何玉紅

(濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 濮陽 457000)

降雨情況下排土場邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

何玉紅

(濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 濮陽 457000)

排土場邊坡不同于一般邊坡，排土體為松散介質(zhì)，降雨入滲對排土場邊坡穩(wěn)定性影響較大。為了定量研究降雨對排土場邊坡的穩(wěn)定性影響，以及防水和排水措施對邊坡穩(wěn)定性的影響，首先建立降雨情況下排土場滲流數(shù)值模型，分析排土場內(nèi)部滲流場；然后對排土場邊坡進(jìn)行水土耦合分析，通過水土耦合分析發(fā)現(xiàn)降雨情況下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)大大降低。為了服務(wù)于工程和科學(xué)研究，進(jìn)一步對防滲和排水情況下排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量研究。研究發(fā)現(xiàn)：在排土場臺(tái)階底部設(shè)置排水管道或者在排土場頂部設(shè)置防水層可以大大提高降雨情況下邊坡穩(wěn)定性。研究結(jié)果可為正確評價(jià)和治理該類邊坡的穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

排土場；數(shù)值模擬；滲流場；降雨強(qiáng)度；邊坡穩(wěn)定性

1 研究背景

滑坡是邊坡常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，雨水入滲是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。一些滑坡經(jīng)常在大雨后產(chǎn)生，如江河防洪堤常在較長期高水位后，水位降落時(shí)產(chǎn)生滑坡；土石壩常由于水庫水位持續(xù)降落而造成滑坡。通常這些滑坡主要是由滲透水流作用引起的[l-3]。目前關(guān)于滲流引起邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)下降的研究，比較早的是舍德葛倫對無黏性土邊坡進(jìn)行計(jì)算分析，研究結(jié)果表明，滲流能使邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)1下降到0.5[4]?？梢姖B流對邊坡穩(wěn)定性影響很大，并且邊坡滲流穩(wěn)定問題一直是巖土工程界的研究熱點(diǎn)[5-11]。因此，定量分析降雨情況下邊坡防滲排水處理后的穩(wěn)定性，對客觀評估降雨條件下各類工程邊坡具有重要的意義。

本文以排土場邊坡為研究對象，采用著名的加拿大巖土軟件開發(fā)商的Geo-Studio軟件進(jìn)行耦合分析。首先利用SEEP/W軟件對排土場進(jìn)行滲流分析，然后利用SIGMA/W模塊進(jìn)行應(yīng)力分析，最后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入SLOP/W模塊進(jìn)行極限平衡分析。建立降雨入滲引發(fā)邊坡失穩(wěn)的數(shù)值模擬模型，研究降雨時(shí)間、降雨強(qiáng)度、排土場邊坡防滲處理、排土場邊坡排水處理等對邊坡穩(wěn)定性的影響，揭示邊坡在降雨條件下的有效處理措施。為正確評價(jià)和治理該類邊坡的穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為人工邊坡設(shè)計(jì)和滑坡治理提供理論基礎(chǔ)。

2 建立降雨條件下邊坡滲流模型

2.1 模型概況

排土場邊坡不同于一般邊坡，排土體為松散介質(zhì)，降雨入滲對排土場邊坡穩(wěn)定性影響較大。取一排土場邊坡進(jìn)行研究，主要研究大氣降水補(bǔ)給。如圖1所示，模型上部為松散排土體，主要組成有碎石、角礫土、粗砂、粉質(zhì)黏土，自上而下臺(tái)階高度分別為20，30，30 m；模型下部為排土場基礎(chǔ)。按有限單元法計(jì)算要求，依據(jù)該邊坡具體邊界條件及精度要求來考慮網(wǎng)格的疏密程度，具體有限元網(wǎng)格剖分見圖1所示，總共有1 815個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 428個(gè)單元。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computation model

2.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場注水試驗(yàn)、降水試驗(yàn)、承壓板試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)以及查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)[6-7]等，得到排土場物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，本文重點(diǎn)研究降雨入滲產(chǎn)生的滲透力對邊坡穩(wěn)定性的影響，所以抗剪強(qiáng)度參數(shù)在降雨前后未進(jìn)行處理。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters in the computation

