CN112255157A - 基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法，步骤S1、基于SEEP/W软件建立SEEP/W模型模拟渗流场变化并基于实测数据对模型进行校准；步骤S2、选取降雨数据作为输入，对模型进行率定；选取不同深度观测的土体含水率对模型进行分别率定；步骤S3、耦合Slope/W模块分析基质吸力和边坡稳定的关系，从而得出不用时段，不同情境下的边坡安全系数，进而对边坡稳定性进行综合分析。

Description

基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法

技术领域

本发明属于水土模拟分析技术领域，涉及一种边坡稳定性模拟分析方法。

背景技术

滑坡、泥石流等灾害高发于非饱和土壤区域内，其主要诱因多为连续性降雨或突发性 大暴雨。降雨渗入到非饱和土体中，土体基质吸力(负的孔隙水压力)随入渗雨量的增加 而减小，导致边坡抗剪强度降低，当滑裂面上的抗剪强度低于下滑力时，斜坡处于失稳状 态，易发生滑坡等岩土工程灾害。

在岩土工程等相关领域，国内外很多学者、专家针对受降雨渗流影响的边坡稳定性变化进行了大量的研究。Lumb(1962)采用了一种简化的一维垂直入渗模型对中国香港地区受降雨影响的边坡进行了模拟分析。模拟结果定性地指出了中国香港地区的边坡稳定性不但受土体入渗能力的影响还与坡面降雨的大小、强度有关。Shimada等(1995)在利用Galerkin有限元法模拟二维渗流场的结果基础上，应用缸体弹簧模型对边坡稳定性进行了模拟分析。最终归纳出了不同降雨强度、时长下的基质吸力变化及对边坡稳定性的影响。高小育等 (2004)依据Biot(1940)建立的考虑饱和土体的Biot动力固结理论模型，建立了应力场与渗流场的耦合方程组并对在渗流作用下的土坝最小安全系数进行了计算，进一步验证了渗流场变化对坝体稳定性的影响。廖红建等(2008)利用Geo Studio软件，采用Morgenstern-Price条分法计算不同渗流场下堤坝的稳定性系数。研究重点面向水库水位骤降对堤坝稳定性的影响，通过考虑非饱和土体渗透能力、基质吸力在骤变水位影响下的变化计算边坡稳定性波动，对水库库区堤坝工程建设具有一定的指导意义。同样应用 Geo-Studio软件，黄新智和刘俊俊(2015)对兰州市兰山后山南部马兰黄土边坡在不同降雨入渗条件下的稳定性进行了分析。作为一种典型的非饱和土，针对马兰黄土构成边坡的研究具有一定的代表性。其研究发现(1)体积含水率会直接影响孔隙水压力大小，二者之间存在正比关系；(2)边坡安全系数随雨时增长而降低；(3)非饱和黄土边坡抗剪强度随深度表现为先增加后减小的类似抛物线的关系。朱松悦和杨和平(2018)应用ABAQUS 软件采用强度折减法对土质边坡在地下水渗流场影响下的稳定性展开了分析。结果表明，在考虑地下水渗流作用后，土体水平位移急剧增大，稳定性大大降低。再次证明了地下水渗流是影响边坡稳定性的一个重要因素。

经过多年的理论、模型研究，渗流场变化作为边坡稳定性的一个重要影响因素已经被广大的岩土工程学者所接受。但是，受限于监测数据的不足，大部分的模拟分析还仅停留在实验模拟或假设模拟，而针对实际滑坡案例的模拟分析目前并不充分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法，用于对滑坡防护、加固，抢险预警等工作提出指导与参考意见。

为实现上述目的，本发明采用了下述技术方案。一种基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法

步骤S1、基于SEEP/W软件建立SEEP/W模型模拟渗流场变化并基于实测数据对模型进行校准；

步骤S2、选取降雨数据作为输入，对模型进行率定；选取不同深度观测的土体含水率对模型进行分别率定；

步骤S3、耦合Slope/W模块分析基质吸力和边坡稳定的关系，从而得出不用时段，不同情境下的边坡安全系数，进而对边坡稳定性进行综合分析。

步骤S1中,渗流计算(SEEP/W)模型构建过程如下：

SEEP/W是基于非饱和土力学的有限元方法进行土体渗流分析的数值模拟软件。SEEP/W 的理论公式基于饱和于非饱和土体渗流的二维达西公式：

式中，H为总水头(L)；k_x，k_y分别为x，y方向的渗流系数(LT^-1)；Q为施加的边界流量(L³T^-1)；θ为单位体积的含水量(L³L^-3)。T为时间(T)。该方程说明在某一点处一定时间内流体流入与流出单元体的差等于土体单元储水量的变化。在SEEP/W中，假定总应力不变且瞬态孔隙的气压保持为恒定大气压，单位体积含水量的变化与孔隙水压力变化成函数关系：

