第４期总第１８８期 浙江水利科技 Ｎｏ．４ Ｔ０￡ａｌ Ｎｏ．１８８ ２０１３年７月 Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ Ｊｕｌｙ ２０１３ 降雨作用下不同渗透性系数对滑坡稳定性的影响 王力 （三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌４４３００２） 摘要：近年来，三峡库区库岸滑坡调查发现，库区滑坡的稳定性与降雨密切相关，以三峡库区秭归县某 滑坡为研究对象，分别取３种不同的饱和渗透性系数，通过不同周期降雨强度理论计算得到滑坡区域各强度降 雨值。利用有限元计算软件，模拟研究了该滑坡在不同降雨强度作用下渗流场的变化情况，并根据渗流结果计 算得到该滑坡在２０ ａ一遇降雨强度下稳定性系数表。研究表明，当滑坡遭遇持续性强降雨时，渗透性系数越小 的滑坡稳定性越低。 关键词：滑坡；降雨；渗透性系数；渗流；稳定系数 中图分类号：ＴＶ６９７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８．７０１Ｘ（２０１３）０４．０００１—０６ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｕｎｄｅｒ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｓｌｏｐｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ⅵ，ＡＮＧ Ｌｉ （Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｈａｚａｒｄｓ ｏｎ Ｔｈｒｅｅ ｏＧｒｇｅｓ Ａｒｅａ，Ｍｉｉｎｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｃｅｎｔ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｌａｎｄｓｌｉｄｅｓ ａｔ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ ａｒｅａ ｆｉｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇ ａ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｃａｓｅ ｉｎ Ｚｉｇｕｉ Ｃｏｕｎｔｙ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｅｌｅｃｔｓ ｔｈｒｅｅ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｌｉｄｅ ａｒｅａｓ ｗｉｔｈ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｉｅｌｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ．Ｉｔ ｆｕｒｔｈｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒ ２０一ｙｅａｒ—ｔｕｒｎ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｔｒｏｎｇ ｒａｉｆｎａｌｌ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｙｔ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｍ，ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ｏｆ ｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ Ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ ａｒｅａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｎａｄｓｌｉｄｅ；ｐｒｅｃｉｐｉａｔｔｉｏｎ；ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｅｅｐａｇｅ；ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ 非饱和土滑坡的稳定性与降雨密切相关，三峡库区暴 该项目分别取３种不同饱和渗透性系数，利用有限元 雨诱发滑坡的统计分析表明，滑坡发生的规模与降雨强度、 计算软件，模拟研究了三峡库区秭归县某滑坡在不同降雨 降雨历时呈明显的正相关性。