不同降雨條件下裂隙性土質(zhì)邊坡滲流特性分析

萬思豪 張繼勛 張景風(fēng)

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

降雨是自然界普遍的現(xiàn)象，其對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，降雨入滲的過程中，水分滲入坡體內(nèi)部，地下水位升高，孔隙水壓力的增加導(dǎo)致坡體下滑力增大，降雨入滲過程中土體抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)會隨著飽和度的增加而變化，降低了土體的抗剪強(qiáng)度[1-2].同時，土質(zhì)邊坡具有脹縮性及裂隙性[3-4]，裂隙的存在破壞了土體的完整性，顯著改變了降雨入滲條件下的滲流分布.目前已有許多學(xué)者對降雨條件下的含裂隙邊坡進(jìn)行了研究：如姚海林等[5]研究了降雨強(qiáng)度對膨脹含裂隙邊坡的影響；鄭少河等[6]對裂隙性膨脹土飽和-非飽和降雨入滲過程進(jìn)行分析；劉華強(qiáng)[7]對考慮降雨情況下的裂隙性膨脹土進(jìn)行了邊坡滲流穩(wěn)定的分析方法研究.總體來說，目前研究成果多集中在僅考慮單一降雨條件下的裂隙性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定，研究降雨強(qiáng)度及降雨類型對裂隙性土質(zhì)邊坡滲流特性影響的并不多見，結(jié)合氣象部門的降雨標(biāo)準(zhǔn)模擬降雨強(qiáng)度的更是少之又少，相應(yīng)的規(guī)律還有待總結(jié).

本文基于飽和-非飽和滲流理論，結(jié)合國家氣象部門的降雨標(biāo)準(zhǔn)，選取小雨、中雨及大雨3種降雨強(qiáng)度，對前鋒型、平均型、中鋒型及后鋒型4種不同降雨類型，運(yùn)用Geo-studio有限元分析軟件中的Seep/w模塊研究了不同降雨強(qiáng)度、不同降雨類型下考慮裂隙深度、裂隙孔隙比的裂隙邊坡滲流特性，以期得到相關(guān)規(guī)律，為對應(yīng)工況下的滑坡穩(wěn)定提供參考.

1 計(jì)算理論

邊坡降雨入滲過程中邊坡土體經(jīng)歷了一個非飽和-飽和滲流過程.土質(zhì)邊坡或存在裂隙發(fā)育邊坡的降雨入滲問題均可采用等效連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行分析，其控制方程為：

式中，h為飽和區(qū)壓力水頭，在非飽和區(qū)為基質(zhì)吸力的勢函數(shù)，簡稱基質(zhì)勢；C(h)為比水容量，表示單位土體壓力水頭降低一個單位所釋放出的水體體積；K(h)ij為滲透系數(shù)，處于非飽和區(qū)時為基質(zhì)勢h的函數(shù)；S為貯水系數(shù)；β在非飽和區(qū)取1，飽和區(qū)取為0；R為源項(xiàng).

用數(shù)值方法研究裂隙邊坡，對裂隙的模擬主要有兩類，一種是認(rèn)為裂隙在雨水入滲時很快飽和，將裂隙作為水頭處理，另一種是將裂隙等效為不同于原狀土的均質(zhì)材料.前種方法較為復(fù)雜且計(jì)算量大，一般很少采用.本文采用第二種方法，認(rèn)為裂隙邊坡由裂隙土及原狀土構(gòu)成.對于原狀土及裂隙土的土水特征和滲透系數(shù)，引用Van Genuchten[8]提出的閉合方程進(jìn)行擬合估算.

式中，θw為含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；κs為飽和滲透系數(shù)；κw為不同基質(zhì)吸力下土體的滲透系數(shù)；Ψ為土體的基質(zhì)吸力；α，m，n均為閉合方程的擬合參數(shù)，.

對于裂隙本身誘導(dǎo)產(chǎn)生各向異性的相關(guān)理論，根據(jù)袁俊平[9]、殷宗澤等[10]的相關(guān)研究，不同的裂隙深度、裂隙方向與垂直裂隙方向滲透系數(shù)的比值ε(簡稱滲透比)都會對降雨入滲的滲流場分布產(chǎn)生較大影響.因此，在研究不同降雨強(qiáng)度、不同雨型條件下裂隙邊坡滲流特性時，有必要將裂隙的開展深度、裂隙孔隙比也考慮在內(nèi).

2 計(jì)算模型、參數(shù)與計(jì)算方案

2.1 模型建立

模型參照浙江省寧波市鎮(zhèn)海區(qū)某土質(zhì)邊坡，地下水位距離不透水層約3m，坡頂長5m，坡高4m，坡比為1∶2，坡底長5m，裂隙設(shè)置于坡頂x=5處，沿裂隙面從上至下每隔0.5m 設(shè)一監(jiān)測如圖1所示.模型上表面均為降雨入滲邊界，模型網(wǎng)格全局剖分810個單元，860個節(jié)點(diǎn)，如圖2所示.