式中，u_w为孔隙水压力(ML^-2)，m_w为储水曲线的斜率(-)。进而总水头可定义为：

式中，γ_w为谁的容重(ML^-3)，y为高程(L)。由于高程为常量，其对时间的导数为零，则最终用于SEEP/W有限元计算的控制方程为：

步骤S3中,边坡稳定性计算(Slope/W)分析过程如下：

Sloep/W是Geo-Studio中基于极限平衡理论(GLE)分析边坡稳定性的专业计算软件。极限平衡法是建立在两个安全系数(力矩平衡安全系数：F_m和水平力平衡安全系数：F_f)计算方程的基础上，并且允许条间力的剪切力-法向力在一定范围内变化。基于Morgenstern和Price在1965年提出的方法，条间剪切力表示为：

X＝Eλf(x) (13)

式中，f(x)表示函数；λ为函数所用的百分数(小数形式)；E为条间法向力(M)；X为条间剪切力(M)。进而提出GLE安全系数方程组：

式中，c′为有效粘聚力(M)；

为有效摩擦角(°)；u为孔隙水压力(ML^-2)；N为土条底部法向力(M)；W为土条重量(M)；D为集中荷载(ML^-2)；β，R，x，f，d，ω为几何参数(-)；α为土条底部倾角(°)。

本发明的有益效果：本发明对边坡分别进行建模模拟。针对2013年7月发生的山体滑坡，对照实测土壤含水量变化，进行模型率定。并应用率定后基本符合实际情况的模型进行多重阈值分析，对降雨入渗量与边坡稳定性的关系进行定量分析，得到临界阈值。分析结果具有一定的社会意义，对今后宝塔山地区滑坡防护、加固，抢险预警等工作提出指导与参考意见。可推广用于边坡稳定性分析。

附图说明

图1是宝塔山滑坡监测布置图。

图2是宝塔山土体含水率变化监测数据(2008-2012)。

图3为宝塔山2013年07月土体含水率监测曲线及坡体滑坡状况。

图4是宝塔山西南部(2#)边坡渗流模拟模型。

图5是宝塔山西南部(2#)边坡渗流场模拟校正。

图6是宝塔山西部(1#)2013年7月暴雨中稳定性分析结果。

图7是不同参数条件下入渗雨量与边坡稳定性关系。

图8时由于表层土壤超饱和引起的边坡滑体位移。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。

宝塔山位于陕西省延安市，建成于松软的黄土山体之上，四周沟谷深切。山体南北长约320米，东西宽30米至150米，山顶高程1043.4米，坡度30°至80°。宝塔山底层结构为第四系黄土下伏侏罗系砂岩，黄土平均厚度20米至30米，最大厚度63.6米。新中国成立之后，在自然和人为因素的影响下，宝塔山地区多发小规模土体崩塌现象，宝塔距离斜坡边缘仅余19米，对宝塔的安全构成了严重的威胁。其中地处宝塔山西南部由新、老两个滑坡符合形成的1#滑坡面积最大。滑坡东西长85米，南北宽95米，滑体坡度45°至50°，后缘高程1040米，剪出口高程974米。老滑体坡画最大厚度20米，总体积9.4×10⁴立方米。新滑体位于老滑体中部，为老滑体浅层滑体土再次滑动形成，坡面呈多级台阶和陡坎，坎高2

