CN108733961B - 一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，具体包括以下步骤：（1）获取研究边坡的形态特征信息以及边坡土体相应的地质和水文参数；（2）通过分段取点实测或者利用边坡初始边界条件模拟的方法获取边坡内部的初始条件；（3）依据滑坡诱发因素作用下边坡边界条件的相应变化，模拟随后边坡内部的水文过程，并得出各个时刻的边坡内部水位线；（4）利用边坡稳定安全系数计算公式计算实时边坡稳定系数，并绘出边坡最小稳定安全系数变化流程线；（5）根据边坡最小稳定安全系数的变化流程线分析边坡最早的失稳时间及相应的失稳面积；本发明能获得更为准确的实时稳定安全系数计算结果，用以评判边坡的稳定性以及预测失稳时间，为滑坡灾害的预报及防护提供更有效的参考模型。

Description

一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法

技术领域

本发明涉及评估浅层边坡在滑坡诱发因素作用下的滑移稳定性，具体提出一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法。

背景技术

浅层滑坡是一种频繁发生且后果严重的自然灾害，在世界各地多有发生，给社会经济造成了巨大损失，也给人们的生活埋下潜藏着的危险。而随着社会经济快速发展，在人类改造自然的过程中，边坡失稳在山区、河道亦或是新开挖的道路旁频繁发生，对人民的生命安全、经济安全造成了不可忽视的损失。是否能够准确地计算出边坡的稳定性及失稳时间，对于保障人民生命安全，减小不必要的社会经济损失具有重要的意义。

目前边坡稳定性研究大都是抽象化的，往往都是基于宏观尺度，而像非饱和区对边坡稳定性的影响在之前的研究中并不被重视。如今人们逐渐发现并证明了非饱和区的微观作用对土体内部水分分布及运移的重要性，这也意味着非饱和区作用对边坡稳定性也有着重要影响。因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的主要目的在于，鉴于非饱和区在滑坡失稳研究中的重要性，本发明的目的在于提供了一种考虑非饱和区的边坡滑移稳定性判别方法，旨在阐明非饱和区在浅层滑坡问题上的重要作用及影响机制，改进现有的滑坡分析理论，提出考虑非饱和区作用的滑坡分析理论，能获得更为准确的实时边坡安全系数计算结果，用以评判边坡的稳定性以及预测失稳时间，为滑坡灾害的预报及防护提供更有效的参考模型。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，包括以下步骤：

步骤1，基于试验测量和历史数据取得研究边坡的形态特征信息以及边坡土体的地质参数和水文参数；

步骤2，建立坐标系，沿坡长方向分段取点测量边坡内部的初始条件(初始水位或者含水量条件)，或者利用边坡初始边界条件来模拟边坡内部的初始条件，建立一维水文模型；

步骤3，依据滑坡诱发因素作用下边坡边界条件的相应变化，模拟滑坡诱发因素作用下随后边坡内部的水文过程，并得出各个时刻的边坡内部水位线；

步骤4，在模拟随后边坡内部水文过程的同时，将各个时刻的水位线和相应边坡内部含水量分布信息代入边坡稳定安全系数计算公式(公式(4))计算实时边坡最小稳定安全系数，并分析绘出边坡最小稳定安全系数变化流程线；

步骤5，分析边坡最小稳定安全系数变化过程线，判断边坡的最早失稳时间与相应的失稳面积。

在步骤1获得边坡土体的水文参数时，利用公式(1)由原始的VG(Van Genuchte)参数取得改进后的VG参数，对非饱和区内部的含水率和渗透率进行重新计算，以方便进行积分计算获取非饱和区整体含水量及其渗透能力，从而便于考虑非饱和流的作用：

式中：θ是土体含水率，θ_s和θ_r分别是土体饱和含水率和残余含水率；K_s和K(ψ)分别是饱和土和非饱和土的渗透系数；ψ是基质吸力；n₁、n₂、α、β是改进后的VG函数参数。

