降雨中有植被覆蓋土坡大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

黃月華，周 成,2，李紅梅

(1.四川大學(xué) 水電學(xué)院 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2.南京水利科學(xué)研究院 水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210024；3.深圳市益田集團(tuán)股份有限公司, 廣東 深圳 518053)

邊坡的失穩(wěn)破壞一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[1-4]。大部分失穩(wěn)的邊坡表層都有植被覆蓋，而且邊坡的失穩(wěn)往往都發(fā)生在降雨過程中或是降雨后不久[5-7]。降雨過程中，有植被覆蓋土體的雨水入滲率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無植被覆蓋土體的入滲率，入滲的雨水在下滲過程中遇到相對(duì)不透水層時(shí)，就會(huì)有上層滯水和順層滲流的現(xiàn)象發(fā)生[8-9]。

有植被覆蓋的土體中有降雨入滲快速通道的大孔隙結(jié)構(gòu)：動(dòng)物通道、根土間隙、土中裂隙和原始滲流通道[10]。降雨時(shí)，雨水會(huì)率先沿著這些大孔隙結(jié)構(gòu)入滲而形成優(yōu)勢(shì)流，進(jìn)而促使雨水的快速入滲。故在對(duì)有植被覆蓋的土體和無植被覆蓋的土體進(jìn)行滲透試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其初始的入滲速率往往會(huì)相差3到4個(gè)數(shù)量級(jí)[11-12]。

土體中的這些大孔隙結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地之間的孔隙就構(gòu)成了有植被覆蓋土體中新的孔隙體系。而該孔隙體系具有不連續(xù)的特征。當(dāng)土體中存在不連續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)，其SWCC曲線往往表現(xiàn)出雙峰值的特點(diǎn)[13-16]。第一個(gè)峰值為不連續(xù)結(jié)構(gòu)中大孔隙的進(jìn)氣壓力值，第二個(gè)為該結(jié)構(gòu)中相對(duì)較小孔隙的進(jìn)氣壓力值。由此可選用具有雙峰值的SWCC曲線來反映有植被土體的持水能力。

目前，研究植被對(duì)坡體的穩(wěn)定性影響，大都是單純考慮其力學(xué)加固作用[8-9,17-18]，而如何考慮有植被覆蓋土體中大孔隙結(jié)構(gòu)在降雨過程中對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響卻非常少見。本文采用具有雙進(jìn)氣壓力值的SWCC曲線以反映有植被土體的持水能力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有植被坡體在降雨情況下的滲流場(chǎng)和坡體的穩(wěn)定性分析。同時(shí)，文中考慮大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)降雨入滲的影響還可以為CBS(Capillary Barrier System, CBS)防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

在滲流分析時(shí)，采用SEEP/W軟件進(jìn)行計(jì)算，并將由此而得到的滲流場(chǎng)導(dǎo)入SLOPE/W中以進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定分析計(jì)算。計(jì)算方法采用土條間假定最少的Morgenstern-Price 方法。

1 計(jì)算方法

1.1 植被根系的加固作用

現(xiàn)有考慮植被根系對(duì)坡土加固作用的模型有兩類[19]：宏觀模型和土-根系相互作用模型。前者將根系和土簡(jiǎn)化為一個(gè)均勻的土體材料，后者將根系視為嵌入土體中的結(jié)構(gòu)單元。通過宏觀模型，Wu T H等[20]提出用CR來表示根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。本文將采用宏觀模型對(duì)土體c′值提高來反映植被對(duì)邊坡表層土體的加固作用。

1.2 降雨對(duì)坡土抗剪強(qiáng)度的影響

有植被覆蓋土體的表層往往處于非飽和狀態(tài)，在降雨時(shí)，由于降雨入滲濕潤(rùn)鋒下移，導(dǎo)致邊坡表層土體基質(zhì)吸力下降，致使邊坡表層土體抗剪強(qiáng)度降低。

Fredlund D G等[21]提出了非飽和土的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則。

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφ″

(1)

式中：c′為有效黏聚力，kPa；σ為正應(yīng)力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；uw為孔隙水壓力，kPa；φ′是與土體凈應(yīng)力(σ-ua)有關(guān)的內(nèi)摩擦角，(°)；φ″是與土體基質(zhì)吸力有關(guān)的內(nèi)摩擦角，(°)；(ua-uw)為基質(zhì)吸力，kPa。