排土場邊坡降雨入滲的邊界條件為： ①排土場基礎(chǔ)兩側(cè)按零流量邊界處理[9]；②排土體左側(cè)按零流量邊界處理，排土體右側(cè)按壓強(qiáng)水頭值為0處理[9]，即排土體右側(cè)可以排水；③模型底面假設(shè)為不透水邊界；④邊坡表面為入滲邊界，如果降雨強(qiáng)度小于表層土體滲透性，按流量邊界處理，其數(shù)值等于降雨強(qiáng)度；如果降雨強(qiáng)度大于表層土體滲透性，一部分雨水沿坡面流失，會(huì)在坡面形成一薄層水膜，此時(shí)可按給定水頭邊界處理。由于水膜很薄，計(jì)算中取水頭值等于地表高程。本文選取暴雨情況下降雨強(qiáng)度2 mm/h作為坡面計(jì)算邊界，該強(qiáng)度小于邊坡的入滲能力，因此邊坡表面按流量邊界處理。本文取降雨持時(shí)5 h進(jìn)行分析。

2.3 排土場滲流場數(shù)值模擬結(jié)果

對排土場進(jìn)行滲流計(jì)算，從圖2可以看出，大氣降水進(jìn)入排土場后，大部分儲(chǔ)積在排土體的孔隙中，其補(bǔ)給、排泄受地形條件及本身土體結(jié)構(gòu)的控制，總體上表現(xiàn)為順邊坡向坡腳滲流，部分以散流形式向地勢較低處匯集排泄。

圖2 地下水滲流速度矢量云圖Fig.2 Contours of groundwater seepage velocity vectors

3 降雨情況下邊坡水土耦合分析

3.1 有限單元應(yīng)力法簡介

將上文計(jì)算得到的滲流場和有限單元應(yīng)力法進(jìn)行水土耦合分析。有限單元應(yīng)力法是指在傳統(tǒng)的極限平衡分析中輸入有限元的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，然后根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果求得每一條塊上面的應(yīng)力，最后按安全系數(shù)的定義，即滑移面上條塊抗滑力之和與條塊下滑力的比值求得安全系數(shù)。而極限平衡方法求解的安全系數(shù)是基于條塊間力假設(shè)的解析解。因此有限單元應(yīng)力法求解安全系數(shù)更接近于真實(shí)解。

3.2 水土耦合分析

將上文SEEP/W模塊中的滲流分析結(jié)果結(jié)合有限單元應(yīng)力法進(jìn)行分析。耦合計(jì)算應(yīng)力云圖如圖3所示，利用Bishop法和Janbu法對排土場進(jìn)行耦合分析(圖4)和無耦合分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 耦合計(jì)算應(yīng)力云圖Fig.3 Stress contours of coupling calculation

圖4 安全系數(shù)耦合計(jì)算結(jié)果Fig.4 Result of safety coefficient by coupling calculation

表2 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation result of safety coefficient

由計(jì)算結(jié)果可以看出連續(xù)暴雨情況下極易造成排土場邊坡失穩(wěn)，由此可以看出降雨是影響排土場邊坡穩(wěn)定性的重要因素。一方面，雨水的入滲使浸潤線升高，排泄方向順邊坡向坡腳滲流，一定程度上增加了邊坡的下滑力, 進(jìn)一步誘發(fā)邊坡的變形與滑移;另一方面增加土體的含水量。含水量增加使土體的抗剪強(qiáng)度減小，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。

近年來排土場穩(wěn)定性分析的發(fā)展有了長足的進(jìn)步，但對排土場設(shè)計(jì)及失穩(wěn)治理的定量分析有待進(jìn)一步完善。為了較全面地闡述排土場的設(shè)計(jì)及治理措施，為服務(wù)于工程需要和科學(xué)研究，本文進(jìn)一步對考慮防滲和排水情況下排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

4 排水及防滲條件下穩(wěn)定性

4.1 考慮排水情況下邊坡穩(wěn)定性

在排土場每一臺(tái)階底部設(shè)置排水管道，排水管道坡度為1%，降雨入滲后沿排水管道流向排土場臺(tái)階處，然后再由臺(tái)階處的排水渠道排出。進(jìn)行滲流計(jì)算的滲流場分析結(jié)果如圖5所示。與圖2進(jìn)行對比可以看出，排水情況下排土場內(nèi)部滲流明顯降低。由計(jì)算得出，臺(tái)階高度小于30 m時(shí)每個(gè)臺(tái)階只在臺(tái)階底部設(shè)置排水管道進(jìn)行排水即可，臺(tái)階高度大于100 m時(shí)建議在臺(tái)階中部增設(shè)排水管道。進(jìn)行水土耦合分析可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)行排水處理后排土場邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)明顯提高(表3)。

