福建德化霞碧滑坡滲流穩(wěn)定性模擬分析

吳道榮，黃俊寶

（福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，福建 福州 350002）

0 引言

降雨是滑坡的重要誘發(fā)因素之一，降雨對于土質(zhì)滑坡的影響主要是降雨入滲改變了滑坡體內(nèi)的滲流場，從而增大土體的孔隙水壓力，降低土體的有效抗剪強(qiáng)度。從這個意義上講在確定正確的抗剪強(qiáng)度方面，孔隙水壓力和強(qiáng)度參數(shù)本身同樣重要。要準(zhǔn)確評價土質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性，坡體滲流場的計(jì)算就顯得尤為重要。對該問題的研究，包含了對降雨條件下滑坡飽和－非飽和滲流場的研究［1］以及將滲流場的變化納入到滑坡穩(wěn)定的研究等方面。

本文運(yùn)用飽和－非飽和滲流有限元法，對國家“十一五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“區(qū)域降雨型地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警技術(shù)研究”閩東南地區(qū)德化臺風(fēng)暴雨型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警示范點(diǎn)的監(jiān)測資料進(jìn)行分析。在監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上，建立監(jiān)測點(diǎn)滑坡滲流計(jì)算模型，進(jìn)行參數(shù)和滲流場的反演分析，計(jì)算分析滲流場與降雨－時間的演化規(guī)律，并分析滑坡位移和穩(wěn)定性。

1 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)概況

該滑坡點(diǎn)位于德化縣龍門灘鎮(zhèn)霞碧村，為閩東南臺風(fēng)暴雨型監(jiān)測預(yù)警示范基地地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)［2］?；碌靥廄堥T灘水庫北部的中低山區(qū)域，場地斜坡高程500～610.5m，相對高差110m，山體走向呈北西向。斜坡呈凸形坡，下部坡度約 32°，上部坡度約25°，植被發(fā)育。上部殘坡積層粘性土，灰黃色、硬塑，結(jié)構(gòu)松散，厚度8～10m；下部為白堊世石英閃長巖。匯水面積約30000m2，地下水主要為第四系殘坡積孔隙潛水?；麦w平面上呈弧形，高程590m處密集產(chǎn)生數(shù)處拉裂裂縫和地面下陷，裂縫長度10～40m，最大下陷深度1.5m，斜坡前緣有數(shù)處小滑坡。潛在滑體主軸長150m，平均寬約80m，土層厚度約8m，土方量約 10×104m3，主滑方向?yàn)?NE89°。

為獲得該地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)降雨入滲引起變形斜坡體含水量、滲透壓和表層位移等動態(tài)參數(shù)變化關(guān)系，霞碧滑坡監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測儀器布置如圖1所示，共布置地表位移測量儀兩臺，地下水位測量儀一臺（傳感器2個）、含水量傳感器3個（分布于鉆孔1的上中下三個位置）、自動雨量計(jì)一臺，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)自動采集，數(shù)據(jù)接收采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2 滲流場數(shù)值模擬

2.1 滲流的基本微分方程

在滲流場下，多孔介質(zhì)中地下水運(yùn)動的微分方程可依據(jù) Darcy定律和質(zhì)量守恒定律來推導(dǎo)［3］，即根據(jù)滲流場中水在某一單元體內(nèi)的積累速率等于該單元體水量隨時間變化的速率。穩(wěn)定滲流的基本微分方程可表示為：

