強(qiáng)降雨入滲下黃土滑坡穩(wěn)定性及其加固方案優(yōu)化分析

張斌偉 劉萬鋒 楊 霄 王 越

（1隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽，745000；2蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3甘肅省高校“黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用”省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 慶陽，745000；4.甘肅省環(huán)縣住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局 ，甘肅 環(huán)縣 745700）

目前，強(qiáng)降雨入滲下黃土滑坡的穩(wěn)定性是需要重點(diǎn)解決的工程問題。出于強(qiáng)降雨的影響，雨水入滲后會極大的增加黃土的飽和度，導(dǎo)致提高孔隙水應(yīng)力，降低基質(zhì)吸力，從而造成抗剪強(qiáng)度的不斷下降，在強(qiáng)降雨入滲達(dá)到一定條件后，會出現(xiàn)黃土破壞失穩(wěn)問題。在分析強(qiáng)降雨入滲黃土滑坡的穩(wěn)定性時，特別是容易受雨水影響的膨脹土、殘積土，必須重視其孔隙水應(yīng)力的影響。因此，通過以強(qiáng)降雨入滲的飽和-非飽和滲流數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，分析計算了某黃土滑坡模型的穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的加固方案。

1 模型建立

1.1 基本微分方程

通常來說，飽和-非飽和狀態(tài)水分運(yùn)動方程滿足Darcy定律與連續(xù)性條件，這樣可得出高度非線性的微分方程，所以要運(yùn)用數(shù)值的方法[1]。假設(shè)某單元體在某時刻流進(jìn)和流出的差與土體體積含水的變化量相等，或者是沿兩坐標(biāo)方向的滲流變化率與外界施加的邊界流量之和為土體含水量在各時刻下的變化率，那么控制方程可表示為：

上式中：H表示水頭值；wxk、w yk表示在非飽和土中水沿x、y方向的滲透系數(shù)；wθ表示體積含水量。

在土體飽和后，其含水量與飽和含水量sθ相等，滲流系數(shù)轉(zhuǎn)換為飽和滲透系數(shù)k s，若處于穩(wěn)定飽和滲流情況下，忽略水的壓縮性，某單元體中流進(jìn)與流出的滲透量一樣。所以①式中右邊項(xiàng)等于0，可作為飽和滲流基本方程。另外，因?yàn)榛|(zhì)勢與重力勢的和為非飽和區(qū)總水頭，所以可以將兩者統(tǒng)一進(jìn)行分析。

假設(shè)總應(yīng)力和孔隙氣壓力對時間的倒數(shù)等于0，那么：

1.2 定解條件

（1）初始條件。根據(jù)初始邊界條件，將穩(wěn)定滲流場計算出來，并與第一次的初始值與初始邊界條件相結(jié)合，以非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流的方法計算。

（2）邊界條件。

2 算例分析

根據(jù)有限元方法計算要求劃分單元網(wǎng)格，要按照具體的精度要求、邊界條件來確定網(wǎng)格的疏密程度。在強(qiáng)降雨入滲過程中，孔隙水壓力越接近地表，其變化越劇烈，容易為數(shù)值計算的穩(wěn)定性帶來影響[2]。所以，在網(wǎng)格劃分該區(qū)域時，所使用的網(wǎng)絡(luò)要更密。具體的有限元網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分圖

2.1 邊界條件

本文主要研究了強(qiáng)降雨滲入導(dǎo)致黃土滑坡滲流場的變化規(guī)律，邊界設(shè)定為：

1）模型兩側(cè)：按照零流量邊界對地下水位以上邊界進(jìn)行處理，地下水位以下則為給定水頭邊界條件。

2）入滲邊界，主要為黃土滑坡的表面和斜坡處，設(shè)定為流量邊界或水頭邊界。如果孔隙水壓力＜0，則為流量邊界；孔隙水應(yīng)力＞0，則為水頭邊界。若降雨比表層土體滲透性要弱，則根據(jù)流量邊界處理，其值為降雨強(qiáng)度[3]。若降雨比表層土體的滲透性要強(qiáng)，則一些雨水會流失在坡面，并構(gòu)成薄層水膜，以給定水頭邊界處理。因?yàn)樗ぽ^薄，所以水頭值與地表高程相等。