利用上述公式對(duì)土體強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，就要對(duì)非飽和土開展相應(yīng)的強(qiáng)度試驗(yàn)。而此類試驗(yàn)非常昂貴，且耗時(shí)耗力。針對(duì)基質(zhì)吸力在0～500 kPa范圍內(nèi)(在此范圍內(nèi)土體的有效內(nèi)摩擦角φ′將會(huì)保持不變)，Vanapalli S R等[22]提出基于土體SWCC曲線對(duì)非飽和土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)估，見公式(2)。SLOPE/W軟件也采用了該公式以考慮基質(zhì)吸力對(duì)土體穩(wěn)定性的影響[23]。

(2)

式中：θ為土體內(nèi)的體積含水率；θs為飽和體積含水率；θr為殘余體積含水率，其余同式(1)。

2 邊坡計(jì)算模型與土體參數(shù)

2.1 模型尺寸及邊界條件

邊坡尺寸見圖1，其坡比為1∶1.875，植被根系的深度影響范圍分別假定為1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m和2.00 m。同時(shí)也認(rèn)定有植被覆蓋土體中的大孔隙結(jié)構(gòu)的影響深度也分別為1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m和2.00 m。

圖1邊坡幾何尺寸(單位：m)

穩(wěn)態(tài)滲流時(shí)，邊坡左側(cè)總水頭為13 m，邊坡右側(cè)總水頭為6 m，邊坡底部為不透水。降雨時(shí)的邊界條件為：邊坡的左側(cè)、右側(cè)及底部為不透水邊界，而邊坡的表面、頂部平面和坡腳平面設(shè)置為單位流量邊界。

降雨強(qiáng)度選定為120 mm/d、100 mm/d、86.5 mm/d、80 mm/d和70 mm/d；歷時(shí)均為3 d。

2.2 土體參數(shù)選定

無植被覆蓋土體的重度取為17 kN/m3，φ′取值為30°，c′取為4 kPa。有植被覆蓋的表層土體表觀黏聚力提高值都設(shè)定為5 kPa。并將公式(2)納入對(duì)邊坡土體的抗剪強(qiáng)度分析當(dāng)中。

沒有植被覆蓋土體的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線選擇依據(jù)SEEP/W軟件中的樣本曲線進(jìn)行預(yù)估。其飽和體積含水率為0.50，殘余含水率為0.05；進(jìn)氣壓力值Sb=30 kPa。

有植被覆蓋土體的SWCC在低基質(zhì)吸力段的形狀與土體中的大空隙有關(guān)，而在高基質(zhì)吸力段與土壤質(zhì)地有關(guān)[24]。

假定有植被覆蓋土體的體積含水率為0.60，土體大孔隙結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣壓力值為1.0 kPa。由此無植被土體和有植被覆蓋土體的SWCC曲線見圖2。圖例中“Sb=30 kPa”表示無植被覆蓋土體的進(jìn)氣壓力值，進(jìn)而用此標(biāo)記無植被覆蓋土體；而圖例“Sb1=1.0 kPa；Sb2=30 kPa”中“Sb=1.0 kPa”表示土體大孔隙的進(jìn)氣壓力值為1.0 kPa；而當(dāng)基質(zhì)吸力較高時(shí)，就出現(xiàn)第二個(gè)進(jìn)氣壓力值“Sb2=30 kPa”。

圖2有、無植被覆蓋土體的SWCC曲線

通過Genuchten M T V[25]提出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)土體在不含有植被時(shí)的滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化進(jìn)行預(yù)估。

(3)

式中：ks為飽和土的滲透系數(shù)；a，m為擬合參數(shù)，n=1/(1-m)，ψ為基質(zhì)吸力范圍。

無植被覆蓋土體的飽和滲透系數(shù)為1×10-7m/s；土體大孔隙結(jié)構(gòu)的飽和滲透系數(shù)為1×10-6m/s；進(jìn)而提出無植被覆蓋土體和有植被覆蓋土體的滲透系數(shù)曲線見圖3。

