降雨對巫山縣城老林場回填土高邊坡的影響研究

王梓帆 楊鵬 侯珍珠 夏宇

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

0 引言

降雨是一種十分常見的天氣。我國山區(qū)，降雨對邊坡的影響十分嚴重，在許多工程項目中形成的許許多多的土質(zhì)由于受到降雨的影響，增加項目難度和項目的投資。于是研究考慮流固耦合的降雨入滲對非飽和土質(zhì)邊坡影響成為許多專家學(xué)者研究話題。在國際上，Papagian-nakis等人用加權(quán)余量法推導(dǎo)了二維的有限元分析方法:Lumbp等人在飽和問題中采用基于伽遼金法選取加權(quán)余量法的權(quán)函數(shù)法分析問題:在國內(nèi)，荊周寶等人提出了基于考慮流固耦合的降雨入滲對非飽和土質(zhì)邊坡影響的有限元模型分析方法:李宏偉等人進行了降雨入滲條件下的土質(zhì)邊坡非飽和滲流的二維分析:但是上述分析中，專家學(xué)者們只是分析某一單場研究，并沒有將滲流場跟應(yīng)力場耦合起來分析，或者只是在理想的土質(zhì)邊坡模型上分析流固耦合，沒有結(jié)合實際工程進行分析。

本文選取巫山縣城老林場安置區(qū)回填土高邊坡為例研究降雨入滲的流固耦合作用下對大體積回填土質(zhì)邊坡的影響，利用功能強大的有限元分析軟件ABAQUS，建立老林場安置區(qū)回填土高邊坡的數(shù)值分析模型，得出了降雨對非飽和大體積回填土高邊坡的影響機理及特征，對大體積回填土高邊坡的治理設(shè)計及預(yù)測預(yù)警具有理論研究與工程實踐借鑒意義。

1 老林場回填土高邊坡地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

老林場高邊坡位于巫山縣新縣城龍門街道老林場安置區(qū)南西側(cè)，為回填土高邊坡，回填已有二年的時間。填土厚度一般25 m～35 m，最厚可達38 m，填方面積約20 000 m2，形成的邊坡坡向76°，坡度33°～35°，邊坡長 170 m，坡高 20 m ～38 m。坡頂處為安置小區(qū)地坪，高程263m。坡底高程一般220 m～240 m，最低210 m，為緩坡平臺?？辈毂砻?，場區(qū)及周邊覆蓋層為素填土()、殘坡積土();基巖為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥巖、泥灰?guī)r。圖1為老林場回填土高邊坡典型剖面圖。回填土基本不含水，僅在底部巖土界面處有積水回填土為弱透水性。

1.2 變形情況

邊坡自形成以來，總體尚穩(wěn)定，但在雨季或暴雨后邊坡表部局部出現(xiàn)坍滑，規(guī)模為10 m3左右。

2 降雨對老林場回填土高邊坡影響的數(shù)值模擬方法

本文主要通過數(shù)值試驗來研究降雨對老林場邊坡的影響，采用的是ABAQUS有限元分析方法。

2.1 有限元網(wǎng)格模型

本文選取老林場回填土高邊坡的典型剖面作為有限元分析模型。將回填土視為均布孔隙的多孔介質(zhì)，選取典型的摩爾—庫侖屈服準則，對老林場回填土高邊坡進行滲流場與應(yīng)力場的耦合分析。本文模型網(wǎng)格回填土區(qū)域劃分采取掃略網(wǎng)格劃分方式，下方基巖采用自由網(wǎng)格劃分模式。為了有益于模型的網(wǎng)格劃分，本文將回填土下方基巖進行幾何簡化，簡化為規(guī)則四邊形?；靥钔辆W(wǎng)格單元模型為CPE4P耦合平面孔隙應(yīng)變單元，下方基巖網(wǎng)格單元模型為CPE3耦合平面應(yīng)變單元，共1 632個單元。

圖1 巫山縣城老林場回填土高邊坡剖面圖

2.2 計算參數(shù)的選取與設(shè)置

在ABAQUS有限元模型中，采用理想的Mohr-Coulomb彈塑性材料模擬回填土跟基巖，巖土物理力學(xué)計算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

回填土滲透性參數(shù)選取與設(shè)置。

本文假設(shè)所有雨水全部入滲，坡體表面為流量邊界。降雨入滲過程采取滲透系數(shù)隨飽和度的變化過程，而根據(jù)土體的土—水特征曲線可知，飽和度與基質(zhì)吸力有關(guān)，故用滲透系數(shù)的折減系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系來模擬滲透系數(shù)的變化。定義初始的滲透系數(shù)為1.8×10－5cm/s，圖2為老林場土—水特征曲線。

在ABAQUS中基于流固耦合機理，定義滲透系數(shù)隨孔隙率、孔隙比的變化來實現(xiàn)流固耦合在有限元軟件中的實現(xiàn)。根據(jù)流固耦合的經(jīng)驗公式計算可得表2。

