吸力减少时，浸润带将会开始发展。④滑裂面以本研究降雨强度30 mm/h为例，地下水位较低时，降雨入渗对基质吸力的影响深度约为2 m，对土壤的吸力影响范围较小。当地下水位较高时，降雨入渗对基质吸力的影响深度约为3 m，对土壤的吸力影响范围较大，因浅层土壤初始负压力水头较小、初始体积含水比较高，相同降雨强度情况下，降雨入渗对土壤的吸力影响范围较大。⑤地下水位较高，浸润带发展较地下水位低时快，降雨入渗对地下水位上升幅度较大，因地下水较高时，地下水上方的土壤含水比较高，对浸润带发展较有利。当地下水位较低时，浸润带发展较地下水位高时慢，降雨入渗对地下水位上升较无明显趋势。⑥滑裂面在不产生地表径流的降雨强度下，其边坡稳定的安全系数随降雨强度增加而减小，安全系数随地表蒸散作用而上升。

6 建议

①建议未来进行参数灵敏度分析，透过数值分析了解各项参数对渗流及边坡稳定的影响，可进行比较分析。②不饱和土壤抗剪力强度方程式中的基质吸力项，可以考虑成对土壤凝聚力项的增加项，建议可在未来在边坡稳定分析时考虑对安全系数的影响。③建议未来收集其他国内不饱和崩积土壤边坡的基质吸力量测，将本研究所建立的分析模式与其他监测案例进行分析与验证。并可进一步改进分析模式与方法等程序设定。