宝塔山滑坡监测工作主要包括钻孔倾斜仪深部位移监测、降雨量监测、TDR含水率监 测、三维变形监测和视频监测，布置如图(图1)所示。由于西面滑坡(1#)对宝塔山的 威胁最大，因此在西面滑坡体上呈三角形布置3个钻孔倾斜仪观测孔，上部1个钻孔的孔深 为35.50米，下部2个钻孔的孔深分别为12.35米和16.00米，共安装C12固定式钻孔倾斜仪 11个，外接数据采集器，观测测斜管口至不同深度的位移量，确定岩土体发生位移的位置、 大小、方向及变化速率，分析判定西面滑坡体的稳定性。为了同时观测降雨入渗引起土壤 含水率的变化，选择宝塔山崩塌东南部的自然斜坡体(2#)作为含水量及降雨量监测点， 共设置了4个TDR含水量观测井，单井深度分别为4.0米，8.0米，3.0米，4.0米，在各井内 不同深度处共安装TDR含水率传感器探头20个，外接数据采集器。同时，在斜坡表面安装1 个自动雨量计。

土壤含水率在监测剖面方向不仅受土地质地、容重等自身因素的限制，而且还受到降雨、蒸发等外界因素的影响。根据监测数据显示(图2)，宝塔山坡面土体含水率与降雨量呈正相关关系。土体含水率随降雨量的增大而增大，但其增长具有一定的之后性。外界因素(降雨等)对土体含水率的影响随深度的增加逐渐减小：(1)0米至0.2米土层对降雨入渗反映最大；(2)随深度增加，土体含水率变化呈波动式减小趋势；(3)深度5 米以下土壤含水率变化不明显。

通过近年来对宝塔山滑坡体深部位移的监测发现，宝塔山基底整体稳定，发生整体 滑动产生大型滑坡的可能性较小。但在极端气候条件下，宝塔山崩滑灾害隐患依然严重。 降雨入渗致使斜坡土体含水率升高，抗剪强度降低，发生浅层滑坡和中小型崩塌的可能性 很大，从而危及宝塔山安全。例如，2013年7月延安地区极端降雨致使宝塔山坡体的浅表 层土体含水率达到饱和(图3)，诱发了宝塔山滑坡浅表层局部滑塌。

基于宝塔山东南部(2#)土壤含水率监测数据及西部(1#)土工试验数据，选取Geo-Studio软件进行陕西延安宝塔山降雨渗流对边坡稳定性影响研究分析。Geo-Studio是一套适用于岩土工程模拟的计算软件。SEEP/W作为Geo-Studio软件的一个重要组成模块，可以分析稳态、瞬态渗流。本发明在SEEP/W运算模拟渗流场结果基础上，耦合Slope/W模块分析基质吸力和边坡稳定的关系，从而得出不用时段，不同情境下的边坡安全系数，进而对边坡稳定性进行综合分析，具体过程如下：

步骤S1、基于SEEP/W软件建立SEEP/W模型模拟渗流场变化并基于实测数据对模型进行校准；

步骤S2、选取降雨数据作为输入，对模型进行率定；选取不同深度观测的土体含水率对模型进行分别率定；

步骤S3、耦合Slope/W模块分析基质吸力和边坡稳定的关系，从而得出不用时段，不同情境下的边坡安全系数，进而对边坡稳定性进行综合分析。

步骤S1中,渗流计算(SEEP/W)模型构建过程如下：

SEEP/W是基于非饱和土力学的有限元方法进行土体渗流分析的数值模拟软件。SEEP/W 的理论公式基于饱和于非饱和土体渗流的二维达西公式：

式中，H为总水头(L)；k_x，k_y分别为x，y方向的渗流系数(LT^-1)；Q为施加的边界流量(L³T^-1)；θ为单位体积的含水量(L³L^-3)。T为时间(T)。该方程说明在某一点处一定时间内流体流入与流出单元体的差等于土体单元储水量的变化。在SEEP/W中，假定总应力不变且瞬态孔隙的气压保持为恒定大气压，单位体积含水量的变化与孔隙水压力变化成函数关系：

式中，u_w为孔隙水压力(ML^-2)，m_w为储水曲线的斜率(-)。进而总水头可定义为：

式中，γ_w为谁的容重(ML^-3)，y为高程(L)。由于高程为常量，其对时间的导数为零，则最终用于SEEP/W有限元计算的控制方程为：

步骤S3中,边坡稳定性计算(Slope/W)分析过程如下：

Sloep/W是Geo-Studio中基于极限平衡理论(GLE)分析边坡稳定性的专业计算软件。极限平衡法是建立在两个安全系数(力矩平衡安全系数：F_m和水平力平衡安全系数：F_f)计算方程的基础上，并且允许条间力的剪切力-法向力在一定范围内变化。基于Morgenstern和Price在1965年提出的方法，条间剪切力表示为：

