基于非飽和滲流的干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析

饒俊勇，彭德剛，李模軍

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

1 干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析現(xiàn)狀

對(duì)于干灰場(chǎng)邊坡的滲流和穩(wěn)定計(jì)算，規(guī)范中沒(méi)有明確規(guī)定，傳統(tǒng)計(jì)算方法是參照水灰場(chǎng)，在滲流計(jì)算基礎(chǔ)上用邊坡穩(wěn)定計(jì)算確定邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。其中滲流計(jì)算多采用穩(wěn)態(tài)飽和滲流，即忽略了非飽和區(qū)滲流作用，并參照水灰場(chǎng)，假定上游有穩(wěn)定的滲流邊界，即穩(wěn)定的積水水位。但實(shí)際上，干灰場(chǎng)灰面上不能形成穩(wěn)定水位。比如分析一個(gè)典型的降雨匯水過(guò)程：當(dāng)降雨量從小到大，大到一定程度，灰場(chǎng)匯水及雨水量大于灰場(chǎng)的排洪能力時(shí)，在灰面上積水并且水位升高，隨時(shí)間的延續(xù)和降雨量的減小，進(jìn)入灰場(chǎng)的水量小于排水系統(tǒng)排水能力，該水位又逐漸下降，直至全部排出灰場(chǎng)。因一次降雨過(guò)程時(shí)間并不長(zhǎng)，灰面上的積水過(guò)程時(shí)間也比較短，故傳統(tǒng)算法中上游(及灰面)滲流邊界是穩(wěn)定水位的假設(shè)和實(shí)際情況有較大的偏差，計(jì)算結(jié)果誤導(dǎo)設(shè)計(jì)。

多位學(xué)者研究的結(jié)論是采用飽和—非飽和滲流模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飽和滲流模型才符合工程實(shí)際。對(duì)于干灰場(chǎng)，正常運(yùn)行時(shí)受灰場(chǎng)內(nèi)潛水滲流作用(該問(wèn)題有爭(zhēng)議，很多人認(rèn)為灰場(chǎng)底部鋪設(shè)防滲膜，灰場(chǎng)內(nèi)不會(huì)有地下水，但實(shí)際中發(fā)現(xiàn)灰場(chǎng)下的確存在一定深度的潛水。文中不探討這個(gè)問(wèn)題，對(duì)分析趨勢(shì)沒(méi)影響)；在降雨時(shí)，表面降雨入滲會(huì)影響灰場(chǎng)的滲流場(chǎng)，使原來(lái)的非飽和區(qū)飽和度提高，甚至抬高潛水地下水位。而且由于降雨的作用，使非飽和區(qū)飽和度提高，基質(zhì)吸力下降，致使灰場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性降低，故一般認(rèn)為降雨條件下邊坡更危險(xiǎn)。

本文以加拿大GEO-STUDIO軟件為平臺(tái)，利用非飽和滲流理論分析干灰場(chǎng)邊坡在降雨情況下穩(wěn)定。

2 非飽和計(jì)算條件

非飽和滲流理論，涉及粉煤灰的水土特征曲線(含水率—基質(zhì)吸力曲線)、粉煤灰的非飽和滲透系數(shù)—含水率曲線、灰面降雨入滲條件等，和傳統(tǒng)的飽和滲流理論有很大區(qū)別，對(duì)灰場(chǎng)滲流計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算有較大影響。

2.1 粉煤灰的水土特征曲線

土是固液氣三相混合體，在非飽和土中，定義基質(zhì)吸力為空氣壓力(σa)和水壓力(σw)的差值，即(σa－σw)?；|(zhì)吸力在很大程度上依賴于土中孔隙水的體積含水率：當(dāng)體積含水率在飽和含水率以下時(shí)，體積含水率越高，基質(zhì)吸力越小，接近飽和含水率時(shí)，基質(zhì)吸力接近于零；反之，體積含水率越低，基質(zhì)吸力越大。當(dāng)體積含水率為飽和含水率時(shí)，空隙水壓力為靜水壓力，基質(zhì)吸力為零；在飽和區(qū)，體積含水率隨著正的孔隙水壓力增大而增大，但變化很小，即其斜率很小?；|(zhì)吸力—土的體積含水率之間的關(guān)系曲線稱為土水特征曲線，其為土體基本特性之一。

