不同降雨入滲影響因素下壩肩邊坡穩(wěn)定性分析

周清勇 熊 磊,2 胡國平,2

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029;2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

降雨入滲引起的邊坡變形與失穩(wěn)是一種常見、多發(fā)的災(zāi)害現(xiàn)象。降雨入滲會使邊坡土體內(nèi)非飽和區(qū)含水量增高，基質(zhì)吸力減小，浸潤線以上形成暫態(tài)飽和區(qū)，孔隙壓力逐步增加，土體抗剪強度減小，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。王一漢等分析了考慮降雨歷時及不同降雨強度下的某土石壩穩(wěn)定性。黃龍波等以某安置點邊坡為例，分析不同降雨入滲時間邊坡滲流路徑、滲流速度和孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響；唐正光以地形地貌、植被及介質(zhì)孔隙特性等作為降雨入滲因子，分析多因素影響下降雨入滲及地下滲流狀況；曾鈴等對某炭質(zhì)泥巖路堤邊坡在常見的三種降雨入滲因素變化下的邊坡穩(wěn)定性進行了分析。

目前，大多數(shù)邊坡降雨入滲影響是以單獨考慮降雨強度和降雨歷時兩大外因為主，而較少考慮到降雨類型、土體滲透特性、坡比等其他因素對降雨入滲過程的影響。鑒于此，本文以潭湖水庫右岸壩肩邊坡為研究對象，采用二維有限元計算方法，綜合考慮受降雨歷時、降雨強度、降雨類型、土體滲透特性和坡比等因素影響下的壩肩邊坡安全穩(wěn)定性。

1 滲流與強度理論

1.1 飽和與非飽和滲流理論

一般情況下，水庫壩肩邊坡內(nèi)浸潤線以下滑體處于飽和狀態(tài)，而浸潤線以上滑體處于非飽和狀態(tài)。隨著外部降雨因素的介入，雨水的流動會使臨界變化處的土體存在典型的飽和與非飽和問題，達西定律仍然適用其滲流規(guī)律的描述。本文分析將邊坡假定為各向同性多孔介質(zhì)，建立x和y方向上的飽和與非飽和滲流控制方程:

(1)

式中：H為水頭；K為土層滲透系數(shù)；Q為邊界水流量；θ為體積含水率；r1為水頭邊界；h(x,y,t)為邊界水頭；r2為流量邊界；q(x,y,t)為邊界單寬補給流量；n為外法線方向；t為時間。

初始條件為降雨前計算起始時刻的穩(wěn)定滲流場，求解方程時，二維有限元程序采用Galerkin加權(quán)殘數(shù)法原理分析，采用極限平衡方法求解滑動面與安全系數(shù)的變化情況。

1.2 非飽和土抗剪強度理論

土層內(nèi)浸潤線以下，其非飽和土的抗剪強度隨著土體含水量的變化而不同，采用的計算式為

τf=c′+[(σ-ua)+x(ua-uw)]tanφ′

式中：τf為土的抗剪強度；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；σ為總應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力。

邊坡安全系數(shù)分析采用土體極限平衡方法求解。

2 影響邊坡穩(wěn)定性的因素分析

2.1 邊坡計算概況

潭湖水庫右岸壩肩邊坡高約70m，坡腳高程51.20m。邊坡基本為巖質(zhì)邊坡，邊坡巖體風(fēng)化破碎。受F3斷層的影響，邊坡巖體風(fēng)化強烈，全強風(fēng)化帶深厚，全強風(fēng)化帶自坡面垂直厚度為16～30m。邊坡間隔10～15m設(shè)馬道一級，馬道設(shè)計高程分別為61m、71m、81m、96m及110m，其中高程71m處的馬道寬5.0m，其余馬道寬2.0m。馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝，坡頂外2.0m處設(shè)截水溝。分析右壩肩邊坡安全性，其主要受降雨影響，考慮邊坡地形、全強風(fēng)化層深厚、主滑方向與邊坡傾向夾角較大等多種因素。地質(zhì)參數(shù)建議值見表1。模型概化見圖1。采用有限元計算方法，分析在降雨歷時、降雨強度、降雨類型、土體滲透特性和坡比等影響下邊坡穩(wěn)定性。

表1 右岸壩肩邊坡地質(zhì)參數(shù)建議值

圖1 潭湖水庫右岸壩肩邊坡模型概化圖

2.2 降雨歷時

選取模擬降雨歷時為24h，降雨量為10mm/h，根據(jù)圖2計算的安全系數(shù)隨降雨歷時變化值，分析不同降雨歷時下(0h、8h、12h、24h)的孔隙水壓力隨高程變化，見圖3。

圖2 安全系數(shù)隨24h降雨歷時變化情況(10mm/h降雨量)

圖3 不同降雨歷時下孔隙水壓力隨高程變化情況

從圖2可知，當(dāng)降雨量為10mm/h時，邊坡安全系數(shù)隨著降雨歷時的增加而不斷減小，因為土體在降雨條件下不斷軟化，可能造成滑移等不良現(xiàn)象。在降雨初期，因為表層土體入滲能力大，雨水大部分能滲入到土體，隨著入滲雨量的增加，入滲能力逐漸減小，浸潤線上移，使土體含水量增加的趨勢減慢，邊坡安全系數(shù)降低幅度亦變緩。從圖3可知，在不同降雨歷時條件下，邊坡上某點處孔隙水壓力隨高程變化，其孔隙水壓力上升幅度大致相同，在大于某高程點以上時，隨著降雨歷時的增加，孔隙水壓力也呈現(xiàn)一定變化，即孔隙水壓力增加較小。

