不同降雨條件下渠道邊坡的穩(wěn)定性研究

哈斯也提·依米提；阿力木·許克爾

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局， 新疆 伊犁 835000)

0 引 言

現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)研究表明，降水是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，邊坡的失穩(wěn)往往伴隨著強(qiáng)降水(如暴雨)的發(fā)生。降水對于邊坡的穩(wěn)定性影響時(shí)目前研究的熱點(diǎn)，尤其是研究降水條件邊坡的入滲機(jī)理具有重要的科學(xué)意義[1]。目前大多研究集中于降水與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系，關(guān)于降水入滲與防護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用研究仍然較少，文章采用現(xiàn)場調(diào)查以及降雨實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)合數(shù)值有限元開展研究，詳細(xì)的分析了不同工況下的降水條件對土體孔隙水壓和入滲規(guī)律，進(jìn)一步得到了邊坡的破壞特征[2-5]。

1 研究方法

研究區(qū)春季少雨干旱，夏季多雨濕潤，根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(1954-1990)，研究區(qū)1-6 月份占全年雨量的23.5%，7-9月份占全年雨量的62.4%。年降水量>600 mm以上時(shí)間占27.9%，最大日降水量可達(dá)97.5mm。為例與實(shí)際情況更為接近，文章根據(jù)研究區(qū)50a降水情況和考慮近些年極端暴雨天氣，分別模擬計(jì)算不同降水強(qiáng)度下的雨水入滲規(guī)律以及邊坡在不同降水條件下的穩(wěn)定性，具體模擬工況如表1 所示。

文章采用PLAXIS將非飽和土滲流計(jì)算與應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行耦合，建立邊坡三維模型(圖1)。

表1 邊坡計(jì)算工況表

圖1 邊坡模型典型剖面圖

模型邊界條件為：兩側(cè)法向約束，底部邊界全約束。模擬時(shí)，假定基質(zhì)吸力在水面以上一定范圍內(nèi)范圍內(nèi)呈線性分布，為了與實(shí)際相結(jié)合，再向上則基質(zhì)吸力保持不變[8]。

數(shù)值模擬中關(guān)于土體計(jì)算參數(shù)和本構(gòu)模型見表2。

表2 土層計(jì)算參數(shù)表

2 理論研究基礎(chǔ)

2.1 水土特征曲線

在飽和-非飽和滲流中，水土特征曲線通常用來確定土體的滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。該曲線一般通過Van Genuchgen確定：

(1)

式中：ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；θr為表殘余體積含水量；θw為體積含水量；θs為飽和體積含水量；ψ為土體的基質(zhì)吸力；ks為飽和滲透系數(shù)；m、n、α為待定參數(shù)；Sr和kr分別代表飽和度和相對滲透系數(shù)；其中素填土的滲透性函數(shù)與土水特征曲線如圖2所示。

(a)滲透性函數(shù)

(b)水土特征曲線

2.2 強(qiáng)度折減理論

文章采用目前比較成熟的強(qiáng)度折減理論進(jìn)行計(jì)算。強(qiáng)度折減理論的基本思想是通過降低土體的抗剪強(qiáng)度(如內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力)直至邊坡發(fā)生破壞為止。通常，安全系數(shù)定義為土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與破壞時(shí)抗剪強(qiáng)度的比值：

cm=c/Fr

(2)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(3)

式中：cm為土體折減后的黏聚；φm為土體折減后的內(nèi)摩擦角；c為土體折減前黏聚力；φ為土體折減前的內(nèi)摩擦角；Fr為邊坡的安全系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同降雨條件下孔隙水壓力的變化

圖3得到了不同降水強(qiáng)度下降水入滲深度下邊坡負(fù)孔隙水壓力的變化規(guī)律，結(jié)果表明，不同工況下的負(fù)孔隙水水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律基本相同，但不同的降水強(qiáng)度在不同深度處的最大孔隙水壓了達(dá)到峰值所用的時(shí)間不同。在降水強(qiáng)度為50mm下，表面的達(dá)到最大孔隙水壓力需要1.1d，而增大降水強(qiáng)度至100mm時(shí)，僅需0.5d即可達(dá)到最大。在日降水強(qiáng)度分別為75mm和100mm下，孔隙水壓力由負(fù)值變?yōu)檎?，即降水?qiáng)度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，邊坡可能出現(xiàn)暫態(tài)積水。此時(shí)土體體積含水率迅速增加，滲透系數(shù)同時(shí)也增大。此外，不同降水條件下土體的入滲規(guī)律表明，入滲速度隨降水強(qiáng)度的增大而增大。在降水50mm時(shí)，10d的降水影響深度為4m，增大至100mm時(shí)，10d入滲深度達(dá)到10m。這可表明，增大降雨強(qiáng)度會(huì)增加雨水入滲的深度。