2.2 粉煤灰的滲透系數(shù)—孔隙水壓力曲線

滲透系數(shù)—孔隙水壓力曲線是另外一個(gè)非飽和土體的基本特性.在非飽和區(qū)(即負(fù)孔隙水壓區(qū))，滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力增大而減小。這主要是由于在飽和土中，所有顆粒之間的孔隙都充滿了水，水的滲流路徑就是顆粒間的孔隙，沒(méi)其他阻礙。一旦空氣進(jìn)入(土體變?yōu)榉秋柡?，空氣占用部分孔隙，相對(duì)與水流動(dòng)而言，空氣填充的孔隙就成為非傳導(dǎo)的管道，水的滲流路徑變得更加曲折，也就導(dǎo)致了土傳導(dǎo)水的能力(滲透系數(shù))減小。當(dāng)基質(zhì)吸力越大時(shí)，更多的孔隙也就被空氣所充填，滲透系數(shù)也就進(jìn)一步減小。

2.3 降雨入滲條件

非飽和入滲過(guò)程中，降雨的水分有多少能夠進(jìn)入土坡內(nèi)部，在計(jì)算中仍然存在較大的疑問(wèn)，而進(jìn)入土坡內(nèi)部雨量的多少是對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響的重要因素。因此，降雨入滲量的問(wèn)題仍被認(rèn)為是非飽和滲流中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

計(jì)算中按照：以表層粉煤灰的飽和滲透系數(shù)為判別依據(jù)，灰場(chǎng)表面及斜坡處即入滲邊界，取為流量邊界或給定水頭邊界。如果雨強(qiáng)小于粉煤灰的飽和滲透系數(shù)，按流量邊界處理，大小為降雨強(qiáng)度，如果雨強(qiáng)大于粉煤灰的飽和滲透系數(shù)，一部分雨水沿坡面流失，會(huì)在坡面形成一薄層水膜，此時(shí)可按給定水頭邊界處理。

2.4 土層強(qiáng)度特性

目前工程實(shí)際中對(duì)邊坡穩(wěn)定分析仍廣泛采用剛體極限平衡法。為了反映降雨作用的影響，F(xiàn)redlund 的抗剪強(qiáng)度理論強(qiáng)調(diào)負(fù)孔隙水壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，目前得到巖土界的廣泛認(rèn)可，公式如下：

式中：τf為非飽和土抗剪強(qiáng)度；C，φ分別為有效凝聚力和有效內(nèi)摩擦角；σn為法向應(yīng)力；σa為空氣壓力 ；σw為水壓力；φb為隨吸力變化的內(nèi)摩擦角。

從式中可以看出，非飽和土的抗剪強(qiáng)度除了與c、φ及法向應(yīng)力有關(guān)外，還與基質(zhì)吸力有關(guān)。當(dāng)土體飽和時(shí)，可以認(rèn)為基質(zhì)吸力 等于零，退化為傳統(tǒng)的摩爾—庫(kù)侖公式，故上式又稱延伸的摩爾—庫(kù)侖定律。降雨時(shí)，土體飽和度和孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力 減小，抗剪強(qiáng)度明顯減小，從理論上解釋了降雨條件下滑坡產(chǎn)生的機(jī)理。根據(jù)上述公式，按照條分法的思想，建立整個(gè)滑動(dòng)土體力及力矩平衡方程，得到極限平衡法安全系數(shù)的計(jì)算公式。

2.5 降雨時(shí)程曲線

根據(jù)水文記錄，四川旺蒼地區(qū)24小時(shí)最大降雨量260 mm，最長(zhǎng)降雨持續(xù)時(shí)間16天，累積降雨170 mm。廣西南寧24小時(shí)最大降雨量198 mm，最長(zhǎng)降雨持續(xù)時(shí)間24天，累積降雨384 mm。印尼芝拉扎地區(qū)，24小時(shí)最大降雨量443.8 mm(100年一遇)，缺乏一次持續(xù)降雨時(shí)間記錄。本計(jì)算依據(jù)印尼及國(guó)內(nèi)南方地區(qū)降雨資料，初步擬定降雨條件：每天降雨150 mm，降雨持續(xù)10天。模擬一次超強(qiáng)降雨過(guò)程，一般降雨很難達(dá)到如此強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。

