降雨入渗条件下堆积体边坡稳定性分析——以营盘水库灌区王家寨堆积体边坡为例

降雨入渗条件下堆积体边坡稳定性分析——以营盘水库灌区王家寨堆积体边坡为例

饶国国1  王郑棋2  曹熙平1  张品1

（昭通市水利水电勘测设计研究院 云南 昭通 657000）

（昭阳区水务局 云南 昭通 657000）

【摘  要】 以营盘水库灌区王家寨堆积体边坡为例，利用MIDAS.GTS有限元程序，在渗流场和应力场相互作用情况下，对非饱和土边坡稳定性影响分析。结果表明: 该边坡受持续降雨入渗下，土体内非饱和区域逐渐缩小，在坡体的自重和渗透力逐渐增加的作用下，边坡安全系数也随着降雨持时的增加而降低，降雨入渗对土体边坡稳定存在明显的影响，尤其边坡表层土体较容易出现小范围的塑性变形。计算结果为工程设计提供了建议和参考。

【关键词】 堆积体边坡，降雨入渗，稳定性分析，边坡安全系数

1 引言

据统计，堆积层边坡的失稳，绝大多数是由降雨或地下水位的变化而引起的，这是目前崩滑灾害预测与防治领域亟待研究与解决的难点与关键问题[1]。因该类边坡通常具有结构松散、大孔隙比、透水性强等特点[2]，所以降雨入渗是一种典型的非饱和流固耦合现象，需要研究雨水入渗的瞬态渗流场、土坡变形以及各种边界条件的影响[3]。

在我国有较多学者对降雨入渗条件下边坡稳定进行了深入分析和研究，也取得了丰厚的成果。本文以营盘水库灌区王家寨堆积体边坡为例，在实际工程中利用midas.GTS .NX有限元程序，分别对持续降雨4h、8h、12h、16h、20h、24h、48h、72h共8个步长进行瞬态渗流场和应力场的耦合分析，为工程设计提供了建议和参考。

2 工程概况与地质条件

工程区地处云贵高原北部。山顶高程2900m，坡脚高程2020m，属高海拔山区。工程区历史实测最大24h暴雨量为393.4mm，多年平均24h暴雨量为71.0mm，具有陡涨陡落型的暴雨过程，一般暴雨过程为24h，主洪峰集中于6h之内[6]。

该堆积体边坡位于高山峡谷中，属古滑坡堆积体。后缘山体陡峭，前缘低于河谷对岸，对原河道形成堵塞淤积。原滑带埋深于滑体和基岩面之间（沿基岩面滑动），地表未出露，滑体物质为原崩塌堆积体的碎石土和碎石粘土层组成，属堆积体滑坡（边坡的地形及地质条件如图1、图2 所示）。古滑坡堆积体坡面上部和坡脚的自然坡度43°，中部自然坡度18°。通过钻孔揭露和孔内注水试验，堆积体上部和坡脚处厚度达80m左右，中部覆盖厚度较薄，约16～30m，土层以中等透水为主（K=1～8×10-3cm/s），个别钻孔中有5-10m的强透水。下伏基岩为弱风化的玄武岩和灰岩，地下稳定水位均埋深于弱风化基岩中。

现状该古滑坡堆积体不会沿原滑面产生变形。所以，本文主要对上部高陡边坡段在持续72h降雨入渗作用下的稳定性进行模拟分析。

图1  古滑坡堆积体地质平面示意图

图2  古滑坡堆积体主滑方向地质剖面示意图

3 边坡稳定性分析

3.1 有限元模型和渗流计算模型的建立

计算剖面为古滑坡体的主滑剖面（在滑坡体上的位置如图1 所示）。模型的建立采用midas.GTS .NX有限元程序的2D平面应变。根据当地的气象资料和水文资料，降雨强度采用历史最强降雨量393.4mm/24h，历时72h的计算结果，在地表输入降雨强度时，采用等强度入渗分析。从孔内注水试验数据表明，本工程土体具有排水性，所以材料参数的建立输入了渗透系数，选择了非饱和特性函数（Van Genuchten）。模型材料参数选择莫尔-库伦型。

