降雨情况下排土场边坡稳定性数值模拟研究

何玉红

(濮阳职业技术学院 建筑工程系，河南 濮阳 457000)

降雨情况下排土场边坡稳定性数值模拟研究

何玉红

(濮阳职业技术学院 建筑工程系，河南 濮阳 457000)

排土场边坡不同于一般边坡，排土体为松散介质，降雨入渗对排土场边坡稳定性影响较大。为了定量研究降雨对排土场边坡的稳定性影响，以及防水和排水措施对边坡稳定性的影响，首先建立降雨情况下排土场渗流数值模型，分析排土场内部渗流场；然后对排土场边坡进行水土耦合分析，通过水土耦合分析发现降雨情况下边坡稳定性安全系数大大降低。为了服务于工程和科学研究，进一步对防渗和排水情况下排土场边坡稳定性进行定量研究。研究发现：在排土场台阶底部设置排水管道或者在排土场顶部设置防水层可以大大提高降雨情况下边坡稳定性。研究结果可为正确评价和治理该类边坡的稳定性提供科学依据。

排土场；数值模拟；渗流场；降雨强度；边坡稳定性

1 研究背景

滑坡是边坡常见的一种地质灾害，雨水入渗是影响边坡稳定性的重要因素。一些滑坡经常在大雨后产生，如江河防洪堤常在较长期高水位后，水位降落时产生滑坡；土石坝常由于水库水位持续降落而造成滑坡。通常这些滑坡主要是由渗透水流作用引起的[l-3]。目前关于渗流引起边坡稳定性安全系数下降的研究，比较早的是舍德葛伦对无黏性土边坡进行计算分析，研究结果表明，渗流能使边坡稳定性安全系数1下降到0.5[4]。可见渗流对边坡稳定性影响很大，并且边坡渗流稳定问题一直是岩土工程界的研究热点[5-11]。因此，定量分析降雨情况下边坡防渗排水处理后的稳定性，对客观评估降雨条件下各类工程边坡具有重要的意义。

本文以排土场边坡为研究对象，采用著名的加拿大岩土软件开发商的Geo-Studio软件进行耦合分析。首先利用SEEP/W软件对排土场进行渗流分析，然后利用SIGMA/W模块进行应力分析，最后将计算结果导入SLOP/W模块进行极限平衡分析。建立降雨入渗引发边坡失稳的数值模拟模型，研究降雨时间、降雨强度、排土场边坡防渗处理、排土场边坡排水处理等对边坡稳定性的影响，揭示边坡在降雨条件下的有效处理措施。为正确评价和治理该类边坡的稳定性提供科学依据，同时也为人工边坡设计和滑坡治理提供理论基础。

2 建立降雨条件下边坡渗流模型

2.1 模型概况

排土场边坡不同于一般边坡，排土体为松散介质，降雨入渗对排土场边坡稳定性影响较大。取一排土场边坡进行研究，主要研究大气降水补给。如图1所示，模型上部为松散排土体，主要组成有碎石、角砾土、粗砂、粉质黏土，自上而下台阶高度分别为20，30，30 m；模型下部为排土场基础。按有限单元法计算要求，依据该边坡具体边界条件及精度要求来考虑网格的疏密程度，具体有限元网格剖分见图1所示，总共有1 815个节点和3 428个单元。

图1 计算模型Fig.1 Computation model

2.2 计算参数及边界条件

根据现场注水试验、降水试验、承压板试验、剪切试验、室内土工试验以及查阅相关参考文献[6-7]等，得到排土场物理力学参数如表1所示，本文重点研究降雨入渗产生的渗透力对边坡稳定性的影响，所以抗剪强度参数在降雨前后未进行处理。

表1 计算参数Table 1 Parameters in the computation

排土场边坡降雨入渗的边界条件为： ①排土场基础两侧按零流量边界处理[9]；②排土体左侧按零流量边界处理，排土体右侧按压强水头值为0处理[9]，即排土体右侧可以排水；③模型底面假设为不透水边界；④边坡表面为入渗边界，如果降雨强度小于表层土体渗透性，按流量边界处理，其数值等于降雨强度；如果降雨强度大于表层土体渗透性，一部分雨水沿坡面流失，会在坡面形成一薄层水膜，此时可按给定水头边界处理。由于水膜很薄，计算中取水头值等于地表高程。本文选取暴雨情况下降雨强度2 mm/h作为坡面计算边界，该强度小于边坡的入渗能力，因此边坡表面按流量边界处理。本文取降雨持时5 h进行分析。

2.3 排土场渗流场数值模拟结果

对排土场进行渗流计算，从图2可以看出，大气降水进入排土场后，大部分储积在排土体的孔隙中，其补给、排泄受地形条件及本身土体结构的控制，总体上表现为顺边坡向坡脚渗流，部分以散流形式向地势较低处汇集排泄。