初始滲流場取為如圖1所示的初始地下水位下的滲流場，其邊界條件為：x軸為不透水邊界；地下水位線以下左右邊界為零流量邊界、水位線以上左右邊界為不透水邊界；邊坡表面為降雨入滲邊界，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體的滲透系數(shù)時，入滲強(qiáng)度為土體的滲透系數(shù)數(shù)值大小，反之則為降雨強(qiáng)度的數(shù)值大小.

圖1 計(jì)算模型

圖2 有限元網(wǎng)格圖

2.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算方案

原狀土參數(shù)參考文獻(xiàn)[9]：α=166.7kPa，n=1.567，θs=0.495cm3/cm3，θr=0.262cm3/cm3，ksat=2.83×10-2cm/d.裂隙土參數(shù)在原狀土基礎(chǔ)上考慮飽和滲透系數(shù)不同，裂隙土垂直裂隙方向的飽和滲透系數(shù)ksatx=2.83cm/d.用VG 模型進(jìn)行擬合估算得到滲透系數(shù)及土水特征.

根據(jù)國家氣象部門規(guī)定的降雨量標(biāo)準(zhǔn)，降雨可分為小雨(0～10mm/d)、中雨(10～25mm/d)、大雨(25～50mm/d)、暴雨(50～100mm/d)、大暴雨(100～250mm/d)和特大暴雨(＞250mm/d)共6種各類雨的降水量，本文研究前3種常遇的降雨強(qiáng)度，即小雨、中雨和大雨，分別取10mm/d、24mm/d 和48 mm/d進(jìn)行計(jì)算.再分別結(jié)合平均型、前鋒型、中鋒型及后鋒型4種不同降雨類型，總計(jì)12種降雨情況，考慮降雨時長為24h，停雨12h，降雨過程如圖3所示.

圖3 降雨過程圖

圖4 工況A、B、E情況下降雨歷時12h體積含水率變化圖

圖5 工況A、B、E情況下降雨歷時24h體積含水率變化圖

考慮到裂隙深度對降雨入滲的影響，方案A、B取不同裂隙深度進(jìn)行模擬計(jì)算，裂隙開展深度根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分別取2m、3m.同時，考慮裂隙滲透比對降雨入滲的影響，方案C、D、B分別取ε為1、10、100.方案E為不含裂隙的原狀均質(zhì)土坡在不同類型降雨條件下的工況.具體計(jì)算方案見表1.

表1 計(jì)算方案

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 裂隙深度不同情況下考慮雨強(qiáng)及雨型的滲流特性

裂隙深度為2 m 及裂隙深度為3 m 情況下，體積含水率隨深度(m)變化情況如圖4～6所示.

圖6 工況A、B、E情況下降雨歷時36h體積含水率變化圖

由圖4～6的(a)可見，對于無裂隙的原狀土，雨水入滲土體由表及里，土體表層最先達(dá)到飽和，濕潤鋒向下發(fā)展，體積含水率隨深度增大逐漸遞減.對于考慮不同裂隙深度的含裂隙邊坡，體積含水率隨深度變化呈現(xiàn)出一個反S型.這是由于裂隙邊坡因裂隙的存在，雨水下滲速率變大，水分難聚集，裂隙區(qū)域土體較難達(dá)到飽和狀態(tài)，故裂隙土體區(qū)域體積含水率隨深度增加而增大，裂隙埋深之下則恢復(fù)隨深度增加而減小的趨勢，由于存在地下水位，體積含水率減小到一定“轉(zhuǎn)承值”時，又會隨深度逐漸增大，直至地下水位處.因此，含裂隙土體的體積含水率沿埋深變化呈反S型.同時，不同裂隙深度決定反S型的拐點(diǎn)位置，裂隙深度越大，表層土體體積含水率越小，裂隙區(qū)域達(dá)到飽和狀態(tài)所需時間越長.

不同降雨類型由于降雨的不均勻性，使得不同時段體積含水率在數(shù)值上呈現(xiàn)不同規(guī)律.對于無裂隙原狀土，在降雨初期，前鋒型降雨表層土體體積含水率迅速增大，在降雨后期，后鋒型降雨土體體積含水率最大.這種降雨不均所帶來的差異性在停雨后增加逐漸縮小，至停雨12h后，不同類型降雨的影響幾乎為零.不同雨強(qiáng)情況下，降雨強(qiáng)度越大，降雨前期的土體體積含水率增長越快，到達(dá)飽和所需時間越短.當(dāng)強(qiáng)度增大到一定值時，由于土體飽和或接近飽和，雨強(qiáng)影響減小，例如圖5中平均型降雨，由小雨到中雨，表層土體體積含水率明顯增大，而由中雨到大雨，表層土體體積含水率幾乎不變.對于含裂隙土體而言，不同雨型及雨強(qiáng)對其滲流過程的影響大體與無裂隙原狀土一致.