3 計(jì)算結(jié)論

3.1 滲流場(chǎng)變化

依據(jù)擬定的降雨條件及估算的粉煤灰水土特征曲線、含水率—滲透系數(shù)曲線、入滲條件，以某工程干灰場(chǎng)邊坡為算例進(jìn)行計(jì)算。該干灰場(chǎng)邊坡位于粘土地基上，由初期粘土壩和5級(jí)子壩構(gòu)成，子壩均為粉煤灰修建。滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2，其中圖1為降雨剛開(kāi)始時(shí)的滲流場(chǎng)，圖2為強(qiáng)降雨10天后的滲流場(chǎng)。由圖可見(jiàn)，在初始水位差作用下，灰場(chǎng)內(nèi)形成滲流場(chǎng)，浸潤(rùn)線為單一浸潤(rùn)線，在浸潤(rùn)線以上為非飽和區(qū)，灰場(chǎng)下部為飽和區(qū)，即灰場(chǎng)上部為負(fù)孔隙水壓力區(qū)；由孔隙水壓力等勢(shì)線分布可見(jiàn)，灰場(chǎng)上部負(fù)孔隙水壓力區(qū)內(nèi)負(fù)孔隙水壓力較大。隨著降雨持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，灰場(chǎng)上部負(fù)孔隙水壓力逐漸減小，較大負(fù)孔隙水壓力區(qū)范圍逐漸減小，甚至在灰場(chǎng)頂面出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)；此時(shí)，2條主要的浸潤(rùn)線將灰場(chǎng)從上到下分為飽和區(qū)，非飽和區(qū)，飽和區(qū)，其中最上面飽和區(qū)是隨降雨及滲流時(shí)間變化的，是暫態(tài)飽和區(qū)。降雨第10天時(shí)，灰場(chǎng)上部的浸潤(rùn)線基本和坡面平行，飽和區(qū)形狀基本與坡面形狀類似；飽和區(qū)在坡頂處最薄，向灰場(chǎng)內(nèi)逐漸加厚，向坡腳也逐漸加厚，最厚處厚約1.5 m。但在坡腳處及第1級(jí)子壩壩頂處，出現(xiàn)了非飽和區(qū)。

圖1 剛開(kāi)始降雨時(shí)灰場(chǎng)滲流場(chǎng)

圖2 強(qiáng)降雨10天時(shí)灰場(chǎng)滲流場(chǎng)

3.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖3示意了降雨過(guò)程中某時(shí)刻最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置及形狀。由圖可見(jiàn)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面從坡頂上穿入，從坡腳處地面線滑出，其間穿過(guò)粉煤灰層、子壩粉煤灰層和地基粘土層。通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算可得，在強(qiáng)降雨時(shí)，滑動(dòng)面隨降雨持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)而向坡腳位置移動(dòng)，最后進(jìn)出點(diǎn)均在坡腳附近上。

為了研究不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間(降雨持續(xù)時(shí)間)的變化，繪制出邊坡最小安全系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。其中圖4為降雨條件下最小安全系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

由圖可見(jiàn)，在降雨條件，邊坡最小安全系數(shù)隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，即隨降雨持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)降低。強(qiáng)降雨條件下，最小安全系數(shù)由1.306降低到1.117，下降幅度為

圖3 降雨時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置

圖4 降雨最小安全系數(shù)－時(shí)間曲線

4 主要結(jié)論

通過(guò)分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)對(duì)于干灰場(chǎng)和封閉后的水灰場(chǎng)，用飽和—非飽和滲流模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飽和滲流模型更符合工程實(shí)際。

(2)在強(qiáng)降雨條件下，在灰場(chǎng)表面和坡面均出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。飽和區(qū)在坡頂處較薄，在頂面遠(yuǎn)離坡頂處和鄰近坡腳處較厚，較厚的地方有1.5 m厚左右。隨降雨持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，飽和帶向下發(fā)展，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，飽和帶發(fā)展深度越深。

(3)降雨入滲會(huì)使灰場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)降低。因本文中模擬的降雨條件大于實(shí)際強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間，故實(shí)際上灰場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)降低幅度比計(jì)算值小。

(4)本文采用的非飽和滲流計(jì)算干灰場(chǎng)和封閉后水灰場(chǎng)在理論上是有先進(jìn)性的，但缺乏實(shí)測(cè)資料，并且沒(méi)考慮蒸發(fā)的影響。故用該理論計(jì)算干灰場(chǎng)邊坡穩(wěn)定，需進(jìn)一步研究。

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