图2 地下水渗流速度矢量云图Fig.2 Contours of groundwater seepage velocity vectors

3 降雨情况下边坡水土耦合分析

3.1 有限单元应力法简介

将上文计算得到的渗流场和有限单元应力法进行水土耦合分析。有限单元应力法是指在传统的极限平衡分析中输入有限元的应力计算结果，然后根据这些计算结果求得每一条块上面的应力，最后按安全系数的定义，即滑移面上条块抗滑力之和与条块下滑力的比值求得安全系数。而极限平衡方法求解的安全系数是基于条块间力假设的解析解。因此有限单元应力法求解安全系数更接近于真实解。

3.2 水土耦合分析

将上文SEEP/W模块中的渗流分析结果结合有限单元应力法进行分析。耦合计算应力云图如图3所示，利用Bishop法和Janbu法对排土场进行耦合分析(图4)和无耦合分析，计算结果如表2所示。

图3 耦合计算应力云图Fig.3 Stress contours of coupling calculation

图4 安全系数耦合计算结果Fig.4 Result of safety coefficient by coupling calculation

表2 安全系数计算结果Table 2 Calculation result of safety coefficient

由计算结果可以看出连续暴雨情况下极易造成排土场边坡失稳，由此可以看出降雨是影响排土场边坡稳定性的重要因素。一方面，雨水的入渗使浸润线升高，排泄方向顺边坡向坡脚渗流，一定程度上增加了边坡的下滑力, 进一步诱发边坡的变形与滑移;另一方面增加土体的含水量。含水量增加使土体的抗剪强度减小，导致边坡稳定性降低。

近年来排土场稳定性分析的发展有了长足的进步，但对排土场设计及失稳治理的定量分析有待进一步完善。为了较全面地阐述排土场的设计及治理措施，为服务于工程需要和科学研究，本文进一步对考虑防渗和排水情况下排土场边坡稳定性进行研究。

4 排水及防渗条件下稳定性

4.1 考虑排水情况下边坡稳定性

在排土场每一台阶底部设置排水管道，排水管道坡度为1%，降雨入渗后沿排水管道流向排土场台阶处，然后再由台阶处的排水渠道排出。进行渗流计算的渗流场分析结果如图5所示。与图2进行对比可以看出，排水情况下排土场内部渗流明显降低。由计算得出，台阶高度小于30 m时每个台阶只在台阶底部设置排水管道进行排水即可，台阶高度大于100 m时建议在台阶中部增设排水管道。进行水土耦合分析可以发现进行排水处理后排土场边坡稳定安全系数明显提高(表3)。

图5 排水情况下地下水渗流速度矢量云图Fig.5 Contours of seepage groundwater velocity vectors in the presence of drainage

4.2 考虑防渗处理后边坡稳定性分析

在排土场每一台阶顶部设置防水土层(图6所示)，参数如表1所示。

图6 防水层模型Fig.6 Model of waterproof layer

图7 防渗情况下地下水渗流速度矢量云图Fig.7 Contours of groundwater seepage velocity vectors in the presence of seepage-proofing

渗流分析结果如图7所示，与图2进行对比可以看出，排土场每一台阶顶部增设防水层后排土场内部渗流明显降低。由计算成果分析可以得到台阶高度小于30 m时只在台阶顶部设置防水层即可，当台阶高度大于100 m时建议在台阶中部增设防水层。进行水土耦合分析可以发现进行防渗处理后排土场边坡稳定安全系数明显提高(表3)。

排水和防渗处理结果如表3所示，可以看出排水管道和防水层有利于提高降雨情况下排土场边坡稳定性，这对排土场设计及治理有明显启发作用。对于一些超高排土场边坡建议排土场每一台阶顶部设置防水层，台阶底部设置排水管道，这将会明显提高降雨情况下边坡稳定性。

表3 排水防渗处理后计算结果比较Table 3 Calculation results of safety coefficientafter drainage and seepage-proofing

5 结 论

针对降雨引起的渗透力对边坡稳定性的影响进行了研究，并针对如何降低渗透力的影响，采取一些措施进行数值模拟研究，得到如下成果。

(1) 数值模拟了排土场设置防水层和排水管道后边坡稳定性，在排土场内部设置防水层和排水管道未曾受到足够重视，但是研究结果发现该措施可以大大提高排土场边坡稳定性，对后续排土场设计及治理有很大借鉴作用。

(2) 在降雨期比较长的情况下，如果不设置排水孔或者防水层，本算例边坡很容易导致滑坡。因此，可以看出排土场内部设置排水通道或者设置防水层有利于提高排土场边坡稳定性。这对排土场设计及治理有明显启发作用。对于一些超高排土场边坡建议排土场每一台阶顶部设置防水层，台阶底部设置排水管道。

