基于SEEP/W的降雨条件下黄土边坡稳定性分析

黄新智　刘俊俊

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州　730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃兰州　730070)

Analysis of Loess Slope Stability under Rainfall Conditions Based on the SEEP/W

HUANG Xinzhi　LIU Junjun

基于SEEP/W的降雨条件下黄土边坡稳定性分析

黄新智1，2刘俊俊1，2

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点试验室，甘肃兰州730070)

Analysis of Loess Slope Stability under Rainfall Conditions Based on the SEEP/W

HUANG XinzhiLIU Junjun

摘要在对边坡进行稳定性分析的过程中，通常是在饱和状态的静水(孔隙水)压力理论基础上来考虑。而在很多实际工程中，边坡发生失稳变形或者破坏往往是由于其处于非饱和状态，在降雨过程中边坡会由非饱和状态向饱和状态转化。使用非饱和土体渗流分析软件SEEP/W，分析非饱和黄土边坡的孔隙水压力和体积含水率分布场，并将其耦合到SLOPE/W中进行黄土边坡稳定性分析，探讨抗剪强度和孔隙水压力的变化。

关键词边坡降雨入渗非饱和稳定性

降雨入渗到达土体内部，往往经过了及其复杂的过程，需要通过物理作用、化学作用等循环的改变。在这个循环过程中，边坡土体通过不断的变形、蠕动、运移，达到新的地质平衡，最终改变土体原来的结构[1]，在岩土工程中，边坡稳定性分析一直是重要的研究领域[2]。

降雨引起非饱和土斜坡失稳的原因是：当降水渗入到非饱和土体内时，非饱和土土体内的负孔隙水压力开始升高，负孔隙水压的升高导致土体的抗剪强度降低。当滑裂面上的抗剪强度减小到比下滑力还小的时候，斜坡就会发生失稳破坏[3，4]。

黄土大多数是低含水量土，属于非饱和土，气候变化对地表附近土的含水量影响很大。土中的孔隙水压力为所在地区由于水分蒸发或者植物蒸腾产生从地面向上的流量与降雨及地表渗水引起进入土中的向下流量之差。黄土在受水浸湿作用前处于非饱和状态，当降雨作用在非饱和的黄土上时极易达到局部饱和状态，安全系数减小，从而诱发滑坡[5，6]。深入研究降雨引起黄土边坡失稳的规律，对于滑坡、泥石流等灾害的防治具有指导性意义。

1有限元计算模型

1.1　数值模拟软件简介

GeoStudio软件是一套适用于岩土工程和岩土环境模拟的计算仿真软件，具有专业、高效及功能强大等特点。SEEP/W 作为GeoStudio软件的一个模块，是非饱和土渗流方面的专业分析软件，不但可以分析稳态渗流，还可以分析瞬态渗流，广泛应用于岩土工程相关的渗流分析[7]。在SEEP/W 计算结果中，可以分析各种饱和非饱和条件下的孔隙水压力、体积含水率随深度和时间变化的趋势。然后将SEEP/W与GeoStudio的其他模块进行耦合，例如将其与SLOPE/W进行耦合，进而考虑基质吸力和边坡稳定性的关系，根据SEEP/W的计算结果，可以分析边坡不同时间段的安全系数，进行边坡稳定性评价[8]。

1.2　黄土边坡的基本参数和水力学特征

(1)黄土边坡基本参数

模型中的土质原型来源于兰州市兰山后山南部边坡，黄土高边坡上部分主要为兰州马兰黄土，下部分主要为离石黄土。数值模拟中的各层土物理力学参数为：马兰黄土天然含水量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%、饱和凝聚力c′=6.0 g/cm3、饱和内摩擦角φ′=11.5°；离石黄土天然含水量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%、饱和凝聚力c′=18.7 g/cm3、饱和内摩擦角φ′=11.5°。

(2)模型中各土层水力学特征

土的水力学特征主要参数见表1。

计算过程中用到的这些水力参数都选自SEEP/W函数库中的函数。选用Van.Genuchten模型生成完整渗透曲线。各种土的渗透性系数函数和土水特征曲线见图1～图4。

1.3　模型的建立

GeoStudio中所有网格都是自动生成的，不必绘制单独的“有限单元”，也不用担心网格的协调性或者改变网格是否会影响材料属性和边界条件[9]。划分网格过程中，在考虑计算模型的边界条件、精度条件下，合理对模型进行网格划分。黄土高边坡模型有限元网格划分如图5所示，共有260个节点，359个单元，上半部分网格为三角形，下半部分网格为三角形和四边形。

1.4　模型的边界条件

降雨过程中，渗入会使得边坡土体的含水量随着降雨时间的增加而增加，故这是一种瞬态情况，需要在模型计算过程中在模型边坡地表线位置设置边界条件(单位流量)为降雨强度来表现这种瞬态。模型地下水位较深，所以模拟边坡左右两侧边界总流量为零；模型底面土体均为粉质黏土，渗透系数非常小，所以模拟底面的总流量为零。