k——滲透系數(shù)；對于穩(wěn)定滲流，基本微分方程的定解條件僅含邊界條件，常見的邊界條件有如下幾類：

第一類邊界條件（Dirichlet條件）：當(dāng)滲流區(qū)域的某一部分邊界（比如 S1）上的水頭已知，法向流速未知時，其邊界條件可以表述為：

H（x，y，x）|s1= φ（x，y，z），（x，y，z）∈ S1

圖1 滑坡體及監(jiān)測儀器布置剖面圖Fig.1 Landslideandmonitoringdevicesprofilechart

第二類邊界條件（Neumann條件）：當(dāng)滲流區(qū)域的某一部分邊界（比如S2）上的水頭未知，法向流速已知時，其邊界條件可以表述為：

式中：S——具有給定流量的邊界段；

n——2S的外法線方向。

2.2 滲流場計(jì)算模型

根據(jù)圖1巖土體剖面建立有限元模型，在單元劃分時，計(jì)算域不同部位劃分不同大小的單元，對應(yīng)位移變化比較劇烈的部位，單元盡量小，對位移應(yīng)力變化比較平緩的部位，單元稍大些。本次計(jì)算模型共剖分1670個單元，1735個節(jié)點(diǎn)。計(jì)算各工況時盡可能不改變網(wǎng)格布局。最底部邊界按滲流第二類邊界（不透水邊界）條件處理，下游地基邊界按第一類邊界（水頭邊界）條件處理。并進(jìn)行相應(yīng)的敏感性分析研究。

2.3 計(jì)算參數(shù)選取

在滑坡滲流計(jì)算中涉及的滲流作用包括飽和滲流和非飽和滲流，而在進(jìn)行非飽和滲流計(jì)算時，滲透系數(shù)的取值不僅與基質(zhì)吸力大小有關(guān)，還與介質(zhì)的含水量密切相關(guān)。滑體、滑帶飽和狀態(tài)下相關(guān)參數(shù)如表1所示。但在計(jì)算非飽和滲流時需要知道材料在非飽和條件下的含水量及滲透系數(shù)，因此，在參數(shù)定義時必須給出材料的滲透系數(shù)和含水量。由于在非飽和條件下測定材料的滲透系數(shù)和含水量較為困難，所以利用類似土體的進(jìn)行滲透系數(shù)和含水量與基質(zhì)吸力函數(shù)關(guān)系進(jìn)行估算。

表1 霞碧滑坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表Tabel1 PhysicalmechanicalpropertyindexofXiabilandslidesoil

2.4 降雨下滲流模擬

圖2 降雨結(jié)束15h后含水量等值線圖Fig.2 Afterrainfalling15hours moisturecontourchart

根據(jù)區(qū)域降雨特點(diǎn)，考慮到計(jì)算的簡化及最不利組合，假定此次計(jì)算降雨類型為連續(xù)降雨，日最大降雨量為100mm，連續(xù)降雨7d，總雨量控制在700mm。圖2為降雨結(jié)束15h后含水量等值線圖?？梢钥闯?，降雨時，雨水直接由坡體表面開始入滲，所以坡體表面部分的滲流場最先發(fā)生變化，由此產(chǎn)生了由坡體表面到坡體內(nèi)部的垂直入滲和水平入滲，滲流方向以垂向?yàn)橹?，坡腳處水平滲流速率不大，對滑體的排水作用不明顯，造成坡腳處積水形成“水丘”；隨時間延續(xù)，含水量逐漸下移，導(dǎo)致土體容重增加的范圍擴(kuò)大，弱化了土體的強(qiáng)度參數(shù)，降低了滑坡的穩(wěn)定性。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 離散點(diǎn)的孔隙水壓力

在模擬滲流場時，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時可以用有限元計(jì)算離散點(diǎn)的孔隙水壓力。用有限單元求得孔隙水壓力時，首先找到包含土條底部中心的單元。其次，確定土條底部的局部單元座標(biāo)（r，s）。單元節(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力能夠直接通過有限元計(jì)算結(jié)果或通過高斯點(diǎn)投影獲得。節(jié)點(diǎn)的孔隙水壓力與局部（r－s）座標(biāo)以及內(nèi)部有限單元插值函數(shù)一起用來計(jì)算土條底部中心的孔隙水壓力。這個方法的優(yōu)點(diǎn)是孔隙水壓力隨時間和空間可以任意不規(guī)則的分布。

如圖3所示，孔隙水壓力由每個三角點(diǎn)上確定。利用樣條曲線圖示技術(shù)可以構(gòu)造通過所有指定點(diǎn)的滑面。一旦滑面確定，在指定點(diǎn)附近的任意坐標(biāo)點(diǎn)的孔隙水壓力都可以確定。對每一土條，知道其底部中心點(diǎn)的位置，孔隙水壓力面上X，Y坐標(biāo)可以確定每個土條底部的孔隙水壓力。