坐标系的横坐标轴x方向与坡面平行并指向上游，纵坐标z轴方向与坡面垂直并指向上方，零点位于下游坡脚内部。

步骤2模拟边坡内部的初始条件与水文过程时考虑非饱和区对边坡内部水分运移和水分分布的影响；忽略垂直方向与侧向的流动，考虑沿坡长方向的流动，一维水文模型的控制方程表达为式(2)：

非饱和的作用为非饱和区的储水能力以及非饱和区内的侧向流动，考虑了非饱和作用后：

式中：w是宽度；q是单宽流量；N是由于降雨因素引起的单位面积含水量变化量；t是时间，q_s和q_us分别是饱和土和非饱和土的单宽流量；h是边坡内部水位高度；D是边坡厚度；i是边坡度；f是排水密度；x、z则分别指示横、纵坐标轴方向(x指横坐标方向，仅是方向，是变量)。

在步骤4计算稳定安全系数时沿坡长方向分块计算，边坡稳定安全系数计算公式为：

式中：F_sn是边坡的稳定安全系数；τ_f是抗剪能力；τ是下滑力；c′是土体有效内粘聚力；n代指沿坡长方向的分段；G是土体自重；γ_w是水容重；

是土体有效内摩擦角。

其中的土体自重G基于步骤3中得到的水位线和步骤1中的改进VG函数求得：

式中：γ是土体湿重度，γ_d是土体干容重。

在步骤4中衡量边坡的稳定性时，不仅计算了边坡的整体稳定安全系数，同时计算边坡的局部稳定安全系数，在每一时刻取其中最小的值作为稳定安全系数来判断边坡的实时稳定性：

F_s＝min F_sm(m＝1，2，...，n)(6)

式中：F_sm是边坡的局部稳定安全系数，等于第m块及其下方土体的整体稳定性，n为分块数量；绘出边坡最小稳定安全系数变化过程线。

步骤5通过分析步骤4中得到的边坡最小稳定安全系数变化过程线，从中判断边坡的最早失稳时间与相应的失稳面积。

本发明的有益效果包括：

本发明通过提供一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，在判断在滑坡诱发因素作用下的浅层边坡滑移稳定性时，能够考虑非饱和区对边坡内部水分运移和水分分布的影响，既而能够考虑非饱和区对边坡稳定性的影响，可以更为准确地得到边坡实时的稳定安全系数及失稳时间；通过把方程一维化，把边坡稳定性的复杂问题简单化，具有简便实用的突出特点；为滑坡灾害的预报及防护提供更有效的参考模型。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1是本发明一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法流程图；

图2是本发明中所采用的模型特征及坐标系取向图；

图3是本发明中研究边坡的内部初始水位图；

图4a-4f是本发明中在滑坡诱发因素作用下随后的研究边坡内部水文过程变化图；

图4a是边坡内部初始水位；

图4b是2.7小时后的边坡内部水位；

图4c是8.3小时后的边坡内部水位；

图4d是16.6小时后的边坡内部水位；

图4e是27.7小时后的边坡内部水位；

图4f是边坡内部稳定水位；

图5是本发明中边坡最小稳定安全系数变化过程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，包括以下步骤：

步骤1，基于试验测量和历史数据取得研究边坡的形态特征信息以及边坡土体的地质参数和水文参数；

在本实例中，边坡形态特征与内部土体的相应地质和水文参数如表1与表2所示。

表1边坡形态特征与边界条件

表2边坡内部土体的地质和水文参数

步骤2，建立坐标系，沿坡长方向分段取点测量边坡内部的初始条件(初始条件为初始水位或者含水量条件)，或者利用边坡初始边界条件来模拟边坡内部的初始条件，建立一维水文模型；在本实例中，根据自然情况下边坡上游的初始水位0.3m，以及边坡下游的初始水位0.1m，模拟边坡内部初始水位线，模拟结果如图3所示。

