降雨条件下非饱和土滑坡渗流变形模拟分析及工程治理

唐 凯，孙少锐，宋京雷，王亚山

(1.河海大学 地球科学与工程学院 江苏 南京 211000； 2.江苏省地质调查研究院 江苏 南京 210000)

降雨条件下非饱和土滑坡渗流变形模拟分析及工程治理

唐 凯1，孙少锐1，宋京雷2，王亚山2

(1.河海大学 地球科学与工程学院 江苏 南京 211000； 2.江苏省地质调查研究院 江苏 南京 210000)

以G104国道丁山服务区西侧滑坡为研究对象，根据勘查和室内试验结果，结合反演方法确定滑坡滑带土强度参数。设定了降雨入渗模型、建立滑坡体数值模型，运用非饱和土渗流理论对边坡进行渗流场和应力场耦合分析。通过有限元方法模拟降雨96h，对孔隙水、渗流、位移和边坡稳定性分析。结果表明：降雨过程中，孔隙水压力与坡体位移有明显相关性，坡顶X分量位移较大，坡体的浅层、坡体上部孔压及位移变化较大，因而容易引发后缘拉裂缝、浅层滑塌，降雨后期坡体持续蠕移，引发边缘剪切裂缝，进而诱发整体性滑坡。削坡和挡墙能够提高坡体稳定性，格构、绿化、截排水工程能够减小降雨对坡顶稳定性的影响。

降雨；滑坡稳定性；模拟分析；非饱和土；渗流；位移

滑坡地质灾害是最常见的地质灾害，严重威胁人民生命财产安全。江苏省2016年共查明地质灾害隐患点、危险点791个，其中滑坡有405个，占比高达51.2%，已发生的滑坡地质灾害多由降雨等极端天气引发，江苏80%以上的突发性滑坡地质灾害发生在汛期。降雨，特别是暴雨，是诱发滑坡地质灾害的主要原因。在降雨，或者暴雨的影响下，非饱和土质边坡最易发生平行于边坡表面的浅层破坏[1-4]，且浅层滑坡大多顺基岩覆盖层界面发生[5]。土坡受渗流和降雨的影响很大，降雨会导致土坡的质量加大，基质吸力发生变化，浸润线上移，甚至土体强度发生变化，这些都会导致土坡安全系数下降[6]。降雨入渗导致滑坡非饱和土体(特别是浅层土体)的负孔隙水压力升高、基质吸力的降低，土粒间胶结软化，吸附凝聚力减小，从而导致滑坡土体抗剪强度降低[7]。尽管现有研究已经对降雨诱发滑坡这一问题作了较为深入的分析，但是滑坡失稳过程中的应力场、渗流场、位移以及几者间的关系、滑坡演化过程分析需要进一步完善。

受汛期连续强降雨影响，2016年7月2日下午3点15分，G104国道1286k+800m处(丁山服务区附近)西侧车道上方发生山体滑坡，滑坡方量约1 000m3。

G104国道宜兴段为一级公路，双向六车道，车流量大，是宜兴市一条重要的交通干线。滑坡发生后，主要采用削方减载进行处置。应急消险工程结束后，滑坡险情得到有效控制，但仍存在滑塌隐患。本文针对宜兴市G104国道丁山服务区西侧滑坡地质灾害，依据室内试验参数，通过反演分析得到滑坡体强度参数，运用非饱和土渗流理论[8-9]进行降雨条件下滑坡失稳机制数值模拟，研究降雨条件下碎石土边坡失稳机制和处理措施，为类似地质灾害提供参考。

1 滑坡区工程概况

G104国道丁山服务区西侧滑坡总体地势呈西高东低，北侧坡平均坡度为30°～35°，南侧坡平均坡度为35°～40°。潜在滑坡体总体形态呈圈椅状，滑动方向为正东向，滑坡南北向总宽度约150m，前宽后窄，滑坡最大轴向长度约60m。滑坡前缘高程在+15～+35m，滑坡后缘高程在+45～+65m，滑坡前后缘最大高差约30 m。

