非饱和渗流作用的九环线K236+500段滑坡成因分析

闫小旗 王 宁 刘德贵 姜兆华

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)



非饱和渗流作用的九环线K236+500段滑坡成因分析

闫小旗 王 宁 刘德贵 姜兆华

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

边坡常因降雨渗流作用而失稳，传统的边坡稳定性计算常因没有考虑到非饱和土体渗流作用对边坡造成的影响而不能全面如实反映滑坡诱因。基于非饱和土的渗流和抗剪强度理论，考虑基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响，运用有限元数值模拟方法对九环线K236+500段滑坡体进行了考虑非饱和渗流影响与不考虑非饱和渗流影响的稳定性对比分析，明确了降雨入渗引起的非饱和渗流作用是导致该滑坡的主要诱因。

非饱和渗流 有限单元法 滑坡 稳定性

我国西南部山区由于地形地貌原因，经常在雨季发生滑坡地质灾害，其中浅层滑坡最为常见，其滑坡机理为：在降雨入渗作用下，近地表浅层非饱和土饱和度增大，基质吸力减小并引起抗剪强度下降[1]。虽然降雨入渗为滑坡诱因众人所知，但如何考虑降雨入渗对土质边坡稳定性的影响，以明确其诱发滑坡机理，目前相关研究还不够充分，现有滑坡分析常忽略渗流作用或仅考虑稳定渗流模型，且入渗边界假设在地表水面上，忽略了降雨在非饱和区的入渗过程。鉴于此，本文运用数值模拟方法，结合九环线K236+500段滑坡治理工程实例，研究了降雨条件下非饱和渗流对土质边坡的影响。在有限元数值模拟中，运用非饱和土体渗流理论[2]，模拟雨水入渗引起的渗流场，对该土质边坡应力变形和滑坡成因进行了分析，以明确降雨入渗诱发土质边坡滑坡的机理。

1 工程概况

1.1 滑坡段简介

九环线K236+500段道路滑坡(图1、图2)位于江油市大康镇，西南侧为平通河，西北侧邻金锦桥。该段为通往九寨沟要道，交通位置重要。该滑坡后缘高程500 m，前缘高程470 m，地形高差30 m，斜坡前陡后缓，整体坡度约为24°～28°，斜坡后缘发育有陡坎，坎高2～4 m，整个滑坡呈不规则形，滑体平均厚度5.2 m，主滑方向125°。经现场勘察，在降雨前该斜坡处于稳定状态，由于降雨后发生蠕滑导致路基和路面出现了严重的不均匀沉降的问题，具体表现为在路面出现多条宽度大于3 cm，深度大于20 cm的纵横向贯通裂缝，严重影响九环线的正常通行，且对过往车辆的安全造成了威胁。

图1 九环线滑坡平面图Fig.1 Plan view of the Jiu-Huan Line landslide

图2 九环线滑坡1-1' 剖面图Fig.2 1-1' cross view of the Jiu-Huan Line landslide

1.2 工程地质条件

工程区位于四川盆地西北边缘，地处龙门山脉东南部，地形地貌条件主要受控于复杂的地质构造、构造运动及外营力地质作用，属构造侵蚀性中低山地貌。

该区地层较单一，场地出露的地层主要由第四系全新统松散堆积层(Q4)和泥盆系中统养马坝组基岩(D2y)为主，据钻探揭露的土体结构由新至老分为三层：第一层为杂填土，主要为根植土、道路修建时堆弃的粉质黏土，土性不均匀，层厚为0～3.2 m，分布于该段道路的下部及西南侧；第二层为粉质黏土，黄灰色稍有光泽，稍湿非饱和，该层遍布勘察区，厚度变化在1.8～6.0 m之间；第三层为泥盆系中统养马坝组基岩，杂色粉砂质泥岩和变质砂岩互层，RQD指标50%～65%，岩芯呈柱状。

该区地面河流为平通河，地下水主要的补给来源是大气降水及斜坡上方岩土层中地下水，该场地排水条件一般，由该滑坡的地层结构和水文条件可以得出，该段道路修建在杂填土和粉质黏土层之上，此不利地层为滑坡的产生创造了一定条件，且东北侧山体大量孔隙水所产生的渗流影响不可忽略。

2 滑坡机理分析

根据现场调查，在该滑坡的剪出口位置发现较大量的地下水集中渗出现象，由此可以断定该滑坡除了与交通荷载有关，还与地下水的渗流有着密切的关系，需明确渗流作用对土体的应力应变的影响。