步骤3，依据滑坡诱发因素作用下边坡边界条件的相应变化，模拟滑坡诱发因素作用下随后边坡内部的水文过程，并得出各个时刻的边坡内部水位线；在本实例中，由于水库蓄水，边坡上游河道水位将显著抬高到1.5m，并能够维持一定时间。上游水分不断渗入边坡将引起边坡内部水位逐渐抬高，对边坡稳定性十分不利，边坡内部的水文过程的模拟结果如图4a-4f所示。

步骤4，在模拟随后边坡内部水文过程的同时，将各个时刻的水位线和相应边坡内部含水量分布信息代入边坡稳定安全系数计算公式(公式(4))计算实时边坡最小稳定安全系数，并分析绘出边坡最小稳定安全系数变化流程线；

步骤5，分析边坡最小稳定安全系数变化过程线，判断边坡的最早失稳时间与相应的失稳面积。

在步骤1获得边坡土体的水文参数时，利用公式(1)由原始的VG(Van Genuchte)参数取得改进后的VG参数，对非饱和区内部的含水率和渗透率进行重新计算，以方便进行积分计算获取非饱和区整体含水量及其渗透能力，从而便于考虑非饱和流的作用：

式中：θ是土体含水率，θ_s和θ_r分别是土体饱和含水率和残余含水率；K_s和K(ψ)分别是饱和土和非饱和土的渗透系数；ψ是基质吸力；n₁、n₂、α、β是改进后的VG函数参数(n₁、n₂、α、β根据实验测量获取)。

如图2所示，坐标系的横坐标轴x方向与坡面平行并指向上游，纵坐标z轴方向与坡面垂直并指向上方，零点位于下游坡脚内部。

步骤2模拟边坡内部的初始条件与水文过程时考虑非饱和区对边坡内部水分运移和水分分布的影响；忽略垂直方向与侧向的流动，考虑沿坡长方向的流动，一维水文模型的控制方程表达为式(2)：

非饱和的作用具体体现在非饱和区的储水能力以及非饱和区内的侧向流动，考虑了非饱和作用后：

式中：w是宽度；q是单宽流量；N是由于降雨因素引起的单位面积含水量变化量；t是时间，q_s和q_us分别是饱和土和非饱和土的单宽流量；h是边坡内部水位高度；D是边坡厚度；i是边坡度；f是排水密度；x，z则分别指示横、纵坐标轴方向。

在步骤4计算稳定安全系数时沿坡长方向分块计算，求解边坡稳定安全系数公式为式(4)：

式中：F_sn是边坡的稳定安全系数；τ_f是抗剪能力；τ是下滑力；c′是土体有效内粘聚力；n代指沿坡长方向的分段；G是土体自重；γ_w是水容重；

是土体有效内摩擦角。

其中的土体自重G基于步骤3中得到的水位线和步骤1中的改进VG函数求得：

式中：γ是土体湿重度，γ_d是土体干容重，z是坐标系的纵坐标方向；

在步骤4中衡量边坡的稳定性时，不仅计算了边坡的整体稳定安全系数，同时计算边坡的局部稳定安全系数，在每一时刻取其中最小的值作为稳定安全系数来判断边坡的实时稳定性：

F_s＝min F_sm(m＝1，2，...，n)(6)

式中：F_sm是边坡的局部稳定安全系数，大小等于第m块及其下方土体的整体稳定性，n为分块数量；绘出边坡最小稳定安全系数变化过程线。

步骤5通过分析步骤4中得到的边坡最小稳定安全系数变化过程线，从中判断边坡的最早失稳时间与相应的失稳面积。

在本实例中不需要计算边坡的局部稳定性。利用各个时刻的水位线和改进的VG函数，得出非饱和区的相应含水量分布，并一同代入浅层滑坡公式计算边坡整体稳定系数，也就是实时边坡最小稳定系数，得到边坡最小稳定性变化流程线，流程线模拟结果如图5所示。

步骤5：分析边坡最小稳定安全系数变化过程线，从中判断边坡的最早失稳时间与相应的失稳面积。在本实例中，由于边坡倾向于整体滑坡，所以失稳面积等同于边坡整体面积，失稳时间也就是边坡整体失稳时间，如图5所示，本实施例大约在2.2天后发生滑坡。

