全 文 ：【水土保持·生态】
降雨与库水作用下木竹坪滑坡稳定性分析
关 奇
(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)
摘 要:采用 GEO － SLOPE有限元计算软件对木竹坪滑坡在库水位上升、降雨、库水位上升和降雨共同作用下的地下水
渗流场变化及稳定性进行了数值模拟计算。结果表明:不同工况条件下，地下水位线位置相差很大，但各工况下最可能
滑动面的范围几乎一致;库水位上升和降雨共同作用对滑坡稳定性影响最为不利，其安全系数最小。
关 键 词:降雨;渗流;数值模拟;稳定性;木竹坪滑坡
中图分类号:P642． 22 文献标识码:A doi:10． 3969 / j． issn． 1000-1379． 2012． 03． 023
Stability Analysis of Muzhuping Landslide Under Rainfalls and Reservoir Impoundment
GUAN Qi
(Civil Engineering ＆ Architectural College，China Three Gorges University，Yichang 443002，China)
Abstract:GEO － SLOPE finite element software was adopted in numerical simulation calculation on variation and stability of groundwater seepage
field under the effect of reservoir water level rise，rainfall，and the combination of reservoir water level rise and rainfall for Muzhuping landslide．
The results show that there is a big difference in underground water level under different working conditions． Nevertheless，the slip surface ranges
in different working conditions are almost the same． With the lowest safety factor，the combination of reservoir water level rise and rainfall poses the
greatest threat to the stability of Muzhuping landslide．
Key words:rainfall;seepage;numerical simulation;stability;Muzhuping landslide
水库蓄水以后，随着库水位上升及周期性涨落，岸坡岩土
体在水的作用下软化，波浪对岸坡冲刷搬运，库水位、地下水的
孔隙水压力和渗透作用导致岸坡工程地质条件发生变化，使得
塌岸的可能性增大［1 － 3］。国外学者调查发现，49%的滑坡发生
在蓄水初期，30%的滑坡发生在水位骤降 10 ～ 20 m 的情况
下［4］。因此，库水位涨落导致的滑坡和边坡失稳是库岸边坡最
常见和最严重的地质灾害之一。
笔者以水布垭库岸木竹坪滑坡为研究对象，利用 GEO －
SLOPE有限元计算软件，对该滑坡在只有库水位上升作用、只
有降雨作用和降雨与库水位骤降同时作用条件下的渗流状态
及稳定性进行了数值模拟计算。
1 木竹坪滑坡概况
木竹坪滑坡体位于湖北省巴东县清太坪镇木竹坪村清江
北岸，距水布垭大坝约 25 km，距清太坪镇约 20 km。研究区碳
酸盐岩广为分布，天坑、溶蚀洼地、溶洞及石芽、溶沟、溶槽岩溶
地貌较为发育。木竹坪滑坡体地表总体形态呈圈椅状，上窄下
宽。前缘、后缘呈弧形，侧缘呈扇形展开。前缘高程 230 ～ 280
m，后缘高程 800 ～ 860 m，宽约 200 m。滑坡体顺主滑方向纵向
长约 400 m，按平均厚度 20 m 计算，体积约 700 万 m3，主滑方
向为 SE100°。
2 计算分析理论与方法
(1)渗流计算理论方程。在各向异性的多孔介质中流动的
液体，当其运动的惯性力可以忽略不计，而水力坡降大于起始
坡降时，其流动满足达西定律［5 － 6］。堆积体边坡二维渗流控制
方程为［7］
－ 
x kwx
H