图3  有限元模型和渗流计算模型

3.2 材料参数的选取

材料的物理力学性质采用现场原位试验值，材料参数取值如表1所示。

表1  岩土体物理力学参数 

3.3 计算结果分析

a.渗流场分析

从渗流计算结果可以看出：随着降雨持时的增加，边坡土体的负孔隙水压力区域有逐渐缩小的趋势，但此过程较为缓慢，直到本次最大降雨72h时，边坡土体内部仍未完全饱和，浸润线由初始渗流至降雨结束时也未出现大幅抬升。在降雨持续24h时，降雨量已经大于地表土层的入渗能力，此后，雨水并未完全入渗土体内，在边坡地表形成径流。

初始渗流及持续降雨24h、48h、72h时坡体内的孔隙水压力如图4-图7所示。浸润线位置为孔隙水压力等于 0 的等值线，表示暂态的滞水面。

图4-图5  孔隙水压力和浸润线云图（左为初始渗流、右为降雨24h）

图6-图7  孔隙水压力和浸润线云图（左为降雨48h、右为降雨72h）

b.边坡稳定性分析

边坡稳定性参考《水利水电工程边坡设计规范》[5]进行评价，成果见表2，各时长降雨入渗对边坡稳定性影响见图8。

表2  不同工况边坡稳定性评价

边坡稳定性分析采用有限元强度折减法对边坡天然工况（正常运用条件）、以及不同降雨持时的暴雨工况（非常运用条件Ⅰ）进行计算。当边坡在天然状态时，安全系数Fs=1.175，属稳定边坡；当考虑降雨入渗作用后，边坡的稳定性明显受到降雨入渗的影响，并随着降雨持时的增加，边坡的安全系数呈现逐渐降低（如图8），降雨结束（72h）时边坡安全系数Fs=1.0593，整个降雨过程边坡安全系数降幅为9.8%，此时边坡虽然处于基本稳定状态，但安全系数的储备已不高。

从计算过程中发现，随着降雨持时的增加，边坡表层土体形成径流后，边坡表面土体容易出现小范围的塑性变形破坏区域，这与现场调查情况较为相符。

图8  安全系数与降雨时长关系

图9  天然边坡安全系数云图

图10  降雨72h时边坡安全系数云图

4 结论

通过瞬态渗流和应力场的耦合分析主要得出如下结论：

1. 天然边坡安全系数为Fs=1.175，边坡基本稳定；降雨入渗后，随着降雨持

时的增加，边坡安全系数逐渐降低，在持续72h的降雨入渗下，土体边坡的安全系数Fs=1.0593。虽然边坡仍处于基本稳定，但安全系数储备已不高。

b.边坡浅层土体在降雨24h时，降雨量大于土体的入渗能力，雨水在边坡地表形成径流，边坡浅层土体在渗透力作用下容易发生塑性变形破坏。

    c.该边坡稳定性受降雨入渗影响明显，建议边坡土体做好截、排水措施。

参考文献：

[1] 陈善雄，许锡昌，徐海滨．降雨型堆积层滑坡特征及稳定性分析[J]．岩土力学，2005，26(增刊)：6－10．

[2] 李新志，贺可强．地下水在三峡库区堆积层滑坡中的作用[J]．山西建筑，2008，34(30)：9－10．

[3] 徐晗，朱以文，蔡元奇等．降雨入渗条件下非饱和土边坡稳定分析[J]．岩土力学，2005，26(12)：1957－1962．

[4] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，凌天清．边坡与滑坡工程治理（第二版）[M]．北京：人民交通出版社，2010：209-213．

[5] 孙胜利等．水利水电工程边坡设计规范．SL 386-2007[S]．北京：中华人民共和国水利部，2007：13．

[6] 禄兴等．云南省永善县营盘水库工程初步设计报告[R]. 昭通市水利水电勘测设计研究院，2014.