圖5 排水情況下地下水滲流速度矢量云圖Fig.5 Contours of seepage groundwater velocity vectors in the presence of drainage

4.2 考慮防滲處理后邊坡穩(wěn)定性分析

在排土場每一臺(tái)階頂部設(shè)置防水土層(圖6所示)，參數(shù)如表1所示。

圖6 防水層模型Fig.6 Model of waterproof layer

圖7 防滲情況下地下水滲流速度矢量云圖Fig.7 Contours of groundwater seepage velocity vectors in the presence of seepage-proofing

滲流分析結(jié)果如圖7所示，與圖2進(jìn)行對比可以看出，排土場每一臺(tái)階頂部增設(shè)防水層后排土場內(nèi)部滲流明顯降低。由計(jì)算成果分析可以得到臺(tái)階高度小于30 m時(shí)只在臺(tái)階頂部設(shè)置防水層即可，當(dāng)臺(tái)階高度大于100 m時(shí)建議在臺(tái)階中部增設(shè)防水層。進(jìn)行水土耦合分析可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)行防滲處理后排土場邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)明顯提高(表3)。

排水和防滲處理結(jié)果如表3所示，可以看出排水管道和防水層有利于提高降雨情況下排土場邊坡穩(wěn)定性，這對排土場設(shè)計(jì)及治理有明顯啟發(fā)作用。對于一些超高排土場邊坡建議排土場每一臺(tái)階頂部設(shè)置防水層，臺(tái)階底部設(shè)置排水管道，這將會(huì)明顯提高降雨情況下邊坡穩(wěn)定性。

表3 排水防滲處理后計(jì)算結(jié)果比較Table 3 Calculation results of safety coefficientafter drainage and seepage-proofing

5 結(jié) 論

針對降雨引起的滲透力對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，并針對如何降低滲透力的影響，采取一些措施進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到如下成果。

(1) 數(shù)值模擬了排土場設(shè)置防水層和排水管道后邊坡穩(wěn)定性，在排土場內(nèi)部設(shè)置防水層和排水管道未曾受到足夠重視，但是研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該措施可以大大提高排土場邊坡穩(wěn)定性，對后續(xù)排土場設(shè)計(jì)及治理有很大借鑒作用。

(2) 在降雨期比較長的情況下，如果不設(shè)置排水孔或者防水層，本算例邊坡很容易導(dǎo)致滑坡。因此，可以看出排土場內(nèi)部設(shè)置排水通道或者設(shè)置防水層有利于提高排土場邊坡穩(wěn)定性。這對排土場設(shè)計(jì)及治理有明顯啟發(fā)作用。對于一些超高排土場邊坡建議排土場每一臺(tái)階頂部設(shè)置防水層，臺(tái)階底部設(shè)置排水管道。

(3) 通過對比耦合分析和無耦合分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，耦合分析時(shí)考慮降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，此時(shí)邊坡穩(wěn)定性大大降低。因此可以看出排土場邊坡穩(wěn)定性評估時(shí)降雨也是一項(xiàng)很重要的影響因素。

[1] 毛昶熙,陳 平,李祖貽.關(guān)于滲流作用下壩坡穩(wěn)定有限單元法分析一文的終結(jié)討論[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),1984,6(5):96-100. (MAO Chang-xi, CHEN Ping, LI Zu-yi. Final Discussion on the Finite Element Method for Dam and Slope Stability Analysis under the Condition of Seepage[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1984,6(5):96-100.(in Chinese))

[2] WANG G, SASSA K. Factors Affecting Rainfall Induced Flow Slides in Laboratory Flume Tests [J]. Geotechnique, 2001,51 (7) :587-599.

[3] OCHIAI H,OKADA Y,FURUYA GEN,etal.A Fluidized Landslide on a Natural Slope by Artificial Rainfall[J]. Landslides, 2004,(1) :211-219.