( )x － y kwy H( )y = C θwt (1)
式中:H为水头;kwx、kwy分别为水在非饱和土中沿 x、y方向的渗
透系数;θw 为体积含水量;t为时间。
初始条件:
H(x，y，t0)= H0(x，y，t0) (2)
水头边界条件 S1:
H(x，y，t)| t1 = H1(x，y，t) (3)
流量边界条件 S2:
收稿日期:2011-10-26
作者简介:关奇(1987—) ，男，湖北潜江人，硕士研究生，主要从事地质工程方
面的研究工作。
E-mail:king584131421@ 163． com
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第 34 卷第 3 期 人 民 黄 河 Vol． 34，No． 3
2012 年 3 月 YELLOW RIVER Mar．，2012
kx
H
x
cos(n，x)+ ky
H
y
cos(n，y)= qn(x，y，t) (4)
式中:H0 为初始水头;H1 为水头边界条件 S1 的水头;t0 为初始
时间;t1 为水头边界条件 S1 的时间;n为有效孔隙度。
(2)稳定性计算分析方法。稳定性分析计算采用极限平衡
法中同时考虑力和力矩平衡的较完备的摩根斯坦 － 普莱斯
法［8 － 9］。
3 数值计算模型
3． 1 网格模型
对滑坡主纵剖面采用四边形单位进行有限元网格剖分，节
点数为 3 026 个，单元数为 2 863 个，网格模型见图 1。
图 1 木竹坪滑坡有限元网格模型
3． 2 边界条件
滑坡在降雨和水库水位变化条件下，渗流的边界条件如
下:①水头边界。斜坡前缘被库水浸没部分。②流量边界。斜
坡表面取降雨引起入渗的流量边界，当降雨强度大于坡面岩土
体的入渗速度时，将岩土体的入渗速度值作为边界流量值;当
降雨强度小于坡面岩土体的入渗速度时，将降雨强度值作为边
界流量值。③两侧和底部渗流边界．模型底面和两侧为自由渗
流边界，由于基岩的渗透性很弱，因此可认为是不透水边界。
3． 3 边坡岩土体物理力学参数
根据工程类比，获得本次计算滑坡岩土体及基岩的土—水
特征曲线及渗透函数曲线，滑坡岩土体的物理力学参数见表 1。
表 1 岩土体的物理力学参数
介质
类型
容重 /
(kN·m －3)
黏聚
力 /kPa
摩擦角 /
(°)
变形模
量 /GPa 泊松比
渗透系数 /
(cm·s － 1)
第四系地层 22 90 30 0． 5 0． 30 2． 35 × 10 － 8
基岩风化带 26 500 35 2． 5 0． 28 1． 25 × 10 － 8
新鲜基岩 27 1 000 40 10． 0 0． 25 1． 25 × 10 － 8
4 计算工况及计算结果分析
根据木竹坪滑坡的实测资料，库水位从 259 m 上升至 290
m，历时 20 d;9 d的降雨量为 100 mm。基于上述资料及研究的
主要目的，设计 4 种计算工况:工况一，天然状态，仅考虑自重;
工况二，库水位以 1． 55 m /d 的速度由 259 m 上升至 290 m;工
况三，库水位以 1． 55 m /d 的速度由 259 m 上升至 290 m，并且
在最后 9 d 叠加 11． 11 mm/d 的降雨;工况四，天然状态下，以
11． 11 mm/d的降雨强度连续下雨 9 d。
利用 GEO － SLOPE有限元计算软件分析边坡在不同工况
下的渗流状态及稳定性，得到各工况下的地下水位和最可能滑
动面。结果表明，不同工况条件下，地下水位线的位置相差很
大(图 2、图 3、图 4)。原因是各工况条件不同，工况二只有库水
位上升而无降雨，工况三既有降雨又有库水位上升，工况四只
有降雨。但各工况下最可能滑动面的范围几乎一致(见图 5、
图 6、图 7) ，说明无论哪种工况条件下该区域内都最容易出现
滑坡现象。
图 2 工况二条件下边坡的地下水位
图 3 工况四条件下边坡的地下水位
图 4 工况三条件下边坡的地下水位
图 5 工况二条件下边坡的最可能滑动面
图 6 工况四条件下边坡的最可能滑动面
图 7 工况三条件下边坡的最可能滑动面
各工况条件下安全系数见表 2，可以看出，工况一条件下安
全系数最大(1． 295) ，工况三条件下安全系数最小(0． 989)。由
此可知，该滑坡天然状态下稳定性很好。库水位上升及降雨都
会对滑坡的稳定性造成不利影响，但当降雨与库水位上升共同
作用时，对滑坡的稳定性影响最为不利。由于库水位上升使得
滑坡的阻滑段减小，同时降雨下渗作用使得地下水的动水压力
增大，而动水压力对滑坡有促滑作用，因此两种因素的共同影