X＝Eλf(x) (19)

式中，f(x)表示函数；λ为函数所用的百分数(小数形式)；E为条间法向力(M)；X为条间剪切力(M)。进而提出GLE安全系数方程组：

式中，c′为有效粘聚力(M)；

为有效摩擦角(°)；u为孔隙水压力(ML^-2)；N为土条底部法向力(M)；W为土条重量(M)；D为集中荷载(ML^-2)；β，R，x，f，d，ω为几何参数(-)；α为土条底部倾角(°)。

模拟分析

从监测及历史资料得出，宝塔山西部(1#)边坡存在较大山体滑坡隐患，由于平日土层已有一定扰动，不利于布设含水率监测点，因此直接模拟西部(1#)边坡的渗流场与边坡稳定性面临较大的数据缺失问题。本次研究首先选择西南部(2#)边坡进行建模模拟，由于在西南部(2#)边坡已积累了大量土壤含水量实测数据，因此，模型将以2#边坡的实测数据进行校准。校准后的土壤数据将用于西部(1#)边坡的稳定性分析及情景设计模拟，分析得出宝塔山1#边坡滑体滑动的降雨入渗阈值。

渗流模型构建及校准

选取宝塔山西南部2#边坡，建立SEEP/W模型模拟渗流场变化并基于实测数据对模型进行校准。参考山西地区黄土基质吸力与含水量关系，去除异质样本，拟合得到关系式为：

w＝12.902×s^-0.036+5.488×s^-0.576 (21)

式中w为土壤含水量(-)，s为基质吸力(ML^-2)。

而土体基质吸力与渗透系数的关系则参考吴礼州和黄润秋(2011)对非饱和土渗流及其影响参数的分析成果中基于van Genuchten模型的非饱和土导水率与有效饱和度的关系：

式中，k为非饱和土水力传导系数(LT^-1)；k_s为饱和土水力传导系数(LT^-1)；s_e为有效饱和度(-)。m＝1-1/n，n为经验拟合参数，在本次模拟中取n＝4。结合其他土工试验参数(表1)建立SEEP/W模型(图4)。

表1：宝塔山西南部(2#)土工试验参数。

选取2013年7月1日至8月31日的降雨数据作为输入，对模型进行率定。由于SEEP/W计算默认土体为匀质土层，在模拟表层土受暴雨影响的导水率突变状态存在不足，故选取TDR-10(深埋5.0米)及TDR-2(深埋2.0米)观测的土体含水率对模型进行分别率定。因而得到两套率定参数：(1)侧重于表层土含水率变化(TDR-2校正)；(2)侧重于深层土含水率变化(TDR-10校正)(图5)。

边坡稳定性分析

2013年7月滑坡模拟

选取2013年7月暴雨造成的滑坡事件作为研究对象，结合土工数据(表2)，选取“有效”参数先对宝塔山(2#)坡面进行稳定性分析。

表2：宝塔山西南(2#)土工试验获得参数

在2013年7月暴雨事件中，西南部(2#)边坡最小安全系数为1.6。边坡基本成稳定状态，模型模拟与实际相符，进一步证明其应用参数可以基本反映宝塔山周末土壤质地及变化特性，可以用于西部(1#)边坡稳定性分析。

将率定的土壤参数及宝塔山西部(1#)土工试验参数(表3)输入模型，同样选取“有效”参数进行模拟，得到结果如图(图6)，1#边坡在2013年7月暴雨时间中最小稳定性系数为0.762，第一、第二层滑体处于极度不稳定状态，极易产生山体滑坡，与观测事实相符。证明模拟结果可以反映实际情况，建立的模型工具可以用来进一步分析预测宝塔山 1#边坡滑动降雨入渗阈值。

表3：宝塔山西部(1#)土工试验获得参数。

阈值分析

基于四套土工试验数据(“慢剪”、“三轴”、“有效”、“总应力”)，分别在不同降雨情景下对宝塔山西部(1#边坡)的稳定性进行分析模拟(表4)。利用阶段临界法分析得出宝塔山西部(1#)边坡滑东降雨入渗阈值。