通常情况下，降雨的范围是整个坡面和坡顶，所以要把整个边坡作为分析对象。在将降雨强度作为边界条件加到边坡线上时，要保证其和渗流面垂直。所以当边坡存在坡度时，必须将降雨强度投影到与渗流面垂直的方向，故需要进行降雨强度的换算[10]。

2模拟成果分析

2.1　稳态分析

在设定好边界条件和给定水力学函数的条件下，计算出坡体初始状态下的孔隙水压力。在初始状态的渗流场中，负孔隙水压力最大值出现在坡体顶部，其值为-236.9 kPa，这说明坡顶基质吸力最大；正孔隙水压力17.8 kPa位于坡底，孔隙水压力大致沿地下水位线垂直方向，从上往下递增。坡顶体积含水率为3.05%。

2.2　降雨入渗条件下的瞬态分析

本次数值模拟采用降雨强度为70 mm/d的条件下，分析边坡渗流场的变化情况，降雨范围是整个坡面和坡顶。在不同的降雨持续时间下，孔隙水压力和体积含水率变化见表2。

随着降雨的进行，坡体的含水率随着深度增加，负孔隙水压力减小。随着降雨时间的增加，负孔隙水压力减小速度(孔隙水压力增加速度)开始变缓，不过与降雨的持续时间依然成反比，这说明负的孔隙水压力对基质吸力是有贡献作用的，而且基质吸力与含水率成反比，可以推断负孔隙水压力的减小是由体积含水率快速增加所致。

2.3　黄土边坡稳定性分析

在自然条件下，由于孔隙水压力的存在，使得边坡土体的含水量增加，抗剪强度减小。因此，在边坡稳定性分析中必须考虑孔隙水压力的影响。在考虑基质吸力的极限平衡法改进的基础上，求解边坡稳定系数[10]。

利用之前SEEP/W的非饱和渗流分析结果，耦合到SLOPE/W中进行黄土边坡的稳定性分析。在模型稳定性分析的结果中，得出如图6所示的30个最危险滑动面。

(1)安全系数随降雨时间的变化规律

由图7可以看出，在降雨初始时刻，安全系数减小的速率最大，随着降雨时间的继续，安全系数减小的速率逐渐放缓，但最后依然有下降的趋势。

(2)抗剪强度随深度的变化

如图8，降雨入渗将会影响边坡含水率的分布，从而使得边坡土体的抗剪强度减小。边坡土体抗剪强度随深度表现为先增加后减小的抛物线，地表的抗剪强度为16 kPa；随着深度的增加，抗剪强度呈线性迅速增加，在深度为9 m处达到最大，其值为60 kPa。之后随着深度增加，抗剪强度又以更快的速度减小。

3结论

(1)体积含水率会直接影响孔隙水压力的大小，体积含水率与孔隙水压力成正比关系。

(2)基质吸力对于边坡的稳定具有十分显著的影响，降雨引起基质吸力的下降将诱发滑坡。

(3)边坡的安全系数与降雨时间有着直接的关系，土体的安全系数随着降雨时间的增加而降低，降雨的前12 h安全系数减小较快，降雨25～40 h期间安全系数变化较小，曲线相对缓慢。

(4)非饱和黄土边坡土体在降雨的影响下，坡体抗剪强度随深度表现为先增加后减小的类似抛物线关系。

参考文献

[1]刘红岩，王媛媛，秦四清.降雨条件下的基坑边坡渗流场模拟[J].工业建筑，2007(10)：50-53.

[2]王晓东，吴连海.强度折减有限元法在降雨条件下土质边坡稳定性分析中的应用[J].铁道勘察，2013(6)：47-50．

[3]D.G弗雷德隆德，H.拉哈尔佐.陈仲颐，等译.非饱和土土力学[M].北京:中国建筑工业出版社，1997.

[4]陈守义.考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法[J].岩土力学，1997(2)：8-12

[5]张少宏，康顺祥，李永红.降雨对黄土边坡稳定性的影响[J].水土保持通报，2005，25(5):42-44

[6]田学伟，乔玉荣.对某铁路工程滑坡治理措施的探讨[J].铁道勘察，2013(6)：31-35

[7]GEO-SLOPE International Ltd. Seep Modeling with SEEP/W 2007[M].北京:冶金工业出版社，2011

[8]GEO-SLOPE International Ltd. Stability Modeling with SLOPE/W 2007 Version[M].北京:冶金工业出版社，2011

[9]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].中国安全科学学报，2006(6)：4-8

[10]银晓鹏.降雨条件下的边坡渗流数值模拟及稳定性分析[D].兰州：兰州理工大学，2008

中图分类号：U213.1

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)05-0041-03

收稿日期：2015-08-12