[4] CHO S E,LEE S R.Instability of Unsaturated Soil Slopes Due to Infiltration[J]. Computers and Geotechnics, 2001,28(3): 185-208.

[5] 陳守義.考慮入滲和蒸發(fā)影響的土坡穩(wěn)定性分析方法[J]. 巖土力學(xué),1997,18(2):8-12. (CHEN Shou-yi. A Method of Stability Analysis Taken Effects of Infiltration and Evaporation into Consideration for Soil Slopes[J]. Rock and Soil Mechanics, 1997,18(2):8-12. (in Chinese))

[6] 楊育文,周志立,蔣 濤,等.滲流作用下邊坡自穩(wěn)臨界高度計(jì)算[J].長江科學(xué)院院報(bào),2013,30(10):54-57. (YANG Yu-wen, ZHOU Zhi-li, JIANG Tao，etal. Determining the Self-stability Critical Height of Slope with Steady Seepage[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(10):54-57. (in Chinese))

[7] 吳宏偉,陳守義. 雨水入滲對非飽和土坡穩(wěn)定性影響的參數(shù)研究[J]. 巖土力學(xué),1999,20(1):1-14. (WU Hong-wei, CHEN Shou-yi. Parametric Study of Effects of Rain Infiltration on Unsaturated Slopes[J]. Rock and Soil Mechanics, 1999, 20(1): 1-14. (in Chinese))

[8] 張延軍,王恩志,王思敬. 非飽和土中的流-固耦合研究[J]. 巖土力學(xué),2004,25(6):999-1004.(ZHANG Yan-jun,WANG En-zhi,WANG Si-jing.Study for Fluid-Solid Coupling Process in Unsaturated Soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(6): 999-1004. (in Chinese))

[9] 徐 晗,饒錫保,汪明元.降雨條件下膨脹巖邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬研究[J].長江科學(xué)院院報(bào), 2009,26(11):52-57. (XU Han, RAO Xi-bao, WANG Ming-yuan. Numerical Simulation on Failure Mechanism of Expansive Rock Slope under Rainfall[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2009, 26(11): 52-57. (in Chinese))

[10]榮 冠, 周創(chuàng)兵, 江進(jìn)輝,等.錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡滲流計(jì)算及穩(wěn)定性分析[J].長江科學(xué)院院報(bào),2005,22(6):49-53. (RONG Guan, ZHOU Chuang-bin, JIANG Jin-hui,etal. Seepage Calculation and Stability Analysis on Left Slope of Jinping-I Hydropower Station[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2005, 22(6): 49-53. (in Chinese))

[11]王葉嬌,曹 玲,徐永福.降雨入滲下非飽和土邊坡臨界穩(wěn)定性分析[J].長江科學(xué)院院報(bào),2013,30(9):75-79. (WANG Ye-jiao, CAO Ling, XU Yong-fu. Critical Stability of Unsaturated Soil Slope Under Rainfall Infiltration[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(9):75-79. (in Chinese))

(編輯：姜小蘭)

Numerical Simulation on Dump Slope Stabilityunder Rainfall Infiltration

HE Yu-hong

(Department of Architectural Engineering, Puyang Vocational and Technical College, Puyang 457000, China)

Unlike ordinary slope, dump slope is made of loose media and its stability is greatly affected by rainfall infiltration. In order to quantitatively study the impact of rainfall as well as waterproofing and drainage measures on the stability of dump slope, firstly, we built a numerical model of dump slope seepage under rainfall infiltration to analyze the internal seepage field; and then through soil and water coupling analysis we found that the safety factor of dump slope decreased remarkably in rainfall condition. In order to serve the engineering and scientific research, we further studied the stability of dump slope under seepage-proofing or drainage conditions. Results suggest that drainage pipes in the bottom of the slope terrace or seepage-proofing layer on top of the slope could greatly improve the slope stability under rainfall infiltration. The research result provides basis for the design and regulation of dump slope.

dump slope; numerical simulation; seepage field; rainfall intensity; slope stability

2014-03-14；

2014-04-08

何玉紅(1970-)，女，河南濮陽人，副教授，主要從事建筑工程方面的研究工作，(電話)15203935876(電子信箱)heyuhong000@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.010

TU433

A

1001-5485(2015)02-0044-04

2015,32(02):44-47