2016年7月2日滑坡发生后，根据7月3日现场应急调查结果，滑坡体后缘陡坎高差约3m，两侧分布近东西向剪切裂缝。2016年7月12日，现场再次调查发现，处于7月2日滑坡区外围的南侧又新出现多条南北向拉张裂缝，最大裂缝宽度达到10cm，每条裂缝延伸长度均超过20m。勘查区调查、勘探钻孔、物探等资料揭示，滑坡体主要由①层素填土、②层、②-1层含碎石粘土组成，滑坡体滑床基岩为③层二叠系下统栖霞组(P1q)灰岩，厚层状为主，地层产状为355 °∠12 °，岩溶较发育，溶洞充填物为黏土，受岩溶发育程度及采矿活动影响，灰岩的基岩面有一定的起伏。滑动面一般位于②层、②-1层含碎石粘土内部或者基岩覆盖层界面附近，主要呈圆弧形，推测滑动面最大深度约6m。北侧滑坡体的剪出口位于下部坡脚附近(高程在+15～+20m)；中部及南侧滑坡体的剪出口位于坡体中上部基岩覆盖层界面附近，标高在+25～+45m。

图1 滑坡体剖面Figure 1 Landslide mass section

2 边坡稳定性分析及评价

2.1 模型构建及参数选取

计算所采用的模型如图2所示。模型的高度为45.7m，长度为95.9m。本文的分析主要针对边坡失稳以前的演化过程，所以坡面的形态为削坡处理以前原地形线。采用四边形和三角形剖分网格，网格大小为1m。土体本构关系采用弹塑性，岩体采用线弹性，岩土体破坏服从摩尔库伦准则。模型左右两侧固定X方向位移，设定水头边界条件，经过测试调整后，设置左侧29m，右侧6m，底面边界固定X、Y方向位移，设置为不透水边界，模型顶面根据入渗量设置为单位流量边界。分别在边坡上部设置了点1-1、2-1、中部设置了点2-1、2-2和下部布置了点3-1、3-2，用以观察降雨过程中边坡孔隙水压和位移的变化。

图2 计算模型Figure 2 Computational model

根据抗剪强度室内试验结果，②-1层含碎石粘土统计平均值为内聚力9.73 kPa，内摩擦角为5.0°；②层含碎石粘土统计平均值为内聚力8.15 kPa，内摩擦角为13.5°。将该参数带入模型进行计算，所得的Spencer法安全系数为0.756，边坡沿基岩覆盖层界面发生滑动，滑动带主要位于含碎石粉质粘土层内。而边坡目前处于暂时稳定状态，这明显与实际情况不相符，说明滑带土力学参数偏小。推测主要由于室内试验中剔除了含碎石粉质粘土内的碎石，对土体造成人为扰动，从而使参数偏小。因此，本文采用参数反演得到实际情况下的滑带土参数。

参数反演过程在Slide软件内进行，取两个典型剖面进行反演。首先进行敏感度分析，分别令c值为10kPa、11kPa、12kPa、13kPa，φ值在15°～21°随机选取，进行敏感度分析。根据分析结果，结果，当Fs=1.0时得到2-2′剖面中几组数据：c=10kPa，φ=19.4°；c=11kPa，φ=18.6°；c=12kPa，φ=18°；c=13kPa，φ=17.3°。3-3'剖面中几组数据：c=10kPa，φ=19.2°；c=11kPa，φ=18.5°；c=12kPa，φ=18.0°；c=13kPa、φ=17.4°。据此得分析并进行工程类比得到本次反演所得到的参数值，即c=12kPa，φ=18°。

