第１９卷 第１期 ２ ０１ ２正 安全与环境工程 Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１９ ＮＯ．１ １月 Ｊａｎ． ２０１ ２ 降雨条件下某堆积体饱和一非饱和渗流及稳定性分析 张久龙 ，孟繁贺。，杨虎锋 ，杨 金 （１．中国地质大学工程学院，武汉４３００７４；２．广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，南宁５３００１１） 摘 要：降雨是诱发滑坡的主要因素之一。本文以西南地区某堆积体为例，基于非饱和土力学理论，考虑降雨人渗 的影响，利用有限元方法，对持续强降雨条件下该堆积体的饱和一非饱和渗流场动态变化、变形破坏机理及稳定性进行 了数值模拟和计算，结果表明：降雨入渗使坡体非饱和区土体的基质吸力减小，是导致堆积体稳定性降低的主要因 素；随着降雨的持续，堆积体塑性区的范围及贯通距离增加，稳定系数逐渐降低，使整体失稳滑移的危险增大。 关键词：堆积体；降雨；饱和一非饱和渗流；稳定性分析 中图分类号：ＴＵ４５７；Ｐ６４１。７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—１５５６（２０１２）０１—０００４—０５ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓａｔｕｒａｔｅｄ－ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｅｅｐａｇｅ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｎ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ Ｒａｉｎｆａｌｌ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ＺＨＡＮＧ Ｊｉｕ～ｌｏｎｇ ，ＭＥＮＧ Ｆａｎ—ｈｅ ，ｒＡＮＧ Ｈｕ—ｆｅｎｇ ，ｒＡＮＧ Ｊｉｎ （１．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｏｉｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ ａｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｓ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｅｘａｍ～ ｐｌｅ ｉｎ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｆｏｒｍ— ａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｔｉｎｕａｌ ｉｎｔｅｎｓｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｒｅ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈ－ ｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｒｉｃ ｓｕｃｔｉｏｎ ｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｃａｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｌｏｐｅ ｗｉｌｌ ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｘｔｅｎｄ ａｓ ｔｈｅ ｒａｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ．Ａｓ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｌｏｐｅ；ｒａｉｎｆａｌｌ；ｓａｔｕｒａｔｅｄ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｅｅｐａｇｅ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ０ 引 ｇ：１ 滑坡是一种严重的岩土体失稳现象，是发生频率 最高、危害最大的地质灾害之一，对国民经济建设及 人民生命财产安全构成了巨大的威胁。堆积层滑坡 发现滑坡１ ７３６处，总体积１３３．９亿 ，滑坡平均密 度为１．７３个／ｋｍ２，其中６４ 为堆积层滑坡［２］。 边坡的失稳，绝大多数是由降雨或地下水位的 变化而引起，这已是岩土界公认的事实。经长期实 践，许多学者对降雨与边坡稳定性之间的关系进行 是滑坡的一种基本类型，是指第四系地层中除黄土、 黏土以及其他软土层以外的松散堆积层（包括人工堆 积物）的滑坡，而且重点是指河谷两岸缓坡地带的坡 了深入的研究口 ］，认为降雨条件下滑坡变形破坏 主要表现为：在降雨过程中，地表水进入岩土体增加 了坡体的自重，增大了孔隙水压力，加大了边坡的下 滑力，使处于极限平衡状态的坡体产生滑动；降雨由 地表渗入地下，转变成为地下水，浸泡软化滑动面， 降低了坡体的抗剪强度，减小了边坡的抗滑力。然 积、洪积成因的堆积层滑坡，它具有与很多其他类型 滑坡不同的特点，在我国滑坡类型中占有很大的比 例Ⅲ。据调查统计，长江上游地区１００ ｋｍ２范围内共 收稿日期：２０１１—０５—１１ 修回日期：２０１１—０６—２０ 作者筒介：张久龙（１９８５一），男，硕士研究生，主要研究方向为岩土工程数值模拟与边坡稳定性分析。Ｅ—ｍａｉｌ：２７９６９２３０４＠ｑｑ・ｃｏｒｎ 第１期 张久龙等：降雨条件下某堆积体饱和一非饱和渗流及稳定性分析 而，对于堆积层这一典型边坡来说，在降雨条件下其 变形破坏机理研究及稳定性分析目前还较为少见。 ２堆积体饱和一非饱和渗流模拟及分析 因此，深入研究降雨引起堆积层边坡失稳机制及进 行稳定性评价，对于预测和防治该类滑坡灾害具有 ２．１计算模型及计算参数 重要的现实意义。为此，笔者通过工程实例，采用有 为了揭示降雨条件下引发堆积体稳定性变化的 限元数值模拟方法，对某堆积体在降雨条件下饱和一 内在规律，首先对该堆积体在持续降雨条件下的饱 非饱和渗流场进行了数值模拟和稳定性分析。 和非饱和渗流场的变化进行了模拟研究。 ２．１．１ 地质模型、边界条件及初始条件 １某堆积体概况 本文选取该堆积体的主剖面作为计算剖面，并 对模拟范围内的地质结构进行概化，将其分为碎石 某堆积体位于四ＪＩＩ盆地西南部，属中低山地貌， 土（绿色）、粉质黏土（红色）和泥灰岩（橘红色）三层， 地处亚热带气候区，年平均降雨量为１ １００～１ ４００ 网格剖分后的有限元计算模型如图１所示。 ｍｍ，降雨具有集中、强度大、持续时间长等特点，多 ２５０ 集中在５～９月，约占全年总雨量的７０ ，最大Ｅｌ降 ２００ 雨量达１３６ ｍｍ． １ ５０ 在经历一次持续强降雨后，该堆积体局部范围 屋１００ 内发生轻微变形，坡体前缘处出现剪胀裂隙，坡体后 ５０ 缘出现明显的张拉裂缝。由于堆积体下部为一村 ０ 庄，一旦发生滑坡将会造成重大损失和社会影响，因 ０ ５０ １Ｏ０ ｌ５０ ２００ ２５Ｏ ３００ ３５０ ４００ ４５０ ５Ｏ０ ５５０ ６００ 距离／ｍ 此当地有关部门立即采取阻滑措施，堆积体稳定性 得到控制，随后委托勘察单位进行地质勘查及治理。 图１有限元计算模型 据勘察单位提供的报告可知，该堆积体属于典型 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ 的堆积层边坡，地貌特征较为明显，轴向长约５８６ ｍ， 最大宽度约２００ ｍ，斜坡地面坡度为２５。～３Ｏ。，中间局 根据勘察资料，初始地下水位线均位于中风化 部地势平坦，坡体平均厚度为１５－－２５ ｍ，坡体厚度总 基岩面以下，对坡面堆积层影响不大；坡体左右两边 和底边为不透水边界，坡面为流量边界，流量大小为 的特征为中间厚，向两侧逐渐变薄，直至基岩出露。 堆积区范围内基本为第四系崩坡积和残坡积松散土 降雨强度，根据当地气象统计资料，该地区３日最大 层覆盖，坡体主要以黑色、土褐色粉质黏土夹碎块石 持续降雨量为３２５ ｍｍ，据此来确定本研究降雨模 为主，厚度不均，表现为坡顶薄、坡脚厚。碎块石以泥 拟计算工况。 