3）模型地面，設(shè)定為不透水邊界。

2.2 初始條件

非飽和區(qū)的初始基質(zhì)通常運(yùn)用實(shí)測數(shù)據(jù)，或者是運(yùn)用實(shí)測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)關(guān)系，在數(shù)學(xué)方法下進(jìn)行預(yù)測。一般來說，浸潤面上的基質(zhì)吸引等于0，向上逐步提高。在實(shí)際中，增幅最大的在最大毛細(xì)高度范圍中，但是由最大毛細(xì)高度向上到地表段基質(zhì)吸力增幅較小，那么假設(shè)常數(shù)是固定的。

所以，本文只考慮水相壓力的影響，對于基質(zhì)吸力為負(fù)的孔隙水壓力，以最大毛細(xì)上升高度為基礎(chǔ)，可視為黃土滑坡中基質(zhì)吸力在某一高程下為線性分布，如果大于這一高度，那么其值為最大毛細(xì)上升高度。本文設(shè)定初始孔隙水壓力為-25。

2.3 降雨模型設(shè)計

在降雨總量保持不變的前提下，在降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間變化中的降雨模型，降雨總量為480mm，降雨事件共有三類，具體如表1所示。

表1 降雨事件（總量為480mm）

2.4 計算結(jié)果分析

表2為不同降雨條件下的安全系數(shù)對比，由表可知，黃土滑坡的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，其安全系數(shù)的降低就是主要的體現(xiàn)。

通過分析最終計算結(jié)果可知，能夠得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）隨著降雨強(qiáng)度的增加，孔隙水壓力也會不斷增大，這是由于對于黃土滑坡而言，如果降水總量保持不變，那么隨著降雨時間的延長，一部分雨水會在坡面流失，而另一部分雨水在滲入土壤之后，造成土壤入滲程度不斷加大。

2）孔隙水壓力也會隨著降雨時間的延長而加大。

3）隨著降雨時間的延長，會降低黃土滑坡的安全系數(shù)，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。

3 黃土滑坡的加固方案

3.1 清方方案

清方方案簡單來說就是將全部的黃土都清理干凈，改方案最大的優(yōu)勢在于便于施工，技術(shù)簡單，在開挖清除后，能夠?qū)⒑蠡纪耆獬?。但是清方方案只適用于厚度與規(guī)模不大的小滑坡，但是如果黃土滑坡為一個大型的古滑坡，那么這一方案就不適用，并會占據(jù)過多的田地，由于田地是我們國家有限而又十分珍貴的資源，因此清方方案不夠合理。

3.2 隧道+抗滑樁方案

隧道是穿越地層的交通通道，能夠減少挖方和填方工程量。然而如果所處地形為匝道，并且是高速公路的下坡段，這樣會影響到司機(jī)看車外的視線，極易導(dǎo)致車禍發(fā)生。并且這一方案需要投入大量的資金。造價很高，因此該方案既不經(jīng)濟(jì)，也不合理。

3.3 抗滑樁+錨桿框架梁+截排水綜合方案

這是一個以抗滑樁為主，錨桿框架梁和截排水措施為輔的綜合治理滑坡的方案?？够瑯兑?yàn)橹卫硇Ч容^好、可以靈活的設(shè)置樁位設(shè)、對正在活動的滑坡采用跳躍式施工方法可不加劇其活動性等優(yōu)點(diǎn)，因此要在滑坡治理中優(yōu)先進(jìn)行考慮。截排水措施能夠阻止坡體外的地表水進(jìn)入坡體范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)坡體中的地下水位降低，并減小滲透壓力，讓坡體保持更加穩(wěn)定的狀態(tài)。同時采用錨桿框架梁的加固措施，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性，極大的增加了坡體的安全系數(shù)，因此與上述兩種方案相比，這一方案不僅十分經(jīng)濟(jì)，又很合理。

4 結(jié) 語

總之，在強(qiáng)降雨入滲下的黃土滑坡中，隨著降雨強(qiáng)度的增加，孔隙水壓力也會不斷增大，并降低黃土滑坡的安全系數(shù)，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。因此，在選擇對黃土滑坡的加固方案中，綜合運(yùn)用多種加固方案治理黃土滑坡，不僅安全可靠，同時還經(jīng)濟(jì)合理，尤其是在大型黃土滑坡的治理過程中，更需要采用綜合治理黃土滑坡的方式。

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