(3) 通过对比耦合分析和无耦合分析结果可以发现，耦合分析时考虑降雨对边坡稳定性的影响，此时边坡稳定性大大降低。因此可以看出排土场边坡稳定性评估时降雨也是一项很重要的影响因素。

[1] 毛昶熙,陈 平,李祖贻.关于渗流作用下坝坡稳定有限单元法分析一文的终结讨论[J]. 岩土工程学报,1984,6(5):96-100. (MAO Chang-xi, CHEN Ping, LI Zu-yi. Final Discussion on the Finite Element Method for Dam and Slope Stability Analysis under the Condition of Seepage[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1984,6(5):96-100.(in Chinese))

[2] WANG G, SASSA K. Factors Affecting Rainfall Induced Flow Slides in Laboratory Flume Tests [J]. Geotechnique, 2001,51 (7) :587-599.

[3] OCHIAI H,OKADA Y,FURUYA GEN,etal.A Fluidized Landslide on a Natural Slope by Artificial Rainfall[J]. Landslides, 2004,(1) :211-219.

[4] CHO S E,LEE S R.Instability of Unsaturated Soil Slopes Due to Infiltration[J]. Computers and Geotechnics, 2001,28(3): 185-208.

[5] 陈守义.考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法[J]. 岩土力学,1997,18(2):8-12. (CHEN Shou-yi. A Method of Stability Analysis Taken Effects of Infiltration and Evaporation into Consideration for Soil Slopes[J]. Rock and Soil Mechanics, 1997,18(2):8-12. (in Chinese))

[6] 杨育文,周志立,蒋 涛,等.渗流作用下边坡自稳临界高度计算[J].长江科学院院报,2013,30(10):54-57. (YANG Yu-wen, ZHOU Zhi-li, JIANG Tao，etal. Determining the Self-stability Critical Height of Slope with Steady Seepage[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(10):54-57. (in Chinese))

[7] 吴宏伟,陈守义. 雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 岩土力学,1999,20(1):1-14. (WU Hong-wei, CHEN Shou-yi. Parametric Study of Effects of Rain Infiltration on Unsaturated Slopes[J]. Rock and Soil Mechanics, 1999, 20(1): 1-14. (in Chinese))

[8] 张延军,王恩志,王思敬. 非饱和土中的流-固耦合研究[J]. 岩土力学,2004,25(6):999-1004.(ZHANG Yan-jun,WANG En-zhi,WANG Si-jing.Study for Fluid-Solid Coupling Process in Unsaturated Soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(6): 999-1004. (in Chinese))

[9] 徐 晗,饶锡保,汪明元.降雨条件下膨胀岩边坡失稳数值模拟研究[J].长江科学院院报, 2009,26(11):52-57. (XU Han, RAO Xi-bao, WANG Ming-yuan. Numerical Simulation on Failure Mechanism of Expansive Rock Slope under Rainfall[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2009, 26(11): 52-57. (in Chinese))

[10]荣 冠, 周创兵, 江进辉,等.锦屏一级水电站左岸边坡渗流计算及稳定性分析[J].长江科学院院报,2005,22(6):49-53. (RONG Guan, ZHOU Chuang-bin, JIANG Jin-hui,etal. Seepage Calculation and Stability Analysis on Left Slope of Jinping-I Hydropower Station[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2005, 22(6): 49-53. (in Chinese))

[11]王叶娇,曹 玲,徐永福.降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析[J].长江科学院院报,2013,30(9):75-79. (WANG Ye-jiao, CAO Ling, XU Yong-fu. Critical Stability of Unsaturated Soil Slope Under Rainfall Infiltration[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(9):75-79. (in Chinese))

(编辑：姜小兰)

Numerical Simulation on Dump Slope Stabilityunder Rainfall Infiltration

HE Yu-hong

(Department of Architectural Engineering, Puyang Vocational and Technical College, Puyang 457000, China)

Unlike ordinary slope, dump slope is made of loose media and its stability is greatly affected by rainfall infiltration. In order to quantitatively study the impact of rainfall as well as waterproofing and drainage measures on the stability of dump slope, firstly, we built a numerical model of dump slope seepage under rainfall infiltration to analyze the internal seepage field; and then through soil and water coupling analysis we found that the safety factor of dump slope decreased remarkably in rainfall condition. In order to serve the engineering and scientific research, we further studied the stability of dump slope under seepage-proofing or drainage conditions. Results suggest that drainage pipes in the bottom of the slope terrace or seepage-proofing layer on top of the slope could greatly improve the slope stability under rainfall infiltration. The research result provides basis for the design and regulation of dump slope.

dump slope; numerical simulation; seepage field; rainfall intensity; slope stability

2014-03-14；

2014-04-08

何玉红(1970-)，女，河南濮阳人，副教授，主要从事建筑工程方面的研究工作，(电话)15203935876(电子信箱)heyuhong000@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.010

TU433

A

1001-5485(2015)02-0044-04

2015,32(02):44-47