岩、灰岩、泥灰岩为主，块径约为３～５０ ｍｍ，含量为 ２．１．２计算参数 ３０ ～５０ ；下伏基岩为三叠系中统泥岩，灰岩及泥 根据该堆积体的地质勘察资料和室内相关土工 灰岩。坡体内地下水均为潜水，滑坡周边无地表水 试验，并结合工程地质类比法，综合确定该堆积体各 系，地下水主要由基岩裂隙水及降雨补给。 层岩土体的物理力学参数见表１。 表１ 堆积体各层岩土体的物理力学参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｔａｂｌｅ ｏｆ ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ２．２饱和一非饱和渗流模拟及分析 由图２至图５可以看出：在初始状态下，坡体内 基于饱和一非饱和渗流理论，按照给定的边界条 孔隙水压力分布较为均匀（地下水位线以下为正值， 件和初始条件，采用ＳＥＥＰ／Ｗ子程序对该堆积体的 以上为负值），越接近坡面，负的孑Ｌ隙水压力（基质吸 渗流场进行了模拟和计算，得出其初始状态和不同 力）越大；持续降雨条件下，坡体内岩土体含水量及 降雨持时下的孔隙水压力分布图，见图２至图５。 孔隙水压力分布均发生了较大变化，在降雨２４ ｈ ８ 安全与环境工程 第１９卷 定系数逐渐减小，即：在初始状态下，堆积体的稳定 系数为１．１１８，坡体处于基本稳定状态；当降雨开始 后，坡体的稳定性逐渐变差，这主要是由于雨水通过 坡面渗入坡体，使坡体的孔隙水压力增大，岩土体基 质吸力随之减小，岩土体抗剪强度相应降低，同时强 降雨转化为雨水的入渗越来越多，增加了坡体自重， 使坡体自身下滑力增大，两者综合作用导致坡体的 稳定性降低；继续降雨，稳定系数继续减小，这主要 是入渗的雨水在坡体内形成了渗流，产生渗透力的 作用，在此作用下坡体的稳定性大幅下降；持续３ ｄ 的强降雨结束后，堆积体的稳定系数降至０．９８１，坡 体已处于不稳定状态，很有可能发生滑动破坏。 ４ 结 论 以某堆积体为例，采用Ｇｅｏ—Ｓｔｕｄｉｏ数值模拟软 件对其在降雨条件下的饱和一非饱和渗流场、塑性破 坏区以及稳定性进行了模拟和分析，得到如下结论： （１）降雨人渗对该堆积体的稳定性具有重要影 响。随着降雨过程中雨水的人渗，坡体的含水量和 孔隙水压力逐渐上升，基质吸力相应减小，局部区域 达到饱和状态，形成暂态饱和区，基质吸力丧失，两 者综合作用导致岩土体的抗剪强度下降，进而威胁 到整个坡体的稳定性。 （２）通过有限元模拟计算和分析表明，该堆积 体的变形破坏模式为：坡体中前缘首先发生挤压剪 切破坏，后缘在牵引作用下沿着破坏贯通的粉质黏 土层相继发生滑移破坏。 （３）由稳定性计算结果可知，持续的强降雨对 该堆积体的稳定性具有明显的影响。３ ｄ持续强降 雨结束后，该堆积体稳定系数降至０．９８１，有可能整 体发生失稳滑动，形成滑坡。 参考文献： Ｅ１］陈善雄，许锡昌，徐海滨．降雨型堆积层滑坡特征及稳定性分析 口］．岩土力学，２００５，２６（Ｓ２）：６—１０． ［２］夏金梧．长江上游地区滑坡分布特征及主要控制因素探讨ＣＪ］． 水文地质工程地质，１９９７，２４（１）：１６—１８． ［３］陈善雄，陈守义．考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法［Ｊ］． 岩土力学，２００１，２２（４）：４４７—４５０． ［４］李兆平，张弥．考虑降雨人渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系数 研究［Ｊ］．土木工程学报，２００１，３４（５）：５７—６１． ［ｓ］徐晗，朱以文，蔡元奇，等．降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分 析Ｉ－Ｊ］．岩土力学，２００５，２６（１２）：１ ９５７—１ ９６２． ［６］张开鹏，刘新喜．降雨入渗对三峡库区堆积层滑坡稳定性的影响 ［Ｊ］．中全科学学报，２００６，１６（６）：４—８． ［７］刘新喜，夏元友，蔡俊杰，等．降雨人渗下强风化软岩高填方路堤 边坡稳定性研究［Ｊ］．岩土力学，２００７，２８（８）：１ 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