圖3有、無植被覆蓋土體的滲透系數(shù)曲線

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 上層滯水和順層滲流現(xiàn)象

植被根系影響深度為1 m的邊坡在降雨強(qiáng)度為100 mm/d并進(jìn)行到第3 d時(shí)，對(duì)邊坡中的壓力水頭和總水頭值進(jìn)行分析。無植被覆蓋土坡的壓力水頭分布圖和總水頭分布圖見圖4、圖5。

圖4 無植被覆蓋土坡壓力水頭分布圖(單位：m)

圖5無植被覆蓋土坡總水頭分布圖(單位：m)

有植被覆蓋土坡的壓力水頭和總水頭分布見圖6、圖7。

圖6 有植被覆蓋土坡壓力水頭分布圖(單位：m)

圖7有植被覆蓋土坡總水頭分布圖(單位：m)

比較圖4和圖6中壓力水頭為0 m的等值線與邊坡外輪廓線所圍區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)有植被覆蓋邊坡中該區(qū)域覆蓋的范圍從坡腳到了坡頂，而且在它的下面還有非飽和區(qū)域。說明有植被覆蓋邊坡表層出現(xiàn)了上層滯水現(xiàn)象(上層滯水：包氣帶中局部隔水層上的重力水)。而無植被覆蓋的土坡圖4沒有出現(xiàn)該現(xiàn)象。

比較圖5和圖7，發(fā)現(xiàn)有植被覆蓋邊坡的表層出現(xiàn)了總水頭等值線與邊坡坡面線垂直的情況，說明都出現(xiàn)了沿邊坡表層的順層滲流，而且有沿著坡腳不斷往坡頂發(fā)展的趨勢(shì)，這與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀測(cè)現(xiàn)象符合[6]。有植被土坡在2.1 d和第3 d時(shí)坡土中的流速矢量圖見圖8和圖9。

圖8 降雨2.1 d時(shí)的順層滲流流速矢量圖

圖9降雨3 d時(shí)的順層滲流流速矢量圖

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)樵诮涤陼r(shí)，雨水降到邊坡表面，使得該處的基質(zhì)吸力降低，在低基質(zhì)吸力時(shí)，有植被覆蓋土體的滲透性就取決于土體中的大孔隙結(jié)構(gòu)。文中有植被根系存在邊坡大孔隙結(jié)構(gòu)的飽和滲透系數(shù)為1×10-6m/s，無大孔隙結(jié)構(gòu)的土體各自飽和滲透系數(shù)為1×10-7m/s。由于滲透性的差異性，導(dǎo)致在植被根系底部形成了一個(gè)相對(duì)不透水層，故而形成了上層滯水和順層滲流現(xiàn)象。數(shù)值模擬的結(jié)果也說明了采用雙進(jìn)氣壓力值來反映有植被覆蓋土體中的大孔隙結(jié)構(gòu)的合理性。

3.2 穩(wěn)定安全系數(shù)變化情況

下面用“臨界時(shí)刻”來描述降雨條件下大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。在該時(shí)刻，植被根系對(duì)邊坡的力學(xué)加固作用將被大孔隙結(jié)構(gòu)的增滲作用所掩蓋；超過該時(shí)刻，大孔隙的存在對(duì)邊坡的穩(wěn)定性將是不利的。該時(shí)刻的具體選取見圖10。

圖10臨界時(shí)刻的選取

圖10表示大空隙結(jié)構(gòu)的影響深度為1 m、降雨強(qiáng)度為100 mm/d時(shí)，有植被覆蓋邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)和無植被的穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。在該圖中“臨界時(shí)刻”的選取就為兩曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)，在圖中即為21.77 h。

有了對(duì)“臨界時(shí)刻”的定義，接下來分別對(duì)大孔隙影響深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m和2.00 m時(shí)，作出各邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化的曲線圖。由于無植被覆蓋邊坡土體的飽和滲透系數(shù)為1×10-7m/s小于最小的降雨強(qiáng)度70 mm/d(8.1×10-7m/s)，所以在本文所選定的雨強(qiáng)情況下，無植被覆蓋邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的變化基本一致，故在 “臨界時(shí)刻”的確定時(shí)，只采用一條無植被覆蓋邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線作為參考。因此大孔隙影響深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m、1.75 m和2.00 m時(shí)，各邊坡在各個(gè)雨強(qiáng)條件下的臨界時(shí)刻見圖11～圖15。