考虑降雨影响的滑坡稳定性 强度下渗流场的变化情况。 分析已成为国内外相关学者的研究重点，研究的内容非常 广泛，降雨入渗引起的非饱和渗流问题亟待广大学者的研 １非饱和土渗流理论 究完善。陈铁林等ｌ１ｊ在非饱和土广义固结理论的基础上， １．１ 渗流理论 对降雨导致某含裂隙土坡失稳的情况进行模拟研究。朱伟 非饱和渗流问题其实可以分为２个方面：①边界条件： 等Ｅ２ Ｊ考虑了不同降雨强度及不同的初始含水率对边坡稳定 即外界有多少水分进入土体（或从土体流出）②瞬态渗流： 性的影响，并提出了以平均渗透强度来确定初始含水率的 即进入土体的水分在土体中的运动及分布。一般认为，饱 计算方法。徐晗等ｌ３ Ｊ利用修正的Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则的 和一非饱和状态水分运动的基本方程仍满足Ｄａｒｃｙ定律和连 非饱和流固耦合有限元计算软件进行了雨水入渗的数值模 续性条件，但由此得到的微分方程是高度非线性的。假定 拟，并得到了非饱和土坡变形与应力变化的若干规律。 某一时刻流进和流出某一单元的渗流量之差等于土体体积 收稿日期：２０１３．０５．２７ 含水率的变化量，即控制方程ｌ４Ｊ可描述为： 基金项目：国家自然基金重点项目（编号：５０８３９００４）；三峡库 一区三期地质灾害防治重大科学研究项目（ＳＸＫＹ３—２一１）；三峡大学 未（ ）一 （ ）＝ （１） 式中：日为总水头，ｍ；ｋ ，ｋ 分别为水在非饱和土中沿 研究生科研创新基金（２０１２ｃｘ０２３）。 作者简介：王力（１９８８一），男，硕士研究生，主要从事滑 ，Ｙ方向的渗透系数；０ 为体积含水率。土体饱和时，若不考 坡监测及三维数值模拟。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｌｉ—ｃｔｇｕ＠１２６．ｃｏｎ 虑水的压缩性，则流进流出某一单元体的渗流量相等，即方 程（１）中右边项为０，即方程（１）为饱和渗流基本方程，由此 ・１・ 王力：降雨作用下不同渗透性系数对滑坡稳定性的影响 可见饱和与非饱和状态是可以相互统一的。 １．２边界条件 先按滑坡所处初始条件计算稳定渗流场，再结合初始 边界条件，按非稳定饱和一非饱和渗流进行计算。边界条 件如下： 水头边界ｓ１：Ｈ（ ，Ｙ，ｔ）ｌ ｔ１＝Ｈ１（ ，Ｙ，ｔ） （２） 流量边界ｓｚ：ｋｘ （ｎ， ）＋ （ｎ，ｙ）＝ｇ（ ，Ｙ， ） （３） ２不同周期降雨强度理论 降雨是一种自然水文现象，为分析降雨规律，需采用 数理统计的方法，ｓＬ ４４—９３《水利水电工程设计洪水计算 规范》规定ｌ５ Ｊ：频率分布曲线的线型一般采用皮尔逊Ⅲ型。 皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰曲 线，数学上称为伽马分布，其概率密度函数为： ．厂（ ）＝ Ｊ』＼“， ＿（ —Ｏｔ０） ｅ－ｐ ｏ’ （４） 式中：Ｆ（ａ）为ａ的伽马函数；ａ、 、 ０分别为皮尔逊Ⅲ １ 型分布的形状、尺度和位置参数， ＝ ，ｌ９＝ ，ａｏ＝ ｕ ｕ Ｓ １，１．． （１一 ），式中： 、 和 分别为均值、变差系数和偏态 Ｓ 系数。 利用皮尔逊Ⅲ型曲线，采用数理统计的方法，并利用 ｍａｔｌａｂ等工具编制的计算程序，快速拟合最优的降雨频率曲 线，从该降雨频率曲线中分别读取频率Ｐ为０．１０，０．０５， ０．０２，０．０１的降雨强度值，即周期为１０ ａ，２０ ａ，５０ ａ， １００ ａ一遇的降雨强度。表１为湖北省秭归县１９６ｏ＿＿２０１１年 年最大日降雨量，由表１所得经验频率图见图１，根据矩估 计法求取该组数据均值和变差系数，假定偏态系数为变差 系数的某一倍数，倍数范围取１—６。选择步长为０．０１，逐 点计算偏态系数和变差系数倍数为１．１３０，１．０１，１．２０…６．００ 时的频率曲线，根据最小二乘法，从中选出与以上经验频 率分布点拟合误差最小的曲线作为最优的降雨频率曲线 （见图２）。从图２最优拟合频率曲线上可找到秭归县对应频 率为１．００，０．１０，０．０５，０．２０，０．０１的降雨强度值，即周期 为正常降雨强度，１０ ａ，２０ ａ，５０ ａ，１００ ａ一遇降雨强度， 分别为３１．