响对滑坡的稳定性最为不利。
表 2 各工况条件下的安全系数
工况 工况一 工况二 工况三 工况四
安全系数 1． 295 1． 010 0． 989 1． 062
5 结 语
木竹坪滑坡在降雨与库水共同作用 (下转第 67 页)
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人 民 黄 河 2012 年第 3 期
力减小的过程，而基质吸力在停雨初期达到最小，此时，边坡最
不稳定。因此，停雨后一段时间内边坡最容易发生滑动。
3 降雨入渗情况边坡的稳定性分析［4］
为了进行非饱和土稳定性分析，Bishop 提出了以有效应力
为基础的 Mohr—Coulomb破坏准则:
τf = c［(σ － ua)+ χ(ua － uw) ］tan φ (5)
式中:τf 为土体的抗剪强度;σ 为作用在破坏面上的总法向应
力;ua 为孔隙气压力，σ － ua 为作用于破坏面上的净法向应力;
uw为孔隙水压力，ua － uw为基质吸力;χ为与土的类别和饱和度
有关的参数，干土 χ = 0，饱和土 χ = 1;c为有效黏聚力;φ为有
效内摩擦角。
Fredlund提出了以有效应力分量 σ － ua 及基质吸力 ua －
uw 为应力状态变量的破坏准则:
τf = c + (σ － ua)tan φ + (ua － uw)tan φ
b (6)
式中:φb 为随吸力变化的内摩擦角。
通过对 Bishop和 Fredlund抗剪强度公式的对比发现，后者
将基质吸力对抗剪强度的影响因素归结为黏聚力，而不是简单
的有效应力的叠加，更有益于对非饱和土的认识和分析。笔者
进行非饱和土边坡稳定性分析时，以 Fredlund 的抗剪强度理论
为基础。降雨时，雨水入渗使土体接近饱和或饱和，孔隙水压
力 uw 接近孔隙气压力 ua，基质吸力趋于 0，即式中的基质吸力
项趋于 0，土体的抗剪强度也随之下降。这就从理论上解释了
因降雨入渗的影响，边坡土体抗剪强度下降而诱发其产生变形
破坏的机理。
将两种降雨强度下每个时段得出的孔隙水压力输入到极
限平衡理论边坡稳定性计算程序中，得到各时段边坡稳定性系
数，见图 3。可以看出，随着雨水的入渗，边坡中土的饱和度增
大，基质吸力减小，相应土体质量增大，造成边坡安全系数降
低。降雨停止后，随着雨水的蒸发及排水孔的作用，边坡土体
饱和度减小，基质吸力增大，相应土体质量减小，安全系数上
升。在一段时间之后，安全系数将恢复到降雨之前的数值。
图 3 安全系数随降雨历时的变化
通过对 6 × 10 －5 m /s和 1 × 10 －5 m /s两种降雨强度下安全
系数变化的比较可以发现，在降雨强度大于等于土体渗透系数
的情况下安全系数的变化较降雨强度小于土体渗透系数情况
下安全系数的变化更快，安全系数更小，说明降雨强度不小于
土体渗透系数时边坡稳定性受时间作用显著，降雨强度小于土
体渗透系数时边坡稳定性受时间作用的影响不是很显著。
4 结 语
通过数值模拟，研究了两种降雨强度下坡体内基质吸力的
变化情况，并对边坡的稳定性进行了分析，结果表明:在降雨强
度恒定情况下，随着降雨时间的持续，土体孔隙水压力上升，含
水量增大，边坡土体的安全系数减小;在降雨强度不同的情况
下，降雨强度越大，边坡土体稳定性受时间作用越显著。因此，
在对边坡进行加固和治理时应充分重视边坡的排水，尽量使边
坡处于较干燥的状态，以更利于边坡的长期稳定。
参考文献:
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【责任编辑 吕艳梅
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
】
(上接第 64 页)条件下渗流计算及稳定性研究表明:库岸滑坡
在天然状态下稳定性一般较好，但库岸滑坡自身的特点，决定
了它将受到其他因素的影响，如降雨、库水位涨落等。由于库
水位上升使得滑坡的阻滑段减小，同时降雨下渗作用使得地下
水的动水压力增大，而动水压力对滑坡有促滑作用，因此当两
种影响因素叠加作用时比其他因素单独作用时对滑坡稳定性
的影响更为不利。因此，在对库区滑坡进行稳定性评价分析
时，一定要注意库水位变化及降雨作用对边坡稳定性的影响。
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【责任编辑 吕艳梅】
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