强降雨入渗下黄土滑坡稳定性及其加固方案优化分析

张斌伟 刘万锋 杨 霄 王 越

（1陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳，745000；2兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；3甘肃省高校“黄土工程性质及工程应用”省级重点实验室，甘肃 庆阳，745000；4.甘肃省环县住房与城乡建设局 ，甘肃 环县 745700）

目前，强降雨入渗下黄土滑坡的稳定性是需要重点解决的工程问题。出于强降雨的影响，雨水入渗后会极大的增加黄土的饱和度，导致提高孔隙水应力，降低基质吸力，从而造成抗剪强度的不断下降，在强降雨入渗达到一定条件后，会出现黄土破坏失稳问题。在分析强降雨入渗黄土滑坡的稳定性时，特别是容易受雨水影响的膨胀土、残积土，必须重视其孔隙水应力的影响。因此，通过以强降雨入渗的饱和-非饱和渗流数学模型为基础，分析计算了某黄土滑坡模型的稳定性，并提出了相应的加固方案。

1 模型建立

1.1 基本微分方程

通常来说，饱和-非饱和状态水分运动方程满足Darcy定律与连续性条件，这样可得出高度非线性的微分方程，所以要运用数值的方法[1]。假设某单元体在某时刻流进和流出的差与土体体积含水的变化量相等，或者是沿两坐标方向的渗流变化率与外界施加的边界流量之和为土体含水量在各时刻下的变化率，那么控制方程可表示为：

上式中：H表示水头值；wxk、w yk表示在非饱和土中水沿x、y方向的渗透系数；wθ表示体积含水量。

在土体饱和后，其含水量与饱和含水量sθ相等，渗流系数转换为饱和渗透系数k s，若处于稳定饱和渗流情况下，忽略水的压缩性，某单元体中流进与流出的渗透量一样。所以①式中右边项等于0，可作为饱和渗流基本方程。另外，因为基质势与重力势的和为非饱和区总水头，所以可以将两者统一进行分析。

假设总应力和孔隙气压力对时间的倒数等于0，那么：

1.2 定解条件

（1）初始条件。根据初始边界条件，将稳定渗流场计算出来，并与第一次的初始值与初始边界条件相结合，以非稳定饱和-非饱和渗流的方法计算。

（2）边界条件。

2 算例分析

根据有限元方法计算要求划分单元网格，要按照具体的精度要求、边界条件来确定网格的疏密程度。在强降雨入渗过程中，孔隙水压力越接近地表，其变化越剧烈，容易为数值计算的稳定性带来影响[2]。所以，在网格划分该区域时，所使用的网络要更密。具体的有限元网格剖分图如图1所示。

图1 有限元网格划分图

2.1 边界条件

本文主要研究了强降雨渗入导致黄土滑坡渗流场的变化规律，边界设定为：

1）模型两侧：按照零流量边界对地下水位以上边界进行处理，地下水位以下则为给定水头边界条件。

2）入渗边界，主要为黄土滑坡的表面和斜坡处，设定为流量边界或水头边界。如果孔隙水压力＜0，则为流量边界；孔隙水应力＞0，则为水头边界。若降雨比表层土体渗透性要弱，则根据流量边界处理，其值为降雨强度[3]。若降雨比表层土体的渗透性要强，则一些雨水会流失在坡面，并构成薄层水膜，以给定水头边界处理。因为水膜较薄，所以水头值与地表高程相等。

3）模型地面，设定为不透水边界。

2.2 初始条件

非饱和区的初始基质通常运用实测数据，或者是运用实测数据与试验关系，在数学方法下进行预测。一般来说，浸润面上的基质吸引等于0，向上逐步提高。在实际中，增幅最大的在最大毛细高度范围中，但是由最大毛细高度向上到地表段基质吸力增幅较小，那么假设常数是固定的。