對于土體的孔隙水壓力，各降雨類型孔隙水變化趨勢與體積含水率變化相似，下面給出大雨情況下孔隙水壓力隨埋深(m)的變化，如圖7所示.可以發(fā)現(xiàn)，含裂隙工況下，孔壓變化明顯不同于無裂隙土工況，裂隙土體內(nèi)部孔壓變化規(guī)律同樣呈反S型.不同降雨類型對孔壓的影響仍是由降雨分布不均造成，且在降雨后12h影響幾乎消失.不同裂隙深度決定了反S型的拐點(diǎn)深度.

圖7 大雨情況下工況A、B、E孔隙水壓力變化圖

3.2 裂隙孔隙滲透比不同情況下考慮雨強(qiáng)及雨型的滲流特性

裂隙孔隙滲透比為1和10情況下，土體體積含水率隨深度(m)變化情況如圖8～10所示.

圖8 工況C、D、E情況下降雨歷時12h體積含水率變化圖

圖9 工況C、D、E情況下降雨歷時24h體積含水率變化圖

圖10 工況C、D、E情況下降雨歷時36h體積含水率變化圖

不含裂隙原狀土邊坡在不同降雨條件下土體體積含水率隨深度增大而減小.對于考慮不同滲透比的含裂隙土坡，由圖6～8可見：ε=1的體積含水率隨埋深增大而減小直至“轉(zhuǎn)承點(diǎn)”，這是由于滲透系數(shù)較小，雨水無法快速下滲，從而在淺層土體積含水量較大，使土體含水量會隨著深度增大而呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；ε=10的體積含水率隨埋深呈反S型，是因?yàn)榱严锻翝B透系數(shù)較大，雨水在裂隙中快速下滲.

不同降雨強(qiáng)度對不同裂隙孔隙比的邊坡土體體積含水量變化影響較大.以圖9中ε=1的平均型降雨為例，在小雨情況下，平均型降雨淺層土體出現(xiàn)一小段范圍沿埋深增大體積含水量也增大，而在中雨情況下這一范圍進(jìn)一步縮小，在大雨情況下已經(jīng)消失了.這是因?yàn)楫?dāng)降雨強(qiáng)度較小時，表層入滲雨量還未超過土體的下滲能力，在表層某一范圍內(nèi)下滲快，從而出現(xiàn)淺層土體小范圍隨深度增大而增大.隨著降雨強(qiáng)度變大，這一范圍也隨之消失.可以推測，當(dāng)降雨強(qiáng)度足夠大時，不同ε值裂隙邊坡土體體積含水量隨埋深變化趨勢相同，均隨埋深增加而增加.同時，將工況D 與工況B 進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)ε=10和ε=100的情況下，變化規(guī)律幾乎相同，可以推測，對應(yīng)于某一降雨強(qiáng)度，存在一臨界ε'，當(dāng)ε大于ε'時，裂隙滲透比再增大時，影響差異并不明顯.

對于孔隙水壓力，同樣給出大雨情況下孔隙水壓力隨埋深(m)的變化，如圖11所示.可以看到，大雨情況下同一降雨類型下，裂隙滲透比ε為1及10的孔隙水壓力呈現(xiàn)不同規(guī)律.ε=1時，孔隙水壓力隨深度增大而減小，絕對值增大，主要是因?yàn)轶w積含水率隨深度增大而減小，而當(dāng)裂隙體積含水率減小時，不飽和度增大所造成.ε=10時，孔隙水壓力隨深度增大而減小.不同降雨類型帶來的影響主要還是由于降雨分布不均所造成，且在停雨12h后影響幾乎消失.

圖11 大雨情況下工況C、D、E孔隙水壓力變化圖

4 結(jié) 論

1)裂隙滲透比越大，雨水下滲越快，對應(yīng)相應(yīng)降雨強(qiáng)度存在一“臨介滲透比ε'”，當(dāng)滲透比大于ε'，體積含水率及孔壓表現(xiàn)出一致規(guī)律，即在裂隙區(qū)域隨埋深增大而增大.當(dāng)小于ε'時，隨埋深增大而減小.

2)裂隙性土質(zhì)邊坡在ε大于ε'時，不同雨強(qiáng)及雨型條件下土體體積含水率及孔壓隨埋深變化均呈反S型，即先隨埋深增大逐漸增大，到達(dá)拐點(diǎn)后隨埋深增大而減小，最后再一次隨埋深增大而增大.拐點(diǎn)深度取決于裂隙深度.

3)不同降雨類型由于降雨的不均勻性，影響裂隙邊坡土體在某一時段內(nèi)土體體積含水量及孔壓數(shù)值上的差異.但對于整體趨勢影響不大，并且不同降雨類型帶來的影響在停雨后一段時間即會消失.

4)不同降雨強(qiáng)度對含裂隙邊坡影響較大，降雨強(qiáng)度越大，含裂隙邊坡土體達(dá)到飽和時間越短，但當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到一定值時，降雨強(qiáng)度大于土體入滲強(qiáng)度，降雨入滲將由土體滲透系數(shù)控制.對于不同裂隙孔隙比，當(dāng)降雨強(qiáng)度足夠大時，不同孔隙比下的裂隙土體體積含水率變化趨勢將會相同，均隨埋深增加而增加.