圖3 孔隙水壓力離散點(diǎn)Fig.3 Porewaterpresssurediscretepoint

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

采用二維剛體極限平衡法對滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價，抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表 2，分別運(yùn)用 Bishop、Janbu、M.Price分析方法，通過對降雨工況下滑坡滲流場的模擬分析，獲得了降雨結(jié)束后滑坡滲流場含水量變化情況，基于此分不降雨、降雨后4h，15h和30h不同滑面的安全系數(shù)（表3）?；麦w在強(qiáng)降雨的作用下，首先發(fā)生如圖4所示的局部滑動，潛在整體滑動面如圖5所示。

表2 滑坡土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)表Tabel2 Shearstrengthparameteroflandslidesoil

表3 滑動面安全系數(shù)Table3 Safetycoefficientoffailureplane

圖4 潛在局部滑面Fig.4 Potentiallocalslidesurfaced

各滑動面安全系數(shù)結(jié)果見表3，計(jì)算表明，在主要考慮滲流場作用時，降雨停止后，安全系數(shù)仍小幅減小，在降雨結(jié)束后4～15h，滑坡體安全系數(shù)達(dá)到最低值，主要為滑坡體內(nèi)降雨入滲，滑體后部地下水會向滑體中前部匯集，溢流區(qū)的排泄速率遠(yuǎn)低于降雨入滲率，導(dǎo)致滑體中前部深部土體在降雨停止后基質(zhì)吸力仍然繼續(xù)下降，滑體中前部地下水位持續(xù)抬高，并且滲流形成的動水壓力促使滑坡體的穩(wěn)定性降低。

圖5 潛在整體滑面Fig.5 Potentialintegralslidesurface

從圖4、圖5可見，在模擬的降雨強(qiáng)度下，沿整體滑動面滑動的安全系數(shù)均高于1.28，沿主滑面發(fā)生滑動的可能性較小。但局部滑動面安全系數(shù)只有1.15，局部滑動的可能性大，尤其是滑坡中上部分發(fā)生局部滑坡的可能性大，模擬結(jié)果與現(xiàn)場鉆探勘察結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過建立滑坡飽和－非飽和滲流有限元模型，采用二維剛體極限平衡法，分別運(yùn)用 Bshop、Janbu、M.Price分析方法，特定降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時不同滯后時段基于滲流場的滑坡穩(wěn)定性。

（1）考慮孔隙水壓力隨時間和空間任意不規(guī)則分布，計(jì)算基于降雨入滲的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度。

（2）模擬計(jì)算表明，降雨停止后，安全系數(shù)仍小幅減小，在降雨結(jié)束后4～15h，滑坡體安全系數(shù)達(dá)到最低值。

（3）該滑坡沿主滑面發(fā)生滑動的可能性較小，但局部滑動面安全系數(shù)只有1.15，滑坡中上部分發(fā)生局部滑坡的可能性大，模擬結(jié)果與現(xiàn)場鉆探勘察結(jié)果一致。

［1］張培文，劉德富，黃達(dá)海，等.飽和 －非飽和非穩(wěn)定滲流的數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2003，24（6）：927 －931.ZHANGPeiwen，LIU Defu，HUANG Dahai，etal.NumericalSimulationofsaturated －unsaturatedunstable seepage［J］.RockandSoilMechanics，2003，24（6）：927 －931.

［2］李文祥，黃俊寶.閩東南地區(qū)臺風(fēng)暴雨型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警示范［R］.福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，2008.LIWenxiang，HUANGJunbao.Thetyphoonrainstormtype ofgeologicaldisastermonitoringandwarningmodelinthe southeast of Fujian［R］. Fujian Geological and EnvironmentalMonitoringCenter，2008.

［3］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.QIANJiahuan，YINZongze.GeotechnicFundamentalsand calculation［M］.Beijing：ChinaWaterConservancyand HydropowerPress，1996.