2.1 渗流的蠕滑理论分析

土坡在雨水入渗条件下，将引起非饱和带中的土体基质吸力的变化，从而导致非饱和带中的土体相应变形，这一部分蠕变位移是对土坡影响非常大。根据沈珠江的非饱和土弹塑性应力-应变模型[3]，非饱和土体体积应变Δεv由基质吸力变化Δus引起，即:

(1)

式中：m为拟合系数，e0为初始孔隙比，es为稳定孔隙比。

而非饱和土体剪切应变Δεs也是由基质吸力Δus变化引起的，即:

(2)

式中：m为拟合系数，e0为初始孔隙比，es为稳定孔隙比，η为剪切比，ηf为非饱和土处于破坏状态的剪切比，各个参数表达式如下:

(3)

(4)

(5)

εv=ε1+ε2+ε3

(6)

(7)

上式中ε1,ε2,ε3分别为土体3个方向的位移分量。显然，基质吸力us的变化引起的非饱和土的剪切应变Δεs与体积应变Δεv在数值上是一致的，即:

(8)

式(8)说明雨水入渗引起的非饱和土坡的剪切应变除了与自身性质和基质吸力有关，也与边坡的应力状况有关。在考虑基质吸力的情况下，饱和土体和非饱和土体的抗剪强度也会发生相应的改变，原因是非饱和土体的抗剪强度将上述公式中的基质吸力所造成的孔隙气压力及水压力考虑在内。

浸润线[4](h=0)以下饱和区内，沿滑动破坏面的抗剪强度为:

τ=c′+(σ-uw)tanφ′

(9)

其中：τ为剪切强度，c'为有效黏聚力，φ'为有效内摩擦角，σ为总应力，uw为孔隙水压力。

在非饱和区内，沿滑动破坏面的抗剪强度公式可以引用非饱和土强度理论中推导的公式，应用Fredlund和Morgenstern[5](1978)提出的双应力变量理论公式:

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+ustanφb

(10)

其中：τ为剪切强度，c'为有效黏聚力，φ'为有效内摩擦角，φb为吸力内摩擦角，σ为总应力，ua为孔隙气压力，us为破坏面上的基质吸力。

2.2 雨水入渗条件下滑坡体稳定性有限元分析

考虑入渗条件下的有限元数值分析以上述蠕滑理论为基础，将基质吸力函数及土层土水特征函数引入到有限元的分析中，以明确降雨入渗对滑坡土体的影响，并通过强度折减法对滑坡体进行分析，得到滑坡土体的变形及应力应变情况。

2.2.1 模型及参数选取

有限元分析中采用应用广泛的摩尔-库仑(Mohr-Coulomb) 屈服准则，几何模型网格划分如图3所示。土体参数通过室内试验确定，如表1所示。土水特征曲线SWCC采用压力板仪测得，如图4所示。

表1 滑坡土体参数Table 1 Parameters of Landslide Soil

图3 有限元模型及网格划分Fig.3 Finite element model and mesh generation

2.2.2 不考虑及考虑雨水入渗滑坡稳定对比分析

进行滑坡稳定性分析时，主要采用两种工况，其一是在天然工况下利用强度折减法[6]计算滑坡稳定性；其二是考虑滑坡土体的非饱和渗流特性进行

图4 土层土水特征曲线Fig. 4 Soil SWCC

滑坡稳定性分析。两种工况的滑坡稳定分析中，均在道路上施加了30 kPa的均布荷载，以模拟行车荷载作用。

对滑坡体在行车荷载(30 kPa)作用下采用强度折减法进行边坡的稳定性计算，获得了：(1)不考虑降雨入渗和考虑降雨入渗土体位移云图及剪应力云图，如图5、图6所示；(2)考虑降雨入渗和考虑降雨入渗土体位移云图及剪应力云图，如图7、图8所示；(3)考虑降雨入渗土体塑性区图，如图9所示。

图5所示不考虑降雨入渗滑坡的变形云图表明滑坡整体位移分布较为均匀，分布区域大致为基岩以上的杂填土层和粉质黏土层，平均位移为1～2 cm，路面处并未出现较大的位移变化。图6所示不考虑降雨入渗滑坡的变形云图表明剪应力分布也均匀分布在杂填土层和粉质黏土层的中下部，约为2～4 kPa，在滑坡剪出口局部位置出现了较大值，约6 kPa。在此种工况下计算得安全系数为1.12，说明

图5 不考虑雨水入渗土体位移云图Fig.5 Displacement cloud without considering rainwater infiltration

