董立根

南陽市南水北調工程運行保障中心（南陽市移民服務中心），河南 南陽 473000

0 前言

中國某些地區(qū)的地形以山地為主，坡地大概占全部面積滑裂面2/3以上，適合人居住的平原面積很少。隨著全球氣候暖化，極端氣候開始出現(xiàn)，近年來因為暴雨所帶來的災害屢見不鮮，常見的災害如邊坡崩塌造成道路堵塞中斷、暴雨引發(fā)泥石流沖毀橋梁等等，危害人類生命財產安全。基于前人的研究成果，并借由數(shù)值分析的方法了解不飽和土壤的基質吸力變化與現(xiàn)地水文特性的關系，以SEEP/W 分析不飽和土壤在不同時間下的瞬時滲流情形，再利用滲流分析的結果匯入SLOPE/W 計算邊坡穩(wěn)定性，針對降雨入滲行為進行探討，并考慮降雨對基質吸力與浸潤帶等水文特性的影響，借此了解降雨入滲對崩積土坡水文特性的影響。最后將分析結果做一綜合討論與建議。

1 不飽和土壤滲流分析軟件滑裂面SEEP/W

過去數(shù)十年的研究都發(fā)現(xiàn)不飽和土壤中的滲流具有一定的重要性，但不飽和土體內的水流動情形解析不易，故本研究采用由加拿大Calgary 大學所發(fā)展的數(shù)值分析軟件SEEP/W 進行數(shù)值分析，此程序主要功能為分析飽和與不飽和土壤于穩(wěn)態(tài)（steady state）或是瞬時（transient state）情況下的滲流問題。透過輸入不同的分析模式、材料參數(shù)、邊界條件等，求得邊坡在飽和與不飽和條件下的滲流情形。通過瞬時分析，可以得到不同時間不同點位的孔隙水壓力、總水頭、壓力水頭、體積含水比，浸潤帶發(fā)展及基質吸力變化分布圖。

2 SEEP/W分析模式

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

在滲流分析中，穩(wěn)態(tài)分析用來描述一種達到穩(wěn)定且不持續(xù)變動的狀態(tài)，意即在流場中任何一特定點位置上已達穩(wěn)定狀態(tài)，任何物理性質例如水壓和滲流量不再隨時間改變。穩(wěn)態(tài)分析模式不需考慮到底要花多長的時間才能到達最終狀態(tài)，只需要給定邊界條件即可求解，意味著提供的邊界條件在定義的位置是始終保持不變的。

2.2 瞬時分析

在滲流分析中，瞬時分析用來描述一個持續(xù)變化的狀態(tài)，瞬時分析是考慮花多久的時間才能和給定的邊界條件相適應，所以它是一直在變動。瞬時分析的結果，依照時間設定（Time Step）運算出特定時間的結果。不同時間下的瞬時分析結果是不同的。

若一個滲流分析案例經過2 d就呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，那超過2 d以后的瞬時分析就已經沒有意義，因為經過2 d以后就已經呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。若一個滲流分析案例要經過100 d 才會呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，如果程式只分析了6 d，則無法看出后面94 d的狀況，必須延長分析時間。

如何選用正確的天數(shù)來做瞬時分析是一個重要的問題，此問題可以根據(jù)結果來判斷，例如選用不同的天數(shù)來做瞬時分析，觀察安全系數(shù)是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，若還沒穩(wěn)定則須增加分析天數(shù)，若已達穩(wěn)定狀態(tài)則可減少分析天數(shù)，尋找安全系數(shù)趨于穩(wěn)定的時間點，此時間即為瞬時分析所需要的時間。

2.3 時間設定

在滲流分析中，所有的瞬時分析都需要配合時間設定來求解，在大多數(shù)的情況下，一個計算結果所對應的合理時間設定需要經過反復調整測試才能確定。合適的時間設定與研究的問題息息相關，例如：如果浸潤帶移動速度太快，無法看出變化過程，時間間隔設定就必須縮??；如果浸潤帶移動速度太慢，時間間隔設定就必須增加。

3 SEEP/W滑裂面數(shù)值模型的建立

研究參考某崩塌區(qū)崩塌潛勢分析及監(jiān)測成果報告書的資料來建立分析所需的邊坡分析模型。根據(jù)某崩塌地于滑裂面NBH-2 孔位的地質鉆孔資料顯示，該崩塌地的最上層為崩積土層，其厚度約為16 m，于崩積土層下方為輕度風化的砂巖，其厚度約為5 m，在砂巖下方為頁巖間夾砂巖，厚度約為9 m，鉆孔底層為砂巖與頁巖角礫，其崩塌地的坡度約為滑裂面49%，換算成邊坡角度為26°。整理上述資料繪制出所需的邊坡分析模型，如圖1所示。

