不同降雨條件對渣土堆積層邊坡穩(wěn)定影響*

張萬清， 徐玉華， 鄭 銳， 吳澤鵬

(1.福建省水土保持工作站，福建 福州 350001；2.福州大學土木工程學院，福建 福州 350003)

0 引 言

隧道工程等建設項目在施工過程中因爆破等會有棄土棄石產生。這些渣土結構松散，在堆積的不同階段中會形成具有分層現象的坡面，可能會產生失穩(wěn)破壞。有許多的令人觸目驚心的事故說明降雨是觸發(fā)滑坡問題的主要原因之一[1]。

有關渣土場邊坡穩(wěn)定已經進行了大量的研究，不少學者分析了內摩擦角等土壤參數因素對邊坡穩(wěn)定性意義[2,3]。劉建偉針對渣土場邊坡容易發(fā)生坑蝕的問題，收集了渣場在不同坡度位置的渣場數據，并測量了相關的物理指標，并進行了直接剪切試驗并分析原因[4]。劉暉等在分析受到暴雨影響的基礎上，采用GEO-SLOPE軟件對棄渣場整體穩(wěn)定性進行計算，應用瑞典圓弧法進行堆渣穩(wěn)定性分析[5]。王光輝通過實驗室試驗，使用極限平衡法計算邊坡的穩(wěn)定性，并使用不同的方法計算安全系數，分析了渣土堆積層在降雨影響下的邊坡穩(wěn)定性[6]。

以一互層渣土堆積層邊坡模型為例，分析不同降雨峰值分布對孔隙水壓力分布和邊坡危險性的影響。初步探討了不同降雨條件對渣土堆積層邊坡穩(wěn)定性的影響，為生產建設項目棄渣場的風險管理提供了一定的理論參考。

1 考慮降雨影響邊坡穩(wěn)定分析方法

1.1 非飽和滲流及邊坡穩(wěn)定計算

非飽和滲流模擬中，由GeoStudio的SEEP/W模塊進行，滲流的控制方程式為：

(1)

滲透系數的曲線如下式[7]：

kw=ksΘp

(2)

式中：kw表示非飽和土的滲透系數；ks表示飽和滲透系數；Θ=(θw/θs)表示體積含水量與飽和體積含水量的比率，p為滲透系數曲線中的擬合參數。

計算中所采用的土水特征曲線如圖1表示：

圖1 土水特征曲線

邊坡穩(wěn)定性計算選取應用廣泛的Morgenstern-Price法。非飽和土抗剪強度計算選擇Frelund等提出的抗剪強度公式：

τ=c′+(σn-ua)tanψ′+(ua-uw)tanψb

(3)

式中，ua為孔隙空氣壓力；uw為孔隙水壓力；ψb為由負孔隙水壓力的作用而提高的強度；ψ′為有效摩擦角；c′為有效粘聚力。

1.2 計算模型及邊界條件

通過實地調研，發(fā)現渣土堆積層組成主要是由巖石在生產爆破后的開挖、開挖后經坡面下落、運輸汽車-推土機排放所決定的，考慮到渣土各次堆放時間跨度大的影響，其分層現象就會變得明顯，主要包括水平分層和傾斜分層。選取角度為19°的傾斜分層，建立滲流分析的有限元模型，根據施工階段分為5個傾斜分層。邊坡基礎計算模型如圖2所示，坡面總體高度為20m，坡角為26°。地下水位高程在右側為7m，左側為11m。有限元采用結構化四邊形單元，單元尺寸為0.5m。

當降雨強度和邊坡飽和滲透系數相比較，前者較大時，此時的雨水是不完全入滲的形式，這時把他定義為定水頭邊界；而后者較大時，雨水完全入滲，此時將坡面視為為流量邊界。斜坡模型的底部以及左側與基巖接觸的其余部分都是不透水邊界。

圖2 土水特征曲線

由于通常渣土堆積層成分復雜常夾雜石塊，重度變化較大，因此計算時需考慮重度的變異性。本數值模擬黏聚力與內摩擦角均視為正態(tài)分布，將重度視為對數正態(tài)分布，計算參數參考工程實際參數水平。