图6 不考虑雨水入渗土体最大剪应力云图Fig.6 The maximum shear stress cloud without considering rainwater infiltration

图7 考虑雨水入渗土体位移云图Fig.7 Displacement cloud with rainwater infiltration considered

图8 考虑雨水入渗土体最大剪应力云图Fig.8 The maximum shear stress cloud with rainwater infiltration considered

图9 考虑雨水入渗土体塑性区Fig.9 Plastic zone with rainwater infiltration considered

路基承载力及持力层尚能满足行车荷载及变形要求，即在天然工况下该段边坡处于基本稳定状态，且分析结果与现场勘察到的由于蠕滑造成多条纵横向贯通裂隙并不相符。上述分析说明该种工况下的变形主要是由行车荷载所造成的持力层土体的位移，对滑坡的形成发展不足以产生决定性影响，说明该滑坡的主要原因并非仅由行车荷载引起。

图7所示考虑降雨入渗滑坡的变形云图表明：与第一种工况相比，在路面荷载和基质吸力的影响下，杂填土层和粉质黏土层的位移扩展到整个边坡带且明显增大，其中道路的下方2～5 m深度位置最大位移达到4～6 cm。其原因为：在非饱和渗流影响下，该位置处水头压力最大，粉质黏土中的部分粉粒在水头压力下随着孔隙水向平通河方向逐渐移动，从而导致此处的位移明显增大。同时道路路面受到持力层位移的影响，位移明显增大，达到2～3 cm。图8所示考虑降雨入渗滑坡的最大剪应力云图表明：滑坡的最大剪应力分布在滑坡的中部约7～9 kPa，并延伸至滑坡体剪出口处，其余部位平均应力增大至4～6 kPa。其原因是考虑非饱和渗流因素，杂填土和粉质黏土的强度明显降低而边坡的自重增大，加之行车荷载的影响，导致最大剪应力发生剧变。该工况下，分析结果与路面的裂缝情况基本吻合，此时所得滑坡稳定性系数为0.87，显然处于不稳定状态，这与现场勘察结果一致。

对考虑非饱和渗流作用的滑坡的塑性区(图9)进行分析，可见塑性区已经贯通整个杂填土层和粉质黏土层，杂填土由于本身承载力较低，几乎完全处于塑性变形状态。

综上所述，行车荷载作用、非饱和渗流作用使滑坡土体强度降低及降雨条件下土体自重增大以致塑性区扩展是该段公路边坡的主要因素。在这3种因素共同作用下塑性区贯通，最终造成滑坡的发生，其中，降雨入渗引起的非饱和渗流作用为滑坡的主要诱因。

3 结论

本文运用非饱和土渗流理论与有限元数值模拟方法，并采用强度折减法进行了九环线K236+500段边坡在不考虑和考虑非饱和渗流作用的两种工况下的对比分析。获得了有关九环线K236+500段土质边坡滑坡成因的重要结论：除行车荷载作用外，降雨入渗引起的非饱和渗流是该滑坡的重要诱因，其机理为非饱和土体的渗流作用导致土体基质吸力减小，并引起土体抗剪强度降低。工况对比分析中考虑非饱和土体渗流作用下的计算分析结果与现场勘察结果吻合良好，说明采用非饱和土体渗流理论进行降雨条件下滑坡成因分析是可行的，且考虑降雨条件下非饱和渗流作用的土质边坡稳定性分析在土质滑坡分析中需引起重视。

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Cause Analysis of the Landslide at the K236+500M Site of Jiu-Huan Line under the Unsaturated Seepage Effect

YAN Xiao-qi, WANG Ning, LIU De-gui, JIANG Zhao-hua

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010,Sichuan,China)

Slope always loses stability due to the rainwater seepage, but the traditional slope stability calculation, which does not take into account the impact of unsaturated seepage effect, cannot clearly and fully reflect all the reasons of the landslide. Based on the unsaturated soil shear strength theory, calculating the influence of the matric suction and using the numerical simulation method, a comparative analysis of the slope stability at the Jiu-Huan line K236+500M site was conducted under the conditions of considering unsaturated seepage and no unsaturated seepage. The results show that the unsaturated seepage is one of the main inducements of the landslide at the K236+500M site of Jiu-Huan line.

Unsaturated seepage; Finite element method; Landslide; Stability

2014-09-18

闫小旗(1988—)，男，硕士研究生，主要研究方向为地质灾害治理。E-mail：511340763@qq.com

P642.22

A

1671-8755(2015)01-0041-05