本发明通过提供一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，建立了能够考虑非饱和区作用的滑坡分析理论，可以更为准确地得到边坡实时的稳定系数及失稳时间；通过把方程一维化，把边坡稳定性的复杂问题简单化，具有简便实用的突出特点；为滑坡灾害的预报及防护提供更有效的参考模型。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于试验测量和历史数据取得研究边坡的形态特征信息以及边坡土体的地质参数和水文参数；

步骤2，建立坐标系，沿坡长方向分段取点测量边坡内部的初始条件，或者利用边坡初始边界条件来模拟边坡内部的初始条件，建立一维水文模型；

步骤3，依据滑坡诱发因素作用下边坡边界条件的相应变化，模拟滑坡诱发因素作用下随后边坡内部的水文过程，并得出各个时刻的边坡内部水位线；

步骤4，在模拟随后边坡内部水文过程的同时，将各个时刻的水位线和相应边坡内部含水量分布信息代入边坡稳定安全系数计算公式计算实时边坡最小稳定安全系数，并分析绘出边坡最小稳定安全系数变化流程线；

步骤5，分析边坡最小稳定安全系数变化过程线，判断边坡的最早失稳时间与相应的失稳面积；

在步骤4计算稳定安全系数时沿坡长方向分块计算，边坡稳定安全系数计算公式为：

式中：F_sn是边坡的稳定安全系数；τ_f是抗剪能力；τ是下滑力；c′是土体有效内粘聚力；n代指沿坡长方向的分段；G是土体自重；γ_w是水容重；

是土体有效内摩擦角；

土体自重G基于步骤3中得到的水位线和步骤1中的改进VG函数求得：

其中：γ是土体湿重度，γ_d是土体干容重在步骤4中衡量边坡的稳定性时，不仅计算了边坡的整体稳定安全系数，同时计算边坡的局部稳定安全系数，在每一时刻取其中最小的值作为稳定安全系数来判断边坡的实时稳定性：

F_s＝min F_sm(m＝1,2,…,n) (6)

其中：F_sm是边坡的局部稳定安全系数，等于第m块及其下方土体的整体稳定性，n为分块数量；

绘出边坡最小稳定安全系数变化过程线。

2.根据权利要求1所述的一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，其特征在于：

在步骤1获得边坡土体的水文参数时，基于公式(1)由原始的VG参数取得改进后的VG参数，对非饱和区内部的含水率和渗透率进行重新计算：

式中：θ是土体含水率，θ_s和θ_r分别是土体饱和含水率和残余含水率；K_s和K(ψ)分别是饱和土和非饱和土的渗透系数；ψ是基质吸力；n₁、n₂、α、β是改进后的VG函数参数。

3.根据权利要求1所述的一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，其特征在于：

坐标系的横坐标轴x方向与坡面平行并指向上游，纵坐标z轴方向与坡面垂直并指向上方，零点位于下游坡脚内部。

4.根据权利要求1所述的一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，其特征在于：

步骤2模拟边坡内部的初始条件与水文过程时考虑非饱和区对边坡内部水分运移和水分分布的影响；忽略垂直方向与侧向的流动，考虑沿坡长方向的流动，一维水文模型的控制方程表达为式(2)：

非饱和区的作用为在非饱和区的储水能力以及非饱和区内的侧向流动，考虑了非饱和作用后：

式中：w是宽度；q是单宽流量；N是由于降雨因素引起的单位面积含水量变化量；t是时间，q_s和q_us分别是饱和土和非饱和土的单宽流量；h是边坡内部水位高度；D是边坡厚度；i是边坡度；f是排水密度；x、z则分别指示横、纵坐标轴方向。

5.根据权利要求1所述的一种考虑非饱和区作用的边坡滑移稳定性判别方法，其特征在于：

步骤5通过分析步骤4中得到的边坡最小稳定安全系数变化过程线，从中判断边坡的最早失稳时间与相应的失稳面积。

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