降雨入滲對(duì)土堤滲流及邊坡穩(wěn)定性影響分析

熊 威，唐少龍，萬小強(qiáng)，王 姣，虞 慧

（江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029）

0 引言

土堤是鄱陽湖濱湖地區(qū)主要防洪工程，降雨易誘發(fā)土堤及土質(zhì)邊坡出現(xiàn)滲透破壞及邊坡失穩(wěn)[1]，土堤失效不僅對(duì)建筑物本身造成嚴(yán)重?fù)p害，還會(huì)對(duì)圩內(nèi)房屋和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失[2]。因此，對(duì)降雨條件下土堤滲流場及邊坡穩(wěn)定性開展研究具有重要意義。目前，已有較多對(duì)于降雨作用下大壩及土質(zhì)邊坡滲流場及邊坡穩(wěn)定方面的研究，如王樂等[3]對(duì)不同降雨類型聯(lián)合庫水位驟降情況下的土質(zhì)滑坡進(jìn)行有限元模擬，分析了各工況下的滑坡失穩(wěn)模式。倪沙沙[4]選取心墻土石壩為研究對(duì)象，分析了不同降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)情況下土石壩滲流場。岑威鈞等[5]對(duì)堤防進(jìn)行非飽和非恒定滲流仿真分析，獲取了持續(xù)降雨耦合堤前水位變化條件下堤防邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。呂磊[6]研究了不同類型前期降雨對(duì)尾礦壩滲流穩(wěn)定性影響。李華等[7]以人工填土斜坡為例，模擬了不同降雨條件下斜坡滲流場、應(yīng)變場和穩(wěn)定性。已有的研究大部分對(duì)象為土石壩、土質(zhì)邊坡及尾礦壩等，部分對(duì)堤防的研究也未考慮堤防二元材料分布特征及不同降雨類型的影響。因此，本文基于飽和非飽和滲流原理，采用有限元方法模擬土堤在前峰型、后峰型、中峰型及平均型降雨作用下滲流場，揭示不同降雨類型作用下土堤滲流特性及邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，以期為堤防防汛搶險(xiǎn)提供參考。

1 研究方法

1.1 非飽和計(jì)算原理

飽和-非飽和滲流微分方程的張量表示式[3]如下：

式中：kr為透水率（Lu）；kij為滲透張量；Hc為水頭，m；C（Hc）為容水度；q 為源匯項(xiàng)；θ為水頭函數(shù)；Ss為單位貯水量；n為孔隙率。

1.2 非飽和邊坡抗滑安全系數(shù)

在非飽和土的情況下采用簡化畢肖普法計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的表達(dá)式[8]如下：

式中：i為劃分的土條編號(hào)；ns為土條數(shù)；ci′為有效黏聚力，kPa；bi為土條寬度，m；Wi為土條質(zhì)量，kg；pi為水壓力，kPa；βi為傾角，°；ua與 uw為孔隙氣壓力與孔隙水壓力，kPa；φb為受基質(zhì)吸力影響的摩擦角，°；φi′為內(nèi)摩擦角，°。

1.3 計(jì)算模型及材料物理力學(xué)參數(shù)

本文采用Geo-Studio軟件建立有限元模型，選取鄱陽湖區(qū)某土堤作為研究對(duì)象，堤頂高程24.50m，寬8.0m，警戒水位19.50m。根據(jù)地質(zhì)勘測資料，堤身為典型的二元結(jié)構(gòu)，上層為透水性較低的粘土，下層為透水性較強(qiáng)的砂壤土。土水特征曲線通過材料的飽和體積含水率和SEEP/W模塊提供的粘土樣條函數(shù)和砂壤土樣條函數(shù)估算，滲透系數(shù)曲線采用Fredlund＆Xing模型擬合。土堤橫斷面見圖1，堤身材料參數(shù)見表1。

表1 堤身材料參數(shù)表

1.4 邊界條件

為監(jiān)測堤身不同部位孔隙水壓力（以下簡稱孔壓）的變化，在土堤下游設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)A、B，如圖1所示。將土堤的迎水坡邊界（DEI）設(shè)置為水頭邊界，水頭為19.50m。堤頂（DG）和背水坡（GFH）設(shè)置為降雨邊界，選取平均型、前峰型、中峰型及后峰型降雨等四種降雨類型作為邊界條件，降雨過程線見圖2。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3為平均型降雨作用下堤身孔隙水壓力等值線圖。由圖3可知，降雨會(huì)使下游坡土體孔隙水壓力增大，下游堤身浸潤線升高，部分非飽和土變成飽和土，土體基質(zhì)吸力降低，不利于邊坡穩(wěn)定，降雨停止以后，隨著雨水入滲，孔隙水壓力會(huì)小幅降低。

圖4為不同降雨類型情況下監(jiān)測點(diǎn)孔壓變化過程。由圖4可知，隨著降雨的進(jìn)行，監(jiān)測點(diǎn)孔壓總體上呈現(xiàn)先增大后減少并趨于穩(wěn)定的趨勢?？讐鹤兓群蠓逍停局蟹逍停酒骄停厩胺逍汀？讐哼_(dá)到峰值的時(shí)間前峰型＜中峰型＜平均型＜后峰型，初期降雨強(qiáng)度越大，孔壓響應(yīng)速度越快。降雨過后上部監(jiān)測點(diǎn)仍然是非飽和狀態(tài)，孔壓為負(fù)值，下部監(jiān)測點(diǎn)由非飽和狀態(tài)變成飽和狀態(tài)，孔壓為正值。

圖5為不同降雨類型情況下下游坡安全系數(shù)變化過程。由圖5可知，隨著降雨的進(jìn)行下游坡安全系數(shù)逐漸降低，降雨停止以后下游坡安全系數(shù)小幅上升并趨于穩(wěn)定。安全系數(shù)最終值后峰型（1.730）＜中峰型（1.745）＜平均型（1.756）＜前峰型（1.757），與孔壓變化規(guī)律反映的邊坡穩(wěn)定性一致。達(dá)到安全系數(shù)最小值時(shí)間前峰型＜中峰型＜平均型＜后峰型，初期降雨強(qiáng)度越大，安全系數(shù)響應(yīng)速度越快。

3 結(jié) 論

（1）在降雨的作用下監(jiān)測點(diǎn)孔壓總體上呈現(xiàn)先增大后減少并趨于穩(wěn)定的趨勢，下游堤身浸潤線升高，部分非飽和土變成飽和土，土體基質(zhì)吸力降低，孔壓變化幅度后峰型＞中峰型＞平均型＞前峰型，后峰型降雨對(duì)孔壓變化幅度影響最大。

（2）在降雨的作用下下游坡安全系數(shù)逐漸降低，降雨停止以后下游坡安全系數(shù)小幅上升并趨于穩(wěn)定。安全系數(shù)最終值后峰型（1.730）＜中峰型（1.745）＜平均型（1.756）＜前峰型（1.757），后峰型降雨對(duì)邊坡安全系數(shù)影響最大。