降雨入滲對不飽和崩積土坡水文特性的影響

董立根

南陽市南水北調(diào)工程運行保障中心（南陽市移民服務(wù)中心），河南 南陽 473000

0 前言

中國某些地區(qū)的地形以山地為主，坡地大概占全部面積滑裂面2/3以上，適合人居住的平原面積很少。隨著全球氣候暖化，極端氣候開始出現(xiàn)，近年來因為暴雨所帶來的災(zāi)害屢見不鮮，常見的災(zāi)害如邊坡崩塌造成道路堵塞中斷、暴雨引發(fā)泥石流沖毀橋梁等等，危害人類生命財產(chǎn)安全。基于前人的研究成果，并借由數(shù)值分析的方法了解不飽和土壤的基質(zhì)吸力變化與現(xiàn)地水文特性的關(guān)系，以SEEP/W 分析不飽和土壤在不同時間下的瞬時滲流情形，再利用滲流分析的結(jié)果匯入SLOPE/W 計算邊坡穩(wěn)定性，針對降雨入滲行為進行探討，并考慮降雨對基質(zhì)吸力與浸潤帶等水文特性的影響，借此了解降雨入滲對崩積土坡水文特性的影響。最后將分析結(jié)果做一綜合討論與建議。

1 不飽和土壤滲流分析軟件滑裂面SEEP/W

過去數(shù)十年的研究都發(fā)現(xiàn)不飽和土壤中的滲流具有一定的重要性，但不飽和土體內(nèi)的水流動情形解析不易，故本研究采用由加拿大Calgary 大學所發(fā)展的數(shù)值分析軟件SEEP/W 進行數(shù)值分析，此程序主要功能為分析飽和與不飽和土壤于穩(wěn)態(tài)（steady state）或是瞬時（transient state）情況下的滲流問題。透過輸入不同的分析模式、材料參數(shù)、邊界條件等，求得邊坡在飽和與不飽和條件下的滲流情形。通過瞬時分析，可以得到不同時間不同點位的孔隙水壓力、總水頭、壓力水頭、體積含水比，浸潤帶發(fā)展及基質(zhì)吸力變化分布圖。

2 SEEP/W分析模式

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

在滲流分析中，穩(wěn)態(tài)分析用來描述一種達到穩(wěn)定且不持續(xù)變動的狀態(tài)，意即在流場中任何一特定點位置上已達穩(wěn)定狀態(tài)，任何物理性質(zhì)例如水壓和滲流量不再隨時間改變。穩(wěn)態(tài)分析模式不需考慮到底要花多長的時間才能到達最終狀態(tài)，只需要給定邊界條件即可求解，意味著提供的邊界條件在定義的位置是始終保持不變的。

2.2 瞬時分析

在滲流分析中，瞬時分析用來描述一個持續(xù)變化的狀態(tài)，瞬時分析是考慮花多久的時間才能和給定的邊界條件相適應(yīng)，所以它是一直在變動。瞬時分析的結(jié)果，依照時間設(shè)定（Time Step）運算出特定時間的結(jié)果。不同時間下的瞬時分析結(jié)果是不同的。

若一個滲流分析案例經(jīng)過2 d就呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，那超過2 d以后的瞬時分析就已經(jīng)沒有意義，因為經(jīng)過2 d以后就已經(jīng)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。若一個滲流分析案例要經(jīng)過100 d 才會呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，如果程式只分析了6 d，則無法看出后面94 d的狀況，必須延長分析時間。

如何選用正確的天數(shù)來做瞬時分析是一個重要的問題，此問題可以根據(jù)結(jié)果來判斷，例如選用不同的天數(shù)來做瞬時分析，觀察安全系數(shù)是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，若還沒穩(wěn)定則須增加分析天數(shù)，若已達穩(wěn)定狀態(tài)則可減少分析天數(shù)，尋找安全系數(shù)趨于穩(wěn)定的時間點，此時間即為瞬時分析所需要的時間。

2.3 時間設(shè)定

在滲流分析中，所有的瞬時分析都需要配合時間設(shè)定來求解，在大多數(shù)的情況下，一個計算結(jié)果所對應(yīng)的合理時間設(shè)定需要經(jīng)過反復調(diào)整測試才能確定。合適的時間設(shè)定與研究的問題息息相關(guān)，例如：如果浸潤帶移動速度太快，無法看出變化過程，時間間隔設(shè)定就必須縮小；如果浸潤帶移動速度太慢，時間間隔設(shè)定就必須增加。

3 SEEP/W滑裂面數(shù)值模型的建立

研究參考某崩塌區(qū)崩塌潛勢分析及監(jiān)測成果報告書的資料來建立分析所需的邊坡分析模型。根據(jù)某崩塌地于滑裂面NBH-2 孔位的地質(zhì)鉆孔資料顯示，該崩塌地的最上層為崩積土層，其厚度約為16 m，于崩積土層下方為輕度風化的砂巖，其厚度約為5 m，在砂巖下方為頁巖間夾砂巖，厚度約為9 m，鉆孔底層為砂巖與頁巖角礫，其崩塌地的坡度約為滑裂面49%，換算成邊坡角度為26°。整理上述資料繪制出所需的邊坡分析模型，如圖1所示。