所以，本文只考虑水相压力的影响，对于基质吸力为负的孔隙水压力，以最大毛细上升高度为基础，可视为黄土滑坡中基质吸力在某一高程下为线性分布，如果大于这一高度，那么其值为最大毛细上升高度。本文设定初始孔隙水压力为-25。

2.3 降雨模型设计

在降雨总量保持不变的前提下，在降雨强度、降雨持续时间变化中的降雨模型，降雨总量为480mm，降雨事件共有三类，具体如表1所示。

表1 降雨事件（总量为480mm）

2.4 计算结果分析

表2为不同降雨条件下的安全系数对比，由表可知，黄土滑坡的稳定性呈现出不断下降的趋势，其安全系数的降低就是主要的体现。

通过分析最终计算结果可知，能够得到以下几点结论：

1）随着降雨强度的增加，孔隙水压力也会不断增大，这是由于对于黄土滑坡而言，如果降水总量保持不变，那么随着降雨时间的延长，一部分雨水会在坡面流失，而另一部分雨水在渗入土壤之后，造成土壤入渗程度不断加大。

2）孔隙水压力也会随着降雨时间的延长而加大。

3）随着降雨时间的延长，会降低黄土滑坡的安全系数，导致其稳定性下降。

3 黄土滑坡的加固方案

3.1 清方方案

清方方案简单来说就是将全部的黄土都清理干净，改方案最大的优势在于便于施工，技术简单，在开挖清除后，能够将后患完全解除。但是清方方案只适用于厚度与规模不大的小滑坡，但是如果黄土滑坡为一个大型的古滑坡，那么这一方案就不适用，并会占据过多的田地，由于田地是我们国家有限而又十分珍贵的资源，因此清方方案不够合理。

3.2 隧道+抗滑桩方案

隧道是穿越地层的交通通道，能够减少挖方和填方工程量。然而如果所处地形为匝道，并且是高速公路的下坡段，这样会影响到司机看车外的视线，极易导致车祸发生。并且这一方案需要投入大量的资金。造价很高，因此该方案既不经济，也不合理。

3.3 抗滑桩+锚杆框架梁+截排水综合方案

这是一个以抗滑桩为主，锚杆框架梁和截排水措施为辅的综合治理滑坡的方案。抗滑桩因为治理效果比较好、可以灵活的设置桩位设、对正在活动的滑坡采用跳跃式施工方法可不加剧其活动性等优点，因此要在滑坡治理中优先进行考虑。截排水措施能够阻止坡体外的地表水进入坡体范围内，实现坡体中的地下水位降低，并减小渗透压力，让坡体保持更加稳定的状态。同时采用锚杆框架梁的加固措施，能够进一步增强坡体的稳定性，极大的增加了坡体的安全系数，因此与上述两种方案相比，这一方案不仅十分经济，又很合理。

4 结 语

总之，在强降雨入渗下的黄土滑坡中，随着降雨强度的增加，孔隙水压力也会不断增大，并降低黄土滑坡的安全系数，导致其稳定性下降。因此，在选择对黄土滑坡的加固方案中，综合运用多种加固方案治理黄土滑坡，不仅安全可靠，同时还经济合理，尤其是在大型黄土滑坡的治理过程中，更需要采用综合治理黄土滑坡的方式。

[1]谷天峰，王家鼎，王念秦.吕梁机场黄土滑坡特征及其三维稳定性分析[J].岩土力学，2013，（07）：2009-2016.

[2]邵生俊，杨春鸣，焦阳阳，陆斯.湿陷性黄土隧道的工程性质分析[J].岩土工程学报，2013，（09）：1580-1590.

[3]陈竞.降雨入渗条件下浅埋山岭隧道塌方处治研究[J].公路与汽运，2014，（03）：230-232.

[4]彭建兵，林鸿州，王启耀，庄建琦，成玉祥，朱兴华.黄土地质灾害研究中的关键问题与创新思路[J].工程地质学报，2014，（04）：684-691.