３９，１２５．５６，１４２．８７，１６４．５１，１８０．２４ ｔｏｎｉ。 表１ 湖北省秭归县１９６ｏ＿＿２０１１年年最大日降雨 量表 ・２・ 续表１ 图１降雨经验频率图 Ｅ Ｅ 、 咖１ 窿 世 频率 图２降雨拟合曲线图 ３非饱和土强度破坏准则 目前对滑坡稳定分析常采用刚体极限平衡法，但对于 受降雨影响显著的残坡积土等采用常规方法时难以反映降 雨作用的影响，Ｂｉｓｈｏｐ（１９６３年）提出了非饱和土强度表达 式［６］： ：ｃ’ｌ（仃一ｔｔａ）Ｊ＋ （／Ｚａ—Ｕｗ）］ｔａｎ ’ （５） 式中： 为土体抗剪强度，ｋＰａ； 为作用在破坏面上的总 法向应力，ｋＰａ；Ｕａ为孔隙气压力，ｋＰａ；ｄ一／Ｚａ为破坏面上的净 法向应力，ｋＰａ； 为孔隙水压力，ｋＰａ；／Ｚａ—ｔｔｗ为基质吸力， ｋＰａ； 为饱和度有关的参数，干土 ：０，饱和土 ：１；Ｃ，为 三 ！———————— 翌 ！不同渗透性系数对滑坡稳定性的影响 ————————————————一 ＾Ｉ．８．ｏ ’ｘ）Ｉ…ｕ口ｌ’…ｕｏｕ蔷一…∞＾＾．Ｖ —Ｉ１—ＬＨ 缈ｏ＞ 叫 妻篓篓 ，竺和土抗剪 度不仅 Ｐａ； ’为有效内摩擦角，与ｃ，、 ’及法向应力相关。。由式（５）可以看出， ，还 。 有关。降雨时土体的饱和度和孔隙水压力上 ，难以确定景 所以式（５）应用较困难一 减小，对抗剪强度有明显影 ， …一 ，。 。（ ～ ）ｔａｎ ’＋（“ 一 ）］ｔａｎ９＇ （６） 中： （Ｐ，，为随吸力变化的内摩擦角。，。、 ，、 相较Ｂｉｓｈｏｐ的理 式’ｈ ‘６）强调了负孔隙水压力对非饱 抗剪强 图３该滑坡计算模型图 ，且式（６）参数确定较容易，目前 认日Ｊ 。１ｊ－４５初始状 耋、右边界为固定水头边界，水头 驯 由该滑坡勘 ｊ／４，．ｉｊ￣／ ， １８５ ｍ态计算时为流量边界特征曲线（垒，舳苎 得滑体、滑带、滑床计算力学参数见 ’、 ．， 报告及ｓｗｃｃ）由试验得到（见图４） 一 兰二 取三峡库区秭归县某滑坡作为计算剖面士日 三 ７要 ：登 计算模型见图３滑竺 资料，滑动面选择覆盖层 ，网格采用四 ￣ ｔ／ ｒ＂３＂ｌ ｑＣ：ｌ 箕 ， 表２滑坡计算参数表 ０ｇ．。ｘ）Ｉｕ蕾ｌｕｏＱ番＿∞≥．一 ， 软件点，２ ７３３个单元。计算软件采用ＧＥ０一计算方法为考虑基质吸力的简化ｂｉ． ， ｈ０ｓｔｕｄ ｉｏ Ｍ １２ 加 ｐ法即式 ）。 —— ２ ｝ ～｝… 一 ｛ ｆ！ ｆ ｝ ｌ ｛ ｌＪ ｝｛ ｊ ｝ ｉ｝ ｛ ｝ ｝ ～ 一 ｛ ｊ｝ ｊ｝ 。 － ≥ － －－ －． ～ ｆ…一 …—｛一～ ～一寸 ～ ～÷～一 ｝ ｆ ～ ～ ７； ～～ｉ０～一 ～ ｆ ｛｝ ｆ｝ ｛ …≥、ｆ 象』 ／ ｉ ｊ ｆ｝ — —十一 ； ｝ ｝ ｝ ｊ ｉ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ （ａ）滑体土一水特征曲线 图４该滑坡土一水特征曲线图（ｂ）滑带土～水特征曲线 艚扑， 分别选取滑坡渗透性数试验结果取值范围滑体土饱和渗透性系数分 ’，本次 ： 强２ｏ ！：按本文章节２ ＮＮＮＮ／ｙａｒ略＂， 常降雨强度、加 一遇Ｐ雨强度理论 ； 、 度，降雨历时分别为１５，１０ ｄ ：： ～ … ，降雨强度降雨历时１ ｄ不同渗透性系数条件下浸润 不同渗透性。由图５可以看出，系数条件下模型渗流场基本相同降雨取正常强 。 ： ， 贾宏伟，等：浙江省农业“两区”农田水利建设的对策研究 下灌溉管道疏通新技术等，甚至一些种植户也主动进行技 准。建议各级政府开展农业“两区”农田水利实施方案编 制工作，严格建设标准，按照“缺什么、补什么”的原则， 因地制宜采取农田水利工程措施。对严重受制于洪、涝灾 害及水资源匮乏等外部条件约束的区域，应充分论证，合 理调整农业“两区”布局，降低农业生产风险。实施方案 术革新，如仙居和长柑桔专业合作社建成了大棚柑桔喷滴 灌双模式灌溉系统等。这些新技术的应用，对促进全省 “两区”农田水利发展具有重要意义。但随着社会经济、生 态环境和现代农业的发展，对传统农田水利提出了更高要 求，也出现了一些新的制约性的关键技术问题，如新材料 （如农田水利复合材料、无砂混凝土等）的推广应用；规模 可逐年编制，可进一步明确各部门当年的建设任务和资金 分解，确保各部门农田水利建设有序开展。 （３）统筹协调、整合资金，发挥整体效益。农田水利 是现代农业的基础设施，需要大量实实在在的资金投入。 目前，“两区”农田水利建设没有设立专项资金，主要是通 过相关部门的资金整合来解决投入问题。