福建德化霞碧滑坡渗流稳定性模拟分析

吴道荣，黄俊宝

（福建省地质环境监测中心，福建 福州 350002）

0 引言

降雨是滑坡的重要诱发因素之一，降雨对于土质滑坡的影响主要是降雨入渗改变了滑坡体内的渗流场，从而增大土体的孔隙水压力，降低土体的有效抗剪强度。从这个意义上讲在确定正确的抗剪强度方面，孔隙水压力和强度参数本身同样重要。要准确评价土质滑坡的稳定性，坡体渗流场的计算就显得尤为重要。对该问题的研究，包含了对降雨条件下滑坡饱和－非饱和渗流场的研究［1］以及将渗流场的变化纳入到滑坡稳定的研究等方面。

本文运用饱和－非饱和渗流有限元法，对国家“十一五”科技支撑计划重点项目“区域降雨型地质灾害气象预警技术研究”闽东南地区德化台风暴雨型地质灾害监测预警示范点的监测资料进行分析。在监测资料的基础上，建立监测点滑坡渗流计算模型，进行参数和渗流场的反演分析，计算分析渗流场与降雨－时间的演化规律，并分析滑坡位移和稳定性。

1 地质灾害点概况

该滑坡点位于德化县龙门滩镇霞碧村，为闽东南台风暴雨型监测预警示范基地地质灾害监测点［2］。滑坡地处龙门滩水库北部的中低山区域，场地斜坡高程500～610.5m，相对高差110m，山体走向呈北西向。斜坡呈凸形坡，下部坡度约 32°，上部坡度约25°，植被发育。上部残坡积层粘性土，灰黄色、硬塑，结构松散，厚度8～10m；下部为白垩世石英闪长岩。汇水面积约30000m2，地下水主要为第四系残坡积孔隙潜水。滑坡体平面上呈弧形，高程590m处密集产生数处拉裂裂缝和地面下陷，裂缝长度10～40m，最大下陷深度1.5m，斜坡前缘有数处小滑坡。潜在滑体主轴长150m，平均宽约80m，土层厚度约8m，土方量约 10×104m3，主滑方向为 NE89°。

为获得该地质灾害点降雨入渗引起变形斜坡体含水量、渗透压和表层位移等动态参数变化关系，霞碧滑坡监测点的监测仪器布置如图1所示，共布置地表位移测量仪两台，地下水位测量仪一台（传感器2个）、含水量传感器3个（分布于钻孔1的上中下三个位置）、自动雨量计一台，监测点数据自动采集，数据接收采用无线网络传输。

2 渗流场数值模拟

2.1 渗流的基本微分方程

在渗流场下，多孔介质中地下水运动的微分方程可依据 Darcy定律和质量守恒定律来推导［3］，即根据渗流场中水在某一单元体内的积累速率等于该单元体水量随时间变化的速率。稳定渗流的基本微分方程可表示为：

k——渗透系数；对于稳定渗流，基本微分方程的定解条件仅含边界条件，常见的边界条件有如下几类：

第一类边界条件（Dirichlet条件）：当渗流区域的某一部分边界（比如 S1）上的水头已知，法向流速未知时，其边界条件可以表述为：

H（x，y，x）|s1= φ（x，y，z），（x，y，z）∈ S1

图1 滑坡体及监测仪器布置剖面图Fig.1 Landslideandmonitoringdevicesprofilechart

第二类边界条件（Neumann条件）：当渗流区域的某一部分边界（比如S2）上的水头未知，法向流速已知时，其边界条件可以表述为：

式中：S——具有给定流量的边界段；

n——2S的外法线方向。

2.2 渗流场计算模型

根据图1岩土体剖面建立有限元模型，在单元划分时，计算域不同部位划分不同大小的单元，对应位移变化比较剧烈的部位，单元尽量小，对位移应力变化比较平缓的部位，单元稍大些。本次计算模型共剖分1670个单元，1735个节点。计算各工况时尽可能不改变网格布局。最底部边界按渗流第二类边界（不透水边界）条件处理，下游地基边界按第一类边界（水头边界）条件处理。并进行相应的敏感性分析研究。

2.3 计算参数选取

在滑坡渗流计算中涉及的渗流作用包括饱和渗流和非饱和渗流，而在进行非饱和渗流计算时，渗透系数的取值不仅与基质吸力大小有关，还与介质的含水量密切相关。滑体、滑带饱和状态下相关参数如表1所示。但在计算非饱和渗流时需要知道材料在非饱和条件下的含水量及渗透系数，因此，在参数定义时必须给出材料的渗透系数和含水量。由于在非饱和条件下测定材料的渗透系数和含水量较为困难，所以利用类似土体的进行渗透系数和含水量与基质吸力函数关系进行估算。