根据现场勘察、物探、室内试验、参数反演和工程类比，得到各层岩土体计算参数见表1。

表1 岩土体参数

其中，土层为非饱和土体，渗透系数相对饱和土体差别较大。非饱和土的渗透系数是体积含水量的函数，体积含水量是孔隙水压力的函数，所以渗透系数是孔隙水压力的函数。本文中水土曲线以及渗透系数曲线通过Van Genuchten法调整饱和渗透系数拟合得到。一般情况，最大允许入渗率随着时间的增加而降低，初渗率较大，随着降雨的持续，入渗率逐渐降低并在某一时间达到稳定[10]。雨水入渗量的变化由参考文献[10-16]给出。根据现场降雨量状况及当地降雨数据，将暴雨条件简化为100mm/d。在初始含水量较高及雨量较大的情况下，相应入渗积水点时间非常短暂，会在短时间内形成地表径流。根据室内试验资料，土体的平均含水率在50%左右，自然状态下有一定植被覆盖，认为初始状态下雨水完全渗入，取稳渗率为初始情况下的60%。坡地的降雨一部分入渗到坡体，另一部分转化为坡面径流[17]，边坡坡度大约为30°，坡面稳定入渗量在坡顶及坡脚稳态入渗量的基础之上折减50%。通过拟合，边坡顶部及坡脚降雨入渗量和坡面入渗量随时间变化见图3(8h以后的入渗量均为稳定入渗量)。

图3 降雨入渗量随时间变化曲线Figure 3 Time dependent rainfall infiltration curve

2.2 模拟结果分析

根据钻孔资料，调整模型水位边界条件，采用有限单元法进行稳定性计算，得到安全系数为1.007，结果表明在稳态渗流条件下，边坡容易沿基岩覆盖层界面附近发生滑动，主要由于水流容易导致土体与岩体之间的摩擦力降低，从而引发土体和岩体之间的相对滑动。

在稳态渗流情况下，坡体整体的孔隙水压力云图如图4所示，水力速度矢量如图5所示，渗流矢量大致与地下水面平行。

图4 稳态渗流状态下孔隙水压云图Figure 4 Steady state seepage flow pore water pressure nephogram

图5 降雨初期雨水入渗矢量图Figure 5 Initial rainfall stage water infiltration vectorgraph

连续暴雨96h降雨工况下，模型的孔隙水压力云图如图6所示，各监测点孔压随时间变化曲线如图7所示，由模拟结果可以看出，从深度上来看，降雨的影响主要集中在坡体的浅层，引起坡体表层孔隙水压力的持续升高，为20～80kPa，孔隙水压力升高速度快、幅度大，而深层土体的孔压变化相对不明显，在10kPa以内，升高速度慢、幅度小。从时间上来看，降雨初期孔隙水压力变化较快，呈现持续升高状态，大约80h后，孔隙水压力增加趋势明显变缓。从坡体位置来看，坡顶孔隙水压力变化较明显，从坡顶向下，孔隙水压力增加趋势逐渐降低，坡脚孔压变化幅度相对较小。从降雨初期一直到降雨后期，渗流场总体上变化不大，主要的变化发生在坡脚处，如图8所示，坡脚入渗量减小，孔隙水沿土体向坡脚外继续入渗，坡脚渗流情况趋向于溢出。降雨前以及降雨过程中，岩体上部呈向下入渗趋势，右下侧呈从底部向上渗流进入土体的趋势。在土体内部渗流方向与土岩分界面大致平行，降雨后期，坡脚入渗量减少，渗流方向逐渐趋向于溢出。另外，地下水位方面，坡顶无明显变化，坡脚位置的地下水位有所上升。

