降雨入滲作用下非飽和土堤穩(wěn)定性分析

摘 要：針對降雨入滲條件下非飽和土堤的穩(wěn)定性，文章采用Fortran軟件結(jié)合強(qiáng)度折減系數(shù)原理以某段非飽和土堤為研究對象，考慮水力滲透系數(shù)特征曲線、修正的Mohr-coulomb破壞準(zhǔn)則，建立了一個考慮非飽和滲流的應(yīng)力應(yīng)變模型。根據(jù)瞬時安全系數(shù)和抗滑薄弱區(qū)分布綜合評判土堤的抗滑穩(wěn)定性，得到降雨作用下土堤穩(wěn)定性的若干規(guī)律。從分析結(jié)果來看：隨著降雨的持續(xù)入滲，土體抗剪強(qiáng)度大幅度下降，抗滑塑性區(qū)始于堤腳并不斷擴(kuò)大，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過一定范圍時，土堤穩(wěn)定性與降雨強(qiáng)度的關(guān)系不再明顯。

關(guān)鍵詞：降雨入滲；非飽和土堤；體積含水率；強(qiáng)度折減

降雨開始后，雨水滲透浸潤線不斷向土堤下部擴(kuò)展，并在滲透路徑較短的堤腳處率先形成飽和區(qū)域，堤腳處開始形成塑性區(qū)，圖2（a）。但坡腳節(jié)點(diǎn)位移增長緩慢；在17h后，上游流域地面土體大致飽和，地面徑流使河道水位抬高，加之土堤上部雨水不斷向下部浸潤補(bǔ)充，堤腳極易形成超飽和區(qū)，并且這種超飽和區(qū)開始向內(nèi)部擴(kuò)展，孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力減少，節(jié)點(diǎn)位移迅速增加，塑性區(qū)向上延伸，如圖2（b）；在50h后，雨水浸潤線接近洪水浸潤線，土體飽和趨于穩(wěn)定，坡腳位移雖有增加但增長緩慢，此時土堤內(nèi)部的塑性區(qū)接近堤頂，圖2（c），折減系數(shù)達(dá)到最小1.43，并從圖中可以清晰看到土堤邊坡的抗滑薄弱面始于堤腳大致呈圓弧狀向堤頂發(fā)展，這與瑞典分條法的假定是一致的。

（a） t=17h

（b） t=45h

（c） t=60h

圖2 降雨時間對土堤薄弱區(qū)發(fā)展的影響

土堤穩(wěn)定性不僅與降雨時長密切相關(guān)，同時又受降雨強(qiáng)度的影響。為研究降雨強(qiáng)度對土堤穩(wěn)定性的影響，分別取R=0.42mm/h（小雨），1.24mm/h（中雨），2.49mm/h（大雨），5.83mm/h（暴雨），11.66mm/h（大暴雨），根據(jù)式（1）（2）改變模型透水邊界的初始入滲流量值。為控制河道內(nèi)洪水水位的影響，假設(shè)各不同降雨強(qiáng)度的水位在同時刻點(diǎn)相同并隨時間逐級增加，計(jì)算各工況下的折減系數(shù)F與降雨強(qiáng)度R關(guān)系如圖3。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體滲透系數(shù)k時，土堤表面的入滲速率取決于降雨強(qiáng)度R，因此不同降雨強(qiáng)度的曲線差異較顯著；而當(dāng)降雨強(qiáng)度繼續(xù)增大并大于土體滲透系數(shù)k時，土堤表層土的飽和度并不會繼續(xù)增加，而是以大致相同的速度向下推移，向下推移的速度取決于土體的飽和滲透系數(shù)，因此不同降雨強(qiáng)度的折減系數(shù)曲線差異較小。

為驗(yàn)證文章所采用方法的有效性，取降雨強(qiáng)度R=11.66mm/h，在已分析的抗滑薄弱面的基礎(chǔ)上，采用基于極限平衡理論的瑞典分條法計(jì)算各對應(yīng)工況的穩(wěn)定系數(shù)如表2，對比發(fā)現(xiàn)兩種方法吻合較好，最大差值為8.9%。不難發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法較有限元方法偏大，主要是因?yàn)橛邢拊椒紤]了土堤模型的初始應(yīng)力、土體材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及坡腳集中滲流所產(chǎn)生的滲流力等因素。

表2 不同方法安全系數(shù)對比

3 結(jié)束語

文章基于有限元理論，改進(jìn)了傳統(tǒng)極限平衡理論對土堤穩(wěn)定分析的不足，建立一個考慮土-水耦合情況下的滲流模型，分析降雨強(qiáng)度對土堤穩(wěn)定分析的影響規(guī)律。

（1）降雨入滲作用下土堤非飽和區(qū)體積含水率增加，引起土的抗剪強(qiáng)度降低，從而影響土堤邊坡的穩(wěn)定性。

（2）降雨條件下坡腳處易產(chǎn)生高飽和區(qū)，在滲透力作用下形成不穩(wěn)定的抗滑塑性區(qū)，并向內(nèi)部擴(kuò)展。因此，在土堤施工和運(yùn)行階段，要做好土堤的排水工程措施。

（3）降雨強(qiáng)度越大，對土堤穩(wěn)定越不利，但當(dāng)降雨強(qiáng)度繼續(xù)增大超過土體滲透系數(shù)時，這種差異不再明顯，而是更多的取決于降雨歷時。

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作者簡介：孫文濤（1991-），男，漢族，河南商丘人，碩士研究生，華北水利水電大學(xué)，研究方向：水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析及模型試驗(yàn)。