1.3 降雨工況設計

依據福建省2018年降雨特性分析，短時極端降雨最大雨量達274.0mm[8]?？紤]到在實際生活中，降雨是個不均勻的過程，因此按照時間和降雨量之間的動態(tài)的關系，設置過程降雨總量為300mm，降雨歷時為5d的四種降雨工況：前鋒型、后鋒型、中鋒型、等強形。假設四類工況的降雨量和降雨時間均相同，探究不同雨量峰值出現順序對渣土堆積層的危險性的影響，具體降雨工況如圖3所示。

圖3 按降雨量峰值變化雨型工況圖

2 計算結果分析

2.1 滲流場分析

不同雨型工況以邊界條件的形式施加在邊坡上，模擬不同工況過程中保證降雨歷時、總降雨量等條件不變。為反應孔隙水壓隨時間及空間的變化規(guī)律，提取四類工況降雨過程中邊坡三個分層界面處各節(jié)點土體孔隙水壓，孔隙水壓隨時間變化如圖4。

不同的降雨工況下分層界面處孔隙水壓力的變化規(guī)律有著明顯的差異性。對于工況2后鋒型及工況4中鋒型雨型來說，初期雨量較小，因此界面處剛開始孔壓增長緩慢，隨中后期雨量增大后迅速增大，降雨結束時，后鋒型雨型相較其他幾種雨型工況，孔壓增長較大；工況1削弱型和工況3等強型在初期，降雨較為集中，土體含水量和孔隙水壓的變化也隨之迅速增長。

當土體飽和滲透系數大于滲透系數時，初期降雨的入滲升讀內的土體孔隙水壓力隨降雨量增大而增大。持續(xù)入滲過程中，削弱型工況出現孔隙水壓變小的現象，回落較為明顯。后鋒型雨型邊坡孔壓在降雨過程中持續(xù)增大，對于等強型降雨，降雨的過程中，淺層的孔隙水壓增大到一定的程度后逐漸趨于穩(wěn)定，而其之后的降雨量的增加，僅僅增加其入滲的深度，對于淺層的孔隙水壓并沒有明顯的影響。

圖4 四種工況下孔壓隨時間變化圖

2.2 危險性評價

由于不同降雨條件下堆積層內孔壓分布不同，內部的應力狀態(tài)也隨之改變，進而會對堆積層滑坡的危險性產生不同的影響。但由于四種工況的降雨歷時較短，因此四種工況的失效概率較為接近。各工況下失效概率隨累計降雨量變化如圖5、6，四類雨型危險性評價表如表1所示。

圖5 不同雨量峰值工況下失效概率隨時間變化圖

圖6 不同工況下失效概率隨累計降雨量變化圖

表1 四類雨型危險性評價表

由表1可知，在降雨模擬結束之后，在后鋒型降雨條件下，邊坡失效概率達到了27.45%，相比于其余幾種工況，失穩(wěn)的可能性是最大的，危險程度屬于低危險，接近于中危險。前鋒型降雨工況的失效相比于后鋒型降雨工況低3.8%，且相比于其他幾種降雨條件，前鋒型降雨條件下的堆積層邊坡失效概率為最低。中鋒型和等強型降雨后，堆積層滑坡的危險性已經接近于遞增型，說明等強型降雨相對更危險。

3 結 論

降雨的類型以降雨量的峰值的出現的時間先后順序來進行分類。以降雨量的峰值的出現的時間先后順序可以把降雨類型分為前鋒型、后鋒型、中鋒型和等強型。在相同的降雨的持續(xù)時間和相同的降雨總量的情形下，降雨量的峰值出現的時間先后對邊坡產生了明顯的影響，當降雨期的峰值集中在降雨的后期時，會出現的淺層孔壓回落的現象，危險性是最高，而當降雨期的峰值集中在降雨的前期時，危險性較低。而當中鋒型雨型位于前鋒和后鋒之間時，接近于后鋒型，但是中鋒型的降雨入滲的深度比強型的小，因此他的滑動面的范圍也相對而言比較小，其邊坡相對安全。