由于建设资金来 化喷微灌系统与小农户分散经营的矛盾；随着灌溉工程日 益完善，农田排水相对于农田灌溉的重要性日益凸显，但 全省在排水技术方面的积累相对薄弱＿２】。 现代农业的快速发展，要求有先进技术来支撑高标准、 高要求的农田水利建设。农业“两区”是浙江省现代农业 的示范区和先进适用技术的推广应用区，也是先进灌排技 术应用的前沿。建议根据农业“两区”建设和现代农业发 展的需要，集中力量解决农田水利建设中新出现的技术问 题，加强农田水利先进技术的研发、应用和推广工作，进 一源和渠道不同，补助差别比较大。据调查，农业综合开发 项目一般补助比例占到总投资的８０％；省级小农水专项资 金，按地区差别分为６档，补助比例占总投资的１２％～ ６ｏ％不等；农业部门整合资金３ ０００～４ ５００元／ｈｍ２（２００ ３００元／亩）。由于不同资金来源项目的补助差别较大，给建 设项目的协调和安排带来了困难。省内一些经济条件比较 好的地区，已根据自身条件，适当提高了农田水利建设补 助标准，如平湖市对“两区”小型农田水利设施按面上补 助提高２５％，对喷微灌补助增加３ ０００元／ｈｍ２（２００元／亩）， “两区”通过验收后，还有不同程度的以奖代补。 步提升“两区”的科技含量和农业发展的现代化水平。 ５结语 （１）农业“两区”是浙江省发展现代农业的重要举措， “两区”农田水利建设具有建设任务重、项目小而分散、多 部门参与、建设标准高和技术先进等基本特征，因此也给 其农田水利建设带来了很大的困难。 （２）浙江省出台了一系列措施和办法，对推动“两区” 建议整合分散于发改委、水利、农发、农业、国土等 部门的农田水利建设资金，建设内容、建设标准不能与 “两区”农田水利建设要求协调一致的项目，不能纳入“两 区”农田水利建设资金统筹范围；同类型农田水利建设项 目宜执行相近的补助标准和统一的建设标准；需要按照 农田水利建设起到了显著效果，但也不同程度存在一些问 题。建议进一步采取措施，理顺机制、明确职责；严格标 准、明确任务；统筹协调、整合资金；以及加强技术研发 和应用推广工作，促进农业“两区”农田水利建设工作有 序和稳步地发展。 参考文献： ［１］贾宏伟，吕天伟，郑世宗，等．农田水利服务现代农业园区和 粮食生产功能区的对策研究报告［Ｒ］．杭州：浙江省水利河口 研究院，２０１２． ［２］贾宏伟，郑世宗，杨铁峰，等．农业节水技术研究报告［Ｒ］． 杭州：浙江省水利河口研究院，２０１０． “标准一致、渠道不乱、用途不变、各司其职、有序管理” 的原则，协调各部门合力开展农田水利建设，避免项目多 头上报、资金相互配套、标准参差不一、效益重复计算等 现象发生。建议各地根据当地经济条件，适当提高粮食生 产功能区农田水利建设补助标准；应适当提高现代农业园 区种植户的自筹资金比例；资金补助适当向经济欠发达地 区倾斜。 （４）加强技术研发和应用推广工作，为“两区”现代 农业的发展提供科技支撑。近些年来，全省各地相继出现 了许多先进新技术，如水稻节水灌溉技术、低压管道输水 灌溉技术、经济型喷微灌技术、特低水头微喷灌技术、地 （责任编辑姚小槐） （上接第６页） ［２］朱伟，程南军，陈学东，等．浅谈非饱和渗流的几个问题 ［Ｊ］．岩土工程学报，２００６．２８（２）：２３５—２４０． ［３］徐晗，朱以文，蔡元奇，等．降雨入渗条件下非饱和土边坡稳 ｕｎｓａｔｕｒａｔｄ ｓｅｏｉｌｓ ｌ Ｊ Ｊ．Ｃａｎａｄｉｎ Ｇｅｏｔａｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｍａｌ，１９７８，１５ （３）：３１３—３２１． ［８］马豪豪，刘保健，姚贝贝．水对岩石力学特性及边坡稳定的影 响及其机理分析［Ｊ］．南水北调与水利科技，２０１２，１０（４）： ８６—８９． 定分析［Ｊ］，２００５．２６（１２）：１９５７—１９６２． ［４］Ｆｒｅｄｌｕｎｄ Ｄ．Ｇ，Ｈ．Ｒａｈａｒｄｊｏ．非饱和土力学［Ｍ］．陈仲颐，张在 明，陈愈炯，等．北京：中国建筑工业出版社，１９９７． ［５］水利部长江水利委员会．ｓＬ ４４—９３水利水电工程设计洪水汁 ［９］李兆平，张弥．考虑降雨入渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系 数研究［Ｊ］．土木工程学报，２００１，３４（５）：５７—６１． ［１０］谢守益，徐卫亚．降雨诱发滑坡机制研究［Ｊ］．武汉水利电 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