图6 降雨96h孔隙水压云图Figure 6 Rainfall 96 hours pore water pressure nephogram

图7 孔隙水压力随时间变化图Figure 7 Time dependent pore water pressure variation

降雨过程中，随着雨水入渗，土体趋向于饱和，从而基质吸力减小，渗透系数增加，并且由于雨水入渗是由浅到深的，所以基质吸力减小和渗透性增强这个过程是由浅层土体蔓延到深层土体的，当浅层土体渗透性增加后，入渗水流顺浅层土体向坡脚渗流，这在图10渗流矢量图也可以看出，从而雨水入渗的影响难以施加到深层土体，降雨的影响主要集中在浅层土体。降雨初期的雨水首先从坡体表面渗入，入渗量相对较大，且雨水在短时间内无法入渗到深层土体，在降雨初期会引起表面土体孔隙水压力的迅速升高。降雨后期的雨水入渗量有限，只有很少一部分雨水入渗到土体中，大部分雨水在坡体表面形成径流向坡脚流走，所以孔隙水压力增加速度有所减缓。坡顶由于距离地下水位较远，毛细水难以上升到坡顶，孔隙水压力值较小，在降雨后由于雨水的大量入渗，孔隙水压力不断减小，坡脚在降雨前孔隙水压力比坡顶大，降雨过程中孔隙水压力也在不断减小，但相对于坡顶，减小值要小，在96h期间，体现出上升速度相对较慢的特点。降雨过程中，雨水不断的向坡脚渗流、汇集，坡脚的含水量不断增加，逐渐趋向于饱和状态，故而坡脚入渗量不断减小，渗流逐渐趋向于向外溢出状态。同时，不断向坡脚汇集的雨水导致了坡脚处地下水位的上升。

降雨过程中，位移随时间变化如图8、图9所示。总体上位移量与孔隙水压力的变化状态有着明显的对应性。从深度上看，浅层土体的位移大于深层土体的位移，尤其是Y分量位移，总体位移量在1～9mm，深层土体的位移几乎可以忽略。从位置上来看，坡顶的位移相对较大，坡体中部和坡脚比较相近，位移均较小。从时间上来看，降雨初期变化速率较小，24h内的变化量不大，24h之后的中后期位移保持一定速率呈持续增加状态。另外，坡顶处的X分量位移明显大于Y分量位移，在其它位置两个位移分量位移较为相近。

雨水入渗引起孔隙水压力的变化，从而使基质吸力和有效应力的变化，促使应力场改变。在渗流力的作用下，以及雨水增加土体重度的情况下，诱发土体向坡体外部的位移。降雨大量入渗的情况主要发生在浅层土体，浅层渗流速度大，渗流力大，浅层土体孔隙水压力变化大，从而引起浅层土体相对深层土体更大的位移。坡顶孔压相对坡脚的孔隙水压力变化较大，整体的位移也较坡脚大。由于雨水促使土体软化，土体有效应力的降低，坡体的位移开始发生后就处于持续增长状态，即使在后期孔隙水压力的变化有所减缓，位移仍然没有减缓的趋势。当坡体位移量增加到一定值时，坡体运动状态持续进行，便发生滑坡。从位移特征来看，坡顶X分量位移大于Y分量位移，因此在坡顶容易诱发拉裂缝，增加雨水入渗能力，降低坡顶土体内力，同时在渗流力的作用下，诱发推落式滑坡。

图8 位移随时间变化曲线Figure 8 Time dependent displacement variation curve

图9 降雨96h坡脚渗流矢量图Figure 9 Rainfall 96 hours slope toe seepage vectorgraph

图10 降雨96h最危险滑动面位置Figure 10 Rainfall 96 hours most hazardous slip surface position

通过有限元法计算滑坡安全系数，计算结果如图11所示，可以看到，最危险滑动面仍然集中在基岩覆盖层界面附近，并且坡顶产生了竖直拉裂隙。说明对于深度不大的基岩层的边坡，降雨虽然容易引起土体表面浅层的蠕移，但最危险滑动面仍然是在基岩覆盖层界面附近，贯穿整个坡体。主要原因是边坡土体内聚力和摩擦力相对土岩分界面要大，坡表面的位移会牵引整个土体沿基岩覆盖层界面发生滑动。从图12中可以看出，降雨一开始，安全系数突然降低，一方面由于降雨的突发性，另一方面由于降雨初期雨水入渗量较大，引起土体内部孔隙水压力及渗流场的突然变化；随着降雨的进行，坡体的安全系数不断降低，降低速度减缓，主要由于降雨入渗量的减少，渗流状态渐趋于稳定。