圖11 穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化(大孔隙深度為1 m)

圖12 穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化(大孔隙深度為1.25 m)

圖13 穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化(大孔隙深度為1.50 m)

圖14 穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化(大孔隙深度為1.75 m)

圖15穩(wěn)定安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的變化(大孔隙深度為2.00 m)

從圖11～圖15可以看出，在大孔隙影響深度一定時(shí)，“臨界時(shí)刻”會(huì)隨著降雨強(qiáng)度的增加而減??；而且同一雨強(qiáng)下，“臨界時(shí)刻”會(huì)隨著植被影響深度的增加而增加。為了進(jìn)一步分析降雨強(qiáng)度和植被根系影響深度對(duì)臨界時(shí)刻的影響。將圖11～圖15中不同植被根系影響深度時(shí)的臨界時(shí)刻與降雨強(qiáng)度的關(guān)系整理為圖16所示。

圖16臨界時(shí)刻隨降雨強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線

從圖16中可以更加清晰地看到，在大孔隙的影響深度一定時(shí)，“臨界時(shí)刻”與降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)出雙曲線關(guān)系。雨強(qiáng)較小，臨界時(shí)刻較大；隨著降雨強(qiáng)度的逐漸增加，臨界時(shí)刻急劇減小并趨近于一個(gè)固定值。這是因?yàn)楫?dāng)降雨強(qiáng)度超過了表層有植被覆蓋土體中的大孔隙的飽和滲透系數(shù)時(shí)，多余的降雨不會(huì)再繼續(xù)滲入邊坡土體，而是形成坡面徑流；故而降雨強(qiáng)度雖有所增加，但邊坡土體的雨水入滲量基本上不變，所以穩(wěn)定安全系數(shù)變化不大，進(jìn)而對(duì)臨界時(shí)刻的影響也逐漸減小，并最終趨向于一個(gè)固定值。而該固定值的大小是與表層有植被覆蓋土體的大孔隙的飽和滲透系數(shù)和根系影響深度有關(guān)的。但從圖中看到，當(dāng)單位凈流量達(dá)到86.4 mm/d(文中設(shè)定的大孔隙結(jié)構(gòu)的飽和滲透系數(shù))時(shí)，隨著雨強(qiáng)的增大，臨界時(shí)刻同樣會(huì)發(fā)生較小的降低。這是由于軟件在計(jì)算過程中水量平衡存在一定的誤差。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)不同的植被根系影響深度，也會(huì)使得臨界時(shí)刻值不同。

由圖11～圖15，還可以得出一定雨強(qiáng)條件下，臨界時(shí)刻與根系影響深度的關(guān)系，具體見圖17。從圖17中可以發(fā)現(xiàn)，在降雨強(qiáng)度一定的情況下，“臨界時(shí)刻”會(huì)隨著大孔隙結(jié)構(gòu)影響深度的增加而線性地增加。

4 結(jié) 論

(1) 采用具有雙峰值的SWCC曲線和滲透系數(shù)曲線可以反映出有植被土坡中大孔隙結(jié)構(gòu)的增滲作用，進(jìn)而模擬出有植被覆蓋土體在降雨入滲過程中存在的順層滲流和上層滯水現(xiàn)象。

圖17臨界時(shí)刻隨根系影響深度的變化

(2) 在大孔隙結(jié)構(gòu)影響深度一定時(shí)，反映大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的“臨界時(shí)刻”與雨強(qiáng)表現(xiàn)出雙曲線的關(guān)系。當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)，臨界時(shí)刻較大；隨著雨強(qiáng)的增加，臨界時(shí)刻急劇減小并最終不變；臨界時(shí)刻的最終值與邊坡表層土體大孔隙結(jié)構(gòu)的飽和滲透系數(shù)有關(guān)。

(3) 在降雨強(qiáng)度一定時(shí)，“臨界時(shí)刻”會(huì)隨著大孔隙影響深度的增加而線性地增加。

(4) 通過具有雙峰值的SWCC曲線和滲透系數(shù)曲線考慮大孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)降雨入滲的影響還可以為CBS防護(hù)系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)提供參考。

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