2.3 降雨強度

選取四種不同降雨強度進行模擬，其降雨強度分別為5mm/h、10mm/h、15mm/h、20mm/h，模擬降雨歷時為12h，計算結(jié)果見圖4。

圖4 安全系數(shù)隨降雨歷時變化情況

從圖4可知，4種降雨強度條件，每小時降雨強度增大，則壩肩邊坡安全系數(shù)降低較明顯，呈負相關(guān)性；隨著降雨持續(xù)時間的增加，邊坡安全系數(shù)下降率越明顯，說明隨著雨水在土壤中入滲的不斷深入，暫態(tài)飽和區(qū)不斷擴大，孔隙水壓力和含水量增加，基質(zhì)吸力相應(yīng)地降低，安全系數(shù)也持續(xù)降低。所以，壩肩邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)受到降雨強度與降雨時長的雙重影響，在巡查維護時特別要做好強降雨下的邊坡發(fā)生滑坡等不利情況的監(jiān)測工作。

2.4 降雨類型

為反映降雨模式對邊坡降雨入滲的影響，選取常見的四種降雨模式：減弱型、集中型、平均型及增加型。本文模擬降雨歷時為72h，降雨總量為100mm，選取0～48h為降雨期，48～72h為無降雨期，計算結(jié)果見圖5。

圖5 不同降雨模式下安全系數(shù)隨降雨時間的變化情況

由圖5可知，四種降雨模式中，對壩肩邊坡內(nèi)孔隙水壓力的影響較大者為減弱型降雨模式，其安全系數(shù)明顯降低更多，而平均型、集中型和增加型孔隙水壓力和安全系數(shù)的增減趨勢大致相同。減弱型降雨模式因其前期降雨量較大，造成邊坡內(nèi)快速形成了傳導(dǎo)區(qū)和過渡區(qū)，使雨水容易入滲，同時在暫態(tài)飽和區(qū)重力作用下，大量雨水向下坡腳處流去，安全系數(shù)也更小，而平均型、集中型和增加型等模式因前期降雨量不大，邊坡滲透速度比較穩(wěn)定，達到暫態(tài)飽和區(qū)前期時間相似，安全系數(shù)比減弱型情況下的安全系數(shù)更高，壩坡穩(wěn)定性亦更好。

2.5 土體滲透特性

土體滲透特性特別是表層土體滲透特性亦是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素之一，本文選取三種不同滲透系數(shù)，分析改變表層土情況下降雨入滲的邊坡安全性。假設(shè)降雨量均為10mm/h，模擬降雨歷時為24h，不同滲透系數(shù)影響下邊坡安全系數(shù)與降雨歷時變化值見圖6。

圖6 不同滲透系數(shù)條件下安全系數(shù)與降雨歷時變化情況

由圖6可知，邊坡表層土體滲透系數(shù)越大，邊坡安全系數(shù)下降幅度越明顯。土層滲透系數(shù)越大，雨水入滲速率相對越快，重度增大和基質(zhì)吸力的喪失也越快，安全系數(shù)的降低也越明顯，安全性能穩(wěn)定值提前達到。

2.6 坡比

坡比也對常見工程邊坡穩(wěn)定性有著重要影響，結(jié)合壩肩邊坡開挖的斜度，本文選取常見的幾種開挖后的坡比，分別為：坡比1∶2.5即坡度為22°，坡比1∶2.25即坡度為24°，坡比1∶2.10即坡度為25°。相關(guān)材料參數(shù)保持不變，降雨量設(shè)置為10mm/h，模擬降雨歷時為24h，計算結(jié)果見圖7。

圖7 不同坡比受降雨影響的安全系數(shù)變化情況

由圖7可知，在不同坡比情況下，其邊坡在受到降雨入滲影響后安全系數(shù)變化具有一致性。坡比越小即坡度越緩，其安全系數(shù)越高。不同坡角下邊坡安全系數(shù)在某一時刻的下降率相近，說明坡比變小在降雨影響下其安全系數(shù)減小具有一致性。

3 結(jié) 語

通過對潭湖水庫右岸壩肩邊坡穩(wěn)定計算，結(jié)合滲流與強度理論，采用二維有限元法，探討了降雨入滲多因素影響下的邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，結(jié)論如下：

a.壩肩邊坡穩(wěn)定安全性隨著降雨歷時與強度的增加而不斷降低。

b.不同降雨模式下，減弱型降雨相對于平均型、集中型和增加型，因其前期降雨量較大，提早形成過渡區(qū)和傳導(dǎo)區(qū)，安全系數(shù)更小。而平均型、集中型和增加型的安全系數(shù)增減趨勢大致相同。

c.土體滲透特性對邊坡穩(wěn)定起著重要作用，邊坡表層土滲透系數(shù)越大，安全性隨之越好。

d.不同開挖坡比，其邊坡在受到降雨入滲影響后，安全系數(shù)及下降率變化具有一致性。