表4：设计不同降雨情景条件

在不同设计降雨条件下，根据不同入渗雨量模拟计算边坡稳定系数，结果如表5所示。 总体来讲，随着入渗土体雨量增加，边坡稳定系数呈下降趋势。综合比较四套土壤参数， 在“总应力”及“慢剪”参数条件下入渗雨量对边坡稳定性影响波动性较小。在超过100毫米入渗后，在“三轴”及“有效”参数条件下，边坡稳定性突变式降低，呈现较大波动 性(图8)。综合比较四套参数特性，三轴试验可以严格控制排水条件，并能通过两侧试 样的孔隙水压力来求得土的有效应力强度指标，在实际工程中对粘性土的抗剪强度指标通 常采用三轴实验参数^[13]。故而综合对比不同参数模拟结果，宝塔山边坡稳定降雨阈值主要 参考“三轴”模拟试验结果，确定为100毫米。

“三轴”模拟中出现的较大稳定性波动，其主要原因是在Slope/W模型模拟中，模型只考虑瞬时水面线及土壤饱和度对边坡稳定性的影响，边坡滑坡过程中的形变不在模型模拟考虑范围内。因此，当边坡土壤呈超饱和状态，主要滑体由边坡中部移至边坡底部，进 而造成边坡稳定系数呈突变性变化。

表5：不同设计降雨入渗量下的边坡稳定系数

结合检测数据及模型模拟结果，认为宝塔山基底整体稳定，发生整体滑动并产生大型滑坡的可能性很小，但坡面崩滑灾害隐患依然存在。在极端气候条件下，当累计入渗雨量超过100毫米，致使坡面表层土壤呈超饱和状态，坡面易产生中小型崩塌，危及宝塔山安全。建议采取相关措施，从如何防止坡面冲刷，降低坡面降雨入渗的角度对宝塔山危险坡面进行综合治理，并结合模拟结果，建立基于实时雨量检测的预订系统，做好灾害防治工作。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于步骤如下：

步骤S1、基于SEEP/W软件建立SEEP/W模型模拟渗流场变化并基于实测数据对模型进行校准；

步骤S2、选取降雨数据作为输入，对模型进行率定；选取不同深度观测的土体含水率对模型进行分别率定；

步骤S3、耦合Slope/W模块分析基质吸力和边坡稳定的关系，从而得出不用时段，不同情境下的边坡安全系数，进而对边坡稳定性进行综合分析。

2.根据权利要求1所述的基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于，步骤S1中，SEEP/W的理论公式基于饱和于非饱和土体渗流的二维达西公式：

式中，H为总水头；k_x，k_y分别为x，y方向的渗流系数；Q为施加的边界流量；θ为单位体积的含水量；T为时间；该方程说明在某一点处一定时间内流体流入与流出单元体的差等于土体单元储水量的变化；在SEEP/W中，假定总应力不变且瞬态孔隙的气压保持为恒定大气压，单位体积含水量的变化与孔隙水压力变化成函数关系：

式中，u_w为孔隙水压力，m_w为储水曲线的斜率，进而总水头可定义为：

式中，γ_w为谁的容重，y为高程，由于高程为常量，其对时间的导数为零，则最终用于SEEP/W有限元计算的控制方程为：

3.根据权利要求1所述的基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于，步骤S3中，

条间剪切力表示为：

X＝Eλf(x) (5)

式中，f(x)表示函数；λ为函数所用的百分数；E为条间法向力；X为条间剪切力；进而提出GLE安全系数方程组：

式中，c′为有效粘聚力；

为有效摩擦角；u为孔隙水压力；N为土条底部法向力；W为土条重量；D为集中荷载；B，R，x，f，d，ω为几何参数；α为土条底部倾角。

4.根据权利要求1所述的基于渗流模型的边坡稳定性模拟分析方法，其特征在于，参考黄土基质吸力与含水量关系，去除异质样本，拟合得到关系式为：

w＝12.902×s^-0.036+5.488×s^-0.576 (7)

式中w为土壤含水量(-)，s为基质吸力(ML^-2)；

而土体基质吸力与渗透系数的关系则参考对非饱和土渗流及其影响参数的分析成果中基于van Genuchten模型的非饱和土导水率与有效饱和度的关系：

式中，k为非饱和土水力传导系数；k_s为饱和土水力传导系数；s_e为有效饱和度；m＝1-1/n，n为经验拟合参数，在本次模拟中取n＝4；结合其他土工试验参数建立SEEP/W模型。

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