圖1 滑裂面地層剖面圖

分析邊坡坡面長度為40 m，邊坡角度為26°，坡頂與坡底各延伸30 m的水平面。地形剖面由地表面向下依序為崩積土層、砂巖滑裂面層、砂頁巖互層與砂巖、頁巖角礫層等4 層，巖層層面角度為參考基地地層剖面圖，假設為6°。通過近三個月內的實時監(jiān)測計算，得出上邊坡、下邊坡不同部位的飽和滲透系數(shù)，見表1。

表1 滑裂面上下邊坡及各深度的飽和滲透系數(shù)表

4 計算結果分析

在邊坡的坡頂與坡底設置滑裂面入口與出口，如圖2 所示，上邊坡紅色線段范圍為滑裂面入口，下邊坡紅色線段范圍為滑裂面出口，程序會計算在這兩個指定滑裂面入口及出口的地方可能產生的滑動面，灰色圓弧線即邊坡可能滑裂面，綠色區(qū)域為安全系數(shù)最小的滑動面。采用指定滑裂面入口及出口法通常所得滑裂面較深，優(yōu)點為計算速度較快。

圖2 滑裂面指定滑裂面入口及出口法設定及分析結果圖

由SLOPE/W 邊坡穩(wěn)定分析結果可以得知，降雨強度越大，安全系數(shù)下降越快、越多。由于每個小時的滑動面變化不大，又安全系數(shù)在6 h最低，故以不同降雨強度在6 h的滑動面為代表，滑動面皆為圓弧形，其安全系數(shù)隨時間變化如圖3所示。

圖3 安全系數(shù)隨時間變化圖

在高地下水位情況時，0-6 h的安全系數(shù)隨降雨入滲而下降，第7 小時降雨停止且地表發(fā)生蒸散作用，安全系數(shù)仍持續(xù)下降，可能原因為地下水位較高，降雨入滲對地下水位改變量較大，如圖4所示，且降雨停止后地下水位仍持續(xù)上升，因降雨停止后，原本入滲至邊坡淺層的雨水繼續(xù)往下入滲到較深層土壤，使地下水位面提高，降雨的水入滲到土壤里短時間難以排出，導致安全系數(shù)仍持續(xù)下降。降雨強度越大，安全系數(shù)下降越快、越多。

圖4 滑裂面地下水位隨時間變化圖

5 結論

①滑裂面無論地下水位高低，當?shù)乇黹_始降雨時，淺層土壤受到雨水入滲的影響，土壤內孔隙逐漸被水填滿，導致孔隙水壓力上升、壓力水頭上升，位置水頭不變，淺層土壤的總水頭也開始提高。當?shù)乇戆l(fā)生蒸散作用時，淺層土壤內孔隙水逐漸蒸散而消失，導致孔隙水壓力下降、壓力水頭下降，總水頭也隨的降低。②滑裂面降雨入滲會使淺層土壤體積含水比上升，當體積含水比達到上限時，土壤為飽和狀態(tài)，淺層邊坡開始產生浸潤帶。當?shù)乇黹_始發(fā)生蒸散作用時，淺層土壤體積含水比開始下降，浸潤帶消失。③滑裂面基質吸力與浸潤帶存在著互制關系，當基質吸力上升時，浸潤帶停止發(fā)展；反的當基質吸力減少時，浸潤帶將會開始發(fā)展。④滑裂面以本研究降雨強度30 mm/h為例，地下水位較低時，降雨入滲對基質吸力的影響深度約為2 m，對土壤的吸力影響范圍較小。當?shù)叵滤惠^高時，降雨入滲對基質吸力的影響深度約為3 m，對土壤的吸力影響范圍較大，因淺層土壤初始負壓力水頭較小、初始體積含水比較高，相同降雨強度情況下，降雨入滲對土壤的吸力影響范圍較大。⑤地下水位較高，浸潤帶發(fā)展較地下水位低時快，降雨入滲對地下水位上升幅度較大，因地下水較高時，地下水上方的土壤含水比較高，對浸潤帶發(fā)展較有利。當?shù)叵滤惠^低時，浸潤帶發(fā)展較地下水位高時慢，降雨入滲對地下水位上升較無明顯趨勢。⑥滑裂面在不產生地表徑流的降雨強度下，其邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)隨降雨強度增加而減小，安全系數(shù)隨地表蒸散作用而上升。

6 建議

①建議未來進行參數(shù)靈敏度分析，透過數(shù)值分析了解各項參數(shù)對滲流及邊坡穩(wěn)定的影響，可進行比較分析。②不飽和土壤抗剪力強度方程式中的基質吸力項，可以考慮成對土壤凝聚力項的增加項，建議可在未來在邊坡穩(wěn)定分析時考慮對安全系數(shù)的影響。③建議未來收集其他國內不飽和崩積土壤邊坡的基質吸力量測，將本研究所建立的分析模式與其他監(jiān)測案例進行分析與驗證。并可進一步改進分析模式與方法等程序設定。