根据现场观察，滑坡后缘在连续降雨后形成了滑坡陡坎，部分土体向前发生滑塌，坡脚在整个降雨过程中没有明显的变化，但在持续降雨后期有地下水溢出。该滑坡在降雨过程中呈持续蠕移状态，且发生小范围浅层滑动。小型滑动现象主要集中在前期，在降雨中后期，滑坡的主要变形特征为持续稳定的蠕移，以及在滑坡后缘和两侧产生张拉和剪切裂缝，降雨到一定时间之后很有可能产生大型圆弧型滑动。前文中针对渗流及位移的分析合理的解释了这些现象：坡顶受降雨影响较大，坡顶X分量位移较Y分量位移大，容易产生拉裂缝进而发生滑塌。坡脚孔压及位移变化不大，整个过程坡脚的状态没有明显变化。坡体位移在降雨过程中呈持续增长状态，外在表现为持续蠕移，且浅层土体位移较深层土体位移大，由于位移的差异性，引发了浅层土体的小范围滑动，到降雨中后期，位移的增长较为稳定，表现为边坡整体的持续位移，此时两侧及后缘位移较小，因此坡体周围开始不断产生拉裂缝及剪切裂缝。当坡体位移持续增加到一定值之后，可能沿土体深部即土岩分界面发生整体滑动。

综上所述，数值模拟分析中得到的成果与现场观察的坡体状态较为符合，模拟分析中的渗流及位移状态也较好的解释了滑坡发展过程中的现象。

由以上分析可知，降雨，特别是暴雨，对土质滑坡的影响过程主要为：土体在雨水入渗的作用下，孔隙水压力不断增加，从而引起基质吸力的减小和有效应力的减小，使原来稳定的应力场矢量发生变化，产生向X、Y正向的分量，同时在指向右下方的渗流力的作用下，引起土体X、Y正方向位移，在差异性位移条件下产生张拉和剪切裂缝，进而诱发滑坡。从地质成因来看，本工程中的滑坡体自身地质条件不良，上部人工填土层结构松散，强度低，渗透系数大；残坡积土层厚度大，雨水入渗的作用下工程特性不断降低。降雨导致滑坡土体质量加大，基质吸力减小，浸润线略微上移，使坡体安全性降低。从模拟结果来看，降雨引起浅层土体较大的位移，尤其是在坡顶位置，X分量位移诱发坡顶拉裂缝，导致推落式滑坡。随着降雨的持续进行，坡体位移不断发展，整体安全系数不断降低。

3 工程治理措施

滑坡总体形态如图13所示。滑坡区目前已经发生滑坡地质灾害，表层素填土土体松散，同时坡体整体坡度偏陡，宜采用削坡减载方式减小滑坡体的下滑力。滑坡坡度较大，坡前为流量较大的国道高速，宜在坡脚采用重力式挡墙，提高坡体稳定性，同时防止洒落。边坡所处地区受降雨影响大，结合本文分析，宜采用格构工程对滑坡区坡面进行坡体表层土体加固防护，同时在周边布设完整、通畅的截排水系统引导降雨汇水至沟塘，减少降雨入渗。另外，鉴于对国道周围的美化需求，应对边坡治理工程进行绿化，同时发育的植物根系还能够提供一定的锚固力以及固定水土的作用，能够减少降雨的影响。各项治理措施具体描述如下：

①削坡降坡：在+25、+40m处分别设置平台，平台宽度4m，削坡坡度30°。坡脚线后退5m，形成坡脚平台，标高为+15m。

②A型重力式挡墙：挡墙总高3.5m，基础埋深1m，地面以上高2.5m，墙顶宽1m，底宽1.7m，C30混凝土浇筑。挡墙底部设置三排植筋孔(直径110mm)，植筋孔进入灰岩不小于3m，钢筋采用HRB400直径28mm钢筋，注浆材料采用M30水泥砂浆，植筋孔沿走向间距1m。