圖1 滑裂面地層剖面圖

分析邊坡坡面長度為40 m，邊坡角度為26°，坡頂與坡底各延伸30 m的水平面。地形剖面由地表面向下依序為崩積土層、砂巖滑裂面層、砂頁巖互層與砂巖、頁巖角礫層等4 層，巖層層面角度為參考基地地層剖面圖，假設(shè)為6°。通過近三個月內(nèi)的實時監(jiān)測計算，得出上邊坡、下邊坡不同部位的飽和滲透系數(shù)，見表1。

表1 滑裂面上下邊坡及各深度的飽和滲透系數(shù)表

4 計算結(jié)果分析

在邊坡的坡頂與坡底設(shè)置滑裂面入口與出口，如圖2 所示，上邊坡紅色線段范圍為滑裂面入口，下邊坡紅色線段范圍為滑裂面出口，程序會計算在這兩個指定滑裂面入口及出口的地方可能產(chǎn)生的滑動面，灰色圓弧線即邊坡可能滑裂面，綠色區(qū)域為安全系數(shù)最小的滑動面。采用指定滑裂面入口及出口法通常所得滑裂面較深，優(yōu)點為計算速度較快。

圖2 滑裂面指定滑裂面入口及出口法設(shè)定及分析結(jié)果圖

由SLOPE/W 邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果可以得知，降雨強度越大，安全系數(shù)下降越快、越多。由于每個小時的滑動面變化不大，又安全系數(shù)在6 h最低，故以不同降雨強度在6 h的滑動面為代表，滑動面皆為圓弧形，其安全系數(shù)隨時間變化如圖3所示。

圖3 安全系數(shù)隨時間變化圖

在高地下水位情況時，0-6 h的安全系數(shù)隨降雨入滲而下降，第7 小時降雨停止且地表發(fā)生蒸散作用，安全系數(shù)仍持續(xù)下降，可能原因為地下水位較高，降雨入滲對地下水位改變量較大，如圖4所示，且降雨停止后地下水位仍持續(xù)上升，因降雨停止后，原本入滲至邊坡淺層的雨水繼續(xù)往下入滲到較深層土壤，使地下水位面提高，降雨的水入滲到土壤里短時間難以排出，導致安全系數(shù)仍持續(xù)下降。降雨強度越大，安全系數(shù)下降越快、越多。

圖4 滑裂面地下水位隨時間變化圖

5 結(jié)論

①滑裂面無論地下水位高低，當?shù)乇黹_始降雨時，淺層土壤受到雨水入滲的影響，土壤內(nèi)孔隙逐漸被水填滿，導致孔隙水壓力上升、壓力水頭上升，位置水頭不變，淺層土壤的總水頭也開始提高。當?shù)乇戆l(fā)生蒸散作用時，淺層土壤內(nèi)孔隙水逐漸蒸散而消失，導致孔隙水壓力下降、壓力水頭下降，總水頭也隨的降低。②滑裂面降雨入滲會使淺層土壤體積含水比上升，當體積含水比達到上限時，土壤為飽和狀態(tài)，淺層邊坡開始產(chǎn)生浸潤帶。當?shù)乇黹_始發(fā)生蒸散作用時，淺層土壤體積含水比開始下降，浸潤帶消失。③滑裂面基質(zhì)吸力與浸潤帶存在著互制關(guān)系，當基質(zhì)吸力上升時，浸潤帶停止發(fā)展；反的當基質(zhì)吸力減少時，浸潤帶將會開始發(fā)展。④滑裂面以本研究降雨強度30 mm/h為例，地下水位較低時，降雨入滲對基質(zhì)吸力的影響深度約為2 m，對土壤的吸力影響范圍較小。當?shù)叵滤惠^高時，降雨入滲對基質(zhì)吸力的影響深度約為3 m，對土壤的吸力影響范圍較大，因淺層土壤初始負壓力水頭較小、初始體積含水比較高，相同降雨強度情況下，降雨入滲對土壤的吸力影響范圍較大。⑤地下水位較高，浸潤帶發(fā)展較地下水位低時快，降雨入滲對地下水位上升幅度較大，因地下水較高時，地下水上方的土壤含水比較高，對浸潤帶發(fā)展較有利。當?shù)叵滤惠^低時，浸潤帶發(fā)展較地下水位高時慢，降雨入滲對地下水位上升較無明顯趨勢。⑥滑裂面在不產(chǎn)生地表徑流的降雨強度下，其邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)隨降雨強度增加而減小，安全系數(shù)隨地表蒸散作用而上升。

6 建議

①建議未來進行參數(shù)靈敏度分析，透過數(shù)值分析了解各項參數(shù)對滲流及邊坡穩(wěn)定的影響，可進行比較分析。②不飽和土壤抗剪力強度方程式中的基質(zhì)吸力項，可以考慮成對土壤凝聚力項的增加項，建議可在未來在邊坡穩(wěn)定分析時考慮對安全系數(shù)的影響。③建議未來收集其他國內(nèi)不飽和崩積土壤邊坡的基質(zhì)吸力量測，將本研究所建立的分析模式與其他監(jiān)測案例進行分析與驗證。并可進一步改進分析模式與方法等程序設(shè)定。