(a)50mm

(b)75mm

(c)100mm

3.2 相同降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力分析

圖3結(jié)果表明，降水強(qiáng)度不變時(shí)，雨水入滲土體的速率越來越小。在降水50mm時(shí)，雨水入滲1.0m所耗費(fèi)的時(shí)間為1.1d，而入滲至2m時(shí)需耗費(fèi)2.2d，入滲至3m時(shí)需要3.8d?？梢婋S入滲深度增大，雨水入滲相同距離所需時(shí)間邊長。這主要是由于在雨水入滲過程中，一部分雨水會(huì)被土顆粒攔截阻擋，這會(huì)導(dǎo)致土體的負(fù)孔隙水壓力與未降水時(shí)不同。與此同時(shí)，隨著下滲量不斷減小，負(fù)孔隙水壓力增速變小。因此，相同降水強(qiáng)度條件下，雨水入滲相同的時(shí)間鎖耗費(fèi)的時(shí)間邊長。

3.3 不同降雨時(shí)間下邊坡的破壞分析

文章選取降水強(qiáng)度為100mm下的邊坡破壞形式進(jìn)行分析，得到如圖4。強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果表明，降水發(fā)生的第1d，邊坡的破壞最開始發(fā)生于表面的下級(jí)，榆次同時(shí)產(chǎn)生潛在滑動(dòng)面，隨時(shí)降水進(jìn)一步增加，變形逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，且滑面逐漸向上一級(jí)發(fā)展。至降水第3d后，邊皮形成貫通滑裂面。降水停止后，隨時(shí)時(shí)間的增加，雨水入滲深度進(jìn)一步增加，滑面仍然向深部擴(kuò)展，邊坡的破壞形式逐漸由淺層破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樯顚悠茐?。究其原因主要是在隨著降水持續(xù)進(jìn)行，邊坡土體含水率逐漸增大，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力下降，同時(shí)降低了土體的力學(xué)參數(shù)。隨時(shí)降水和時(shí)間的增大，逐漸形成貫通滑裂面。二降水停止后，入滲深度進(jìn)一步增大，下滲土體基質(zhì)吸力錦衣降低，因此導(dǎo)致滑裂面想深處擴(kuò)展貫通。

3.4 邊坡穩(wěn)定性分析

圖5匯總得到采用強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯鲈诓煌战邓畻l件下，穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化規(guī)律基本相同，均是先減小后增大。相同降水工況下，雨水入滲導(dǎo)致邊坡土體基質(zhì)吸力降低，造成邊坡的穩(wěn)定性降低。在降水結(jié)束后，部分雨水通過土體孔隙排水，此時(shí)土體強(qiáng)度有所恢復(fù)，進(jìn)一步提高了邊坡穩(wěn)定性。以降水強(qiáng)度50mm為例，日降水75mm時(shí)邊坡的安全系數(shù)比日降水量50mm減小幅度增大了12.3%。而日降水量100mm時(shí)邊坡的安全系數(shù)比日降水量安全系數(shù)減小幅度增大了27.8%。因此，降水強(qiáng)度會(huì)大大影響邊坡安全系數(shù)。降水強(qiáng)度越大，安全系數(shù)減小越大。在降水階段，邊坡的破壞形式易發(fā)生淺表層破壞，當(dāng)降水結(jié)束后，隨雨水進(jìn)一步入滲，邊坡的潛在滑動(dòng)門進(jìn)一步向下發(fā)展，但邊坡安全系數(shù)有所增加?？梢娫诮邓A段內(nèi)淺層滑坡最容易發(fā)生。

(a)降雨第1d (b)降雨第3d

(c)雨后第1d (d)雨后第3d

(e)雨后第7d

圖5 天然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)變化圖

4 結(jié) 論

1)降水強(qiáng)度與雨水入滲深度為非線性關(guān)系，一般強(qiáng)度越大，入滲速度和深度也越大。在距邊坡表面3-5m內(nèi)淺層土體的基質(zhì)吸力降低速度越快，最容易發(fā)生失穩(wěn)；降雨結(jié)束后，隨著土體內(nèi)的雨水被部分排水，邊坡表明的土體基質(zhì)吸力有所恢復(fù)，邊坡的穩(wěn)定性有所增大。

2)降水入滲主要影響土體的基質(zhì)吸力和強(qiáng)度參數(shù)，與之對應(yīng)的邊坡破壞形式主要是由淺層向深層逐漸擴(kuò)展貫通。此外，降水過程中邊坡失穩(wěn)的主要部位為表面土體，隨降水結(jié)束后，由于雨水下滲，滑動(dòng)面向下發(fā)展，但由于雨水排除導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性有所增加。