表1 霞碧滑坡土体的物理力学性质指标表Tabel1 PhysicalmechanicalpropertyindexofXiabilandslidesoil

2.4 降雨下渗流模拟

图2 降雨结束15h后含水量等值线图Fig.2 Afterrainfalling15hours moisturecontourchart

根据区域降雨特点，考虑到计算的简化及最不利组合，假定此次计算降雨类型为连续降雨，日最大降雨量为100mm，连续降雨7d，总雨量控制在700mm。图2为降雨结束15h后含水量等值线图。可以看出，降雨时，雨水直接由坡体表面开始入渗，所以坡体表面部分的渗流场最先发生变化，由此产生了由坡体表面到坡体内部的垂直入渗和水平入渗，渗流方向以垂向为主，坡脚处水平渗流速率不大，对滑体的排水作用不明显，造成坡脚处积水形成“水丘”；随时间延续，含水量逐渐下移，导致土体容重增加的范围扩大，弱化了土体的强度参数，降低了滑坡的稳定性。

3 滑坡稳定性分析

3.1 离散点的孔隙水压力

在模拟渗流场时，在进行稳定性分析时可以用有限元计算离散点的孔隙水压力。用有限单元求得孔隙水压力时，首先找到包含土条底部中心的单元。其次，确定土条底部的局部单元座标（r，s）。单元节点的孔隙水压力能够直接通过有限元计算结果或通过高斯点投影获得。节点的孔隙水压力与局部（r－s）座标以及内部有限单元插值函数一起用来计算土条底部中心的孔隙水压力。这个方法的优点是孔隙水压力随时间和空间可以任意不规则的分布。

如图3所示，孔隙水压力由每个三角点上确定。利用样条曲线图示技术可以构造通过所有指定点的滑面。一旦滑面确定，在指定点附近的任意坐标点的孔隙水压力都可以确定。对每一土条，知道其底部中心点的位置，孔隙水压力面上X，Y坐标可以确定每个土条底部的孔隙水压力。

图3 孔隙水压力离散点Fig.3 Porewaterpresssurediscretepoint

3.2 稳定性计算

采用二维刚体极限平衡法对滑坡体进行稳定性分析评价，抗剪强度参数见表 2，分别运用 Bishop、Janbu、M.Price分析方法，通过对降雨工况下滑坡渗流场的模拟分析，获得了降雨结束后滑坡渗流场含水量变化情况，基于此分不降雨、降雨后4h，15h和30h不同滑面的安全系数（表3）。滑坡体在强降雨的作用下，首先发生如图4所示的局部滑动，潜在整体滑动面如图5所示。

表2 滑坡土体的抗剪强度参数表Tabel2 Shearstrengthparameteroflandslidesoil

表3 滑动面安全系数Table3 Safetycoefficientoffailureplane

图4 潜在局部滑面Fig.4 Potentiallocalslidesurfaced

各滑动面安全系数结果见表3，计算表明，在主要考虑渗流场作用时，降雨停止后，安全系数仍小幅减小，在降雨结束后4～15h，滑坡体安全系数达到最低值，主要为滑坡体内降雨入渗，滑体后部地下水会向滑体中前部汇集，溢流区的排泄速率远低于降雨入渗率，导致滑体中前部深部土体在降雨停止后基质吸力仍然继续下降，滑体中前部地下水位持续抬高，并且渗流形成的动水压力促使滑坡体的稳定性降低。

图5 潜在整体滑面Fig.5 Potentialintegralslidesurface

从图4、图5可见，在模拟的降雨强度下，沿整体滑动面滑动的安全系数均高于1.28，沿主滑面发生滑动的可能性较小。但局部滑动面安全系数只有1.15，局部滑动的可能性大，尤其是滑坡中上部分发生局部滑坡的可能性大，模拟结果与现场钻探勘察结果一致。

4 结论

通过建立滑坡饱和－非饱和渗流有限元模型，采用二维刚体极限平衡法，分别运用 Bshop、Janbu、M.Price分析方法，特定降雨量、降雨强度、降雨历时不同滞后时段基于渗流场的滑坡稳定性。

（1）考虑孔隙水压力随时间和空间任意不规则分布，计算基于降雨入渗的有效应力抗剪强度。

（2）模拟计算表明，降雨停止后，安全系数仍小幅减小，在降雨结束后4～15h，滑坡体安全系数达到最低值。

（3）该滑坡沿主滑面发生滑动的可能性较小，但局部滑动面安全系数只有1.15，滑坡中上部分发生局部滑坡的可能性大，模拟结果与现场钻探勘察结果一致。

［1］张培文，刘德富，黄达海，等.饱和 －非饱和非稳定渗流的数值模拟［J］.岩土力学，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，黄俊宝.闽东南地区台风暴雨型地质灾害监测预警示范［R］.福建省地质环境监测中心，2008.LIWenxiang，HUANGJunbao.Thetyphoonrainstormtype ofgeologicaldisastermonitoringandwarningmodelinthe southeast of Fujian［R］. Fujian Geological and EnvironmentalMonitoringCenter，2008.

［3］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.QIANJiahuan，YINZongze.GeotechnicFundamentalsand calculation［M］.Beijing：ChinaWaterConservancyand HydropowerPress，1996.