表2 滲透系數(shù)與孔隙比、孔隙率變化計算表

圖2 回填土的土—水特征曲線

2.3 邊界條件和荷載的設(shè)置

約束模型左右邊界的水平位移跟底部的水平豎直方向位移，用來模擬老林場的左右邊界。

設(shè)置荷載及降雨工況:巫山縣自2001年至2016年年平均降雨量為1 087.4 mm，最大日降雨量為371.3 mm，5月～10月降雨量占全年的77%。對于填土邊坡，降雨為誘發(fā)其失穩(wěn)的主要因素，取滑坡失穩(wěn)時的平均降雨量105.8 mm/d為本次數(shù)值實驗日降雨量。在ABAQUS中設(shè)置土體的重力，并通過幅值的設(shè)置來模擬3 d的連續(xù)降雨，設(shè)置降雨強度為105.8 mm/d。

3 降雨對老林場回填土高邊坡影響數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 滲流場分析

本文模擬3 d降雨，如圖3，圖4所示為孔隙水壓分布圖，圖5為浸潤線變化圖，在ABAQUS中孔隙水壓為0處就是浸潤線的位置，上部分為非飽和區(qū)域，下部為飽和區(qū)域，非飽和土體孔隙水壓力為負值。結(jié)合圖3，圖4分析，直觀的發(fā)現(xiàn)原始孔壓與降雨停止10 d的孔壓分布圖有十分明顯的區(qū)別，其原理是降雨入滲后，斜坡頂部以下的吸力區(qū)范圍減小，基質(zhì)吸力顯著降低。降雨剛結(jié)束時，由于滑體內(nèi)部滲透性較低，雨水來不及下滲，在滑坡體淺層出現(xiàn)暫態(tài)飽和帶，基質(zhì)吸力逐漸減小。圖4為降雨停止10 d后的孔壓云圖，對比分析可知隨著停雨時間延長，土體的飽和度減小，土體的淺層基質(zhì)吸力逐步恢復(fù)。

圖3 原始孔壓云圖

圖4 降雨結(jié)束10 d后孔壓云圖

圖5 為老林場高邊坡在降雨過程中浸潤線的變化圖，由圖5可以直觀的看出隨著降雨入滲，浸潤線總體開始呈現(xiàn)上升趨勢，在降雨剛結(jié)束時在淺層形成暫態(tài)飽和區(qū)，隨著降雨不斷地入滲，入滲程度加深，浸潤線呈現(xiàn)下降趨勢，而在降雨結(jié)束10 d左右，雨水全部入滲，浸潤線下降到穩(wěn)定狀態(tài)，但總體相比初始浸潤線呈上升走勢。由圖5可以直觀看出降雨入滲過程主要影響淺表層回填土的穩(wěn)定。

3.2 變形分析

圖6給出了老林場降雨結(jié)束10 d之后的水平位移云圖，由圖6可以直觀的看出主要是坡體表層發(fā)生變形，最大位移量為11.51 cm可以看出由于降雨入滲與重力作用結(jié)果，邊坡有沿著坡體表層變形破壞的趨勢。

圖5 降雨過程中浸潤線變化圖（局部放大圖）

圖6 降雨結(jié)束10 d后水平位移云圖

3.3 塑性區(qū)分析

圖7 為老林場回填土高邊坡在考慮降雨入滲后的塑性區(qū)云圖。云圖顯示坡腳首先發(fā)生塑性變形，后塑性區(qū)沿著基巖界面向上延伸，但并未完全貫通，說明連續(xù)3 d的強降雨并未影響邊坡的整體穩(wěn)定。

圖7 降雨入滲后塑性區(qū)云圖

3.4 降雨對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響

圖8 為降雨結(jié)束時間與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖。該圖為利用極限平衡法計算得到的不同浸潤線時的穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果，由此可知:

1)降雨對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大。降雨開始至停雨后10 d，K=1.148 ～1.163，比未降雨時K 值減少0.024 ～0.009，降低2% ～0.77%，邊坡整體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2)降雨對邊坡淺表層影響較大。降雨剛結(jié)束時，在回填土淺層形成暫態(tài)飽和區(qū)，表部土體K=1.056，K值降低16%，邊坡表部土體處于極限平衡狀態(tài)，局部出現(xiàn)坍滑，隨著降雨結(jié)束時間的延長，滲透作用加強，暫態(tài)飽和區(qū)逐步消失，浸潤線下降，K值逐步上升，降雨結(jié)束第10天，K=1.126，邊坡表部土體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但較降雨前仍降低11%。

圖8 降雨結(jié)束時間與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文基于ABAQUS考慮流固耦合的降雨入滲過程來研究老林場回填土高邊坡的孔壓，位移，塑性區(qū)，有效應(yīng)力以及穩(wěn)定性系數(shù)的變化特征，得出以下主要結(jié)論:

1)降雨對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不大。降雨開始至停雨后10 d，塑性區(qū)并未貫通，K=1.148～1.163，比未降雨時 K 值減少0.024～0.009，降低2% ～0.77%，邊坡整體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2)降雨對邊坡淺表層影響較大。降雨剛結(jié)束時，在回填土淺層形成暫態(tài)飽和區(qū)，表部土體K=1.056，K值降低16%，邊坡表部土體處于極限平衡狀態(tài)，局部出現(xiàn)坍滑，隨著降雨結(jié)束時間的延長，滲透作用加強，暫態(tài)飽和區(qū)逐步消失，浸潤線下降，K值逐步上升，降雨結(jié)束第10天，K=1.126，邊坡表部土體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但較降雨前仍降低11%，此時位移量達11.51 cm。