③拱形格构护坡：拱形格构净距宽3m，深度0.3m，拱柱宽0.6m。

④截、排水沟：坡顶截水沟、平台排水沟、坡面纵向排水沟均采用矩形断面，钢筋混凝土(C30)结构，宽0.5m，深0.5m，壁厚0.2m。

⑤普通喷播：削坡后坡面采用普通喷播方式绿化。

⑥挂网客土喷播：下部灰岩出露区采用挂网客土喷播方式绿化。治理工程设计剖面如图14。

采用有限元软件对边坡治理加固效果进行模拟，此处只针对削坡以及重力式挡墙处理进行模拟分析。得到治理后边坡潜在滑动面和安全系数如图15所示，通过削坡清坡、重力式挡墙处理后，Spencer法计算所得坡体安全系数为1.32，坡体基本稳定，治理措施效果明显。

图13 设计剖面图Figure 13 Designed section

图14 处理后危险滑动面及安全系数Figure 14 Hazardous slip surface and safety factor after treatment

4 结论

本文以G104国道丁山服务区西侧滑坡为研究对象，利用非饱和土渗流理论，模拟降雨96h，对边坡渗流、位移进行分析，分析滑坡演化过程，评价边坡稳定性。通过模拟分析，得出以下结论：

(1)持续降雨过程中，孔隙水压力与坡体位移具有相关性，孔隙水压力和位移在土体浅层的变化较大、在土体深层变化较小，在坡顶变化大，坡体中部及坡脚变化较小，孔隙水压力在降雨前期变化速率大，降雨后期变化变缓，位移在降雨前期变化小、降雨中后期持续增长。此外，坡顶X分量位移变化较大，容易引发拉裂缝，导致推落式滑坡。总体来看，孔隙水压力和位移在整个过程持续增长。孔隙水压力与坡体位移状态的相关性主要是由于土体的位移主要为雨水渗流过程导致。

(2)滑坡体在降雨过程中持续蠕移，降雨过程中产生浅层小型滑塌，在后缘产生拉裂缝，两侧产生剪切裂缝，坡脚没有明显变化。滑坡体的这些现象能够被坡体的孔压及位移变化状态合理的解释。

(3)结合滑坡的特征及周围环境特点，采用了削坡减载、挡墙工程增加坡体稳定性，同时采用格构工程、截排水工程、绿化工程减少降雨入渗及入渗对浅层土体的影响，增加坡体稳定性。

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UnsaturatedSoilLandslideSeepageDeformationSimulationAnalysisandEngineeringTreatmentunderRainfallCondition

Tang Kai1, Sun Shaorui1, Song Jinglei2and Wang Yashan2

(1.School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100; 2.Jiangsu Province Geological Survey, Nanjing, Jiangsu 210000)

Taking the landslide at the west side of G104 national highway Dingshan service area as subject investigated, based on investigation and laboratory tests, combined with inversion have determined strength parameters of slip soil. Through set up of rainfall infiltration model has established landslide mass numerical model, using unsaturated soil seepage theory carried out slope seepage field and stress field coupling analysis. Through finite element method simulated 96 hours rainfall carried out pore water, seepage, displacement and slope stability analyses. The results have shown that during the rainfall process, the pore water pressure and landslide mass displacement has marked correlation between. Slope top X-component has larger displacement; superficial and upper part of landslide mass have larger pore pressure and displacement, thus easy to bring about trailing edge tensile fissures, superficial slumping. Landslide mass continued creeping during rainfall later period, can induce margin shearing fissures, and then induce integrated landslide. Slope cutting and retaining wall can increase slope mass stability; lattices, planting, intercepting and drainage works can reduce impacts from rainfall on slope top stability.

rainfall; landslide stability; simulation analysis; unsaturated soil; seepage; displacement

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.10

1674-1803(2017)08-0053-07

国家自然科学基金项目(41672258)。

唐 凯(1992—)，男，四川江油人，硕士研究生，主要从事岩(土)体结构特征及稳定性方面的研究工作。

孙少锐(1976—)，男，山东海阳人，教授，主要从事岩(土)体结构特征及稳定性方面的研究工作。

2017-04-05

A

责任编辑：樊小舟