基于飽和-非飽和滲流理論的大型排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析*

高黎黎，陳玉明，王光進(jìn)

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

排土場(chǎng)通常是由排棄的松散土體堆積而成，一般體積較大，穩(wěn)定性較差[1-2]。排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)的主要致因之一就是降雨。在降雨入滲過程中，邊坡體上的土體由非飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，土體的基質(zhì)吸力下降，抗剪強(qiáng)度降低，在滲流力作用下，下滑風(fēng)險(xiǎn)加大，易誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞[3-6]。降雨量、降雨時(shí)長(zhǎng)、降雨類型、降雨強(qiáng)度等均是降雨型滑坡的影響因素[7-8]。為客觀評(píng)估各類邊坡工程的安全性，定量分析滲流作用下排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性具有現(xiàn)實(shí)意義。

不少學(xué)者就降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究：邱勝光[9]分析得出了飽和土體向非飽和土體轉(zhuǎn)變時(shí)，坡體峰值位移與潛在滑動(dòng)面的變化規(guī)律；張袆袆等[10]基于飽和-非飽和滲流理論研究了不同降雨類型參數(shù)弱化對(duì)坡體含水率及穩(wěn)定性的影響；洪振宇等[11-12]分析了相同降雨時(shí)長(zhǎng)暫態(tài)飽和區(qū)域及邊坡安全系數(shù)的變化情況。

本文基于飽和-非飽和滲流理論，采用Geo-Studio軟件對(duì)不同降雨入滲條件下孔隙水壓力和飽和度對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，以期為邊坡穩(wěn)定性評(píng)估和滑坡治理提供參考。

1 工程概況

以某礦山大型排土場(chǎng)為研究對(duì)象，其總堆置高度為258 m，總?cè)莘e3 800萬m3。排土場(chǎng)所在地屬南亞熱帶低緯度山地季風(fēng)氣候區(qū)，具有降雨充沛、四季干濕分明的特點(diǎn)。年降雨量1 155.0～1 877.6 mm，年平均降雨量1 510.4 mm，歷年日最大降雨量145.1 mm，降雨量季節(jié)分配極不均勻，雨季集中在5-10月份，占全年降雨總量的85.6%。因此，分析降雨入滲對(duì)該排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響很有必要。

2 分析模型建立

2.1 基礎(chǔ)理論

2.1.1 飽和-非飽和滲流理論

降雨條件下排土場(chǎng)土體中的含水率由上至下遞增，由非飽和轉(zhuǎn)向飽和[13]。飽和-非飽和滲流基本方程[14-15][見式(1)]就是為解決此類工程問題而提出的。

(1)

2.1.2 Morgenstern-Price 極限平衡條分法原理

由于Morgenstern-Price法[16-17]既考慮了土條間正應(yīng)力，又考慮了土條間剪應(yīng)力，故選用該方法計(jì)算安全系數(shù)。

采用力平衡方程求解安全系數(shù):

(2)

(3)

式中，F(xiàn)f為力平衡安全系數(shù)，F(xiàn)m為力矩平衡安全系數(shù)，x、f、d、β、R、ω均為幾何參數(shù)，c′為有效黏聚力系數(shù)，φ′為有效內(nèi)摩擦角，μ為孔隙水壓力，α為土條底部?jī)A斜角，N為土條底部法向力，W為土條重量，D為線荷載。

2.2 降雨工況設(shè)計(jì)

結(jié)合我國氣象部門規(guī)定的降雨量標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，設(shè)置4種降雨量，分別為25、50、100、150 mm/d，降雨時(shí)長(zhǎng)2 d，每2 h測(cè)定1次安全系數(shù)。

表1 降雨等級(jí)及降雨量[18]

2.3 計(jì)算模型構(gòu)建

根據(jù)排土場(chǎng)典型剖面建立計(jì)算模型，分析不同條件下的降雨瞬態(tài)滲流場(chǎng)對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響。從工程勘察報(bào)告以及初步設(shè)計(jì)文件中選取典型剖面，建立的計(jì)算模型如圖1所示。模型經(jīng)網(wǎng)格劃分后，共有6 387個(gè)單元、2 238個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型自下而上分別為中風(fēng)化英安巖、粉質(zhì)黏土和素填土。本文將模型中材料為素填土和粉質(zhì)黏土的區(qū)域稱為土層、中風(fēng)化英安巖區(qū)域稱為巖石層。

圖1 網(wǎng)格劃分后的計(jì)算模型

根據(jù)排土場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)邊界條件[19]作出如下定義：由于降雨強(qiáng)度均小于上層素填土的飽和滲透系數(shù)，故定義模型上部表面為流量邊界；模型兩側(cè)在地下水位線之上，定義為零流量邊界；模型底部定義為不透水邊界。

2.4 材料參數(shù)

該排土場(chǎng)各層物料及相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)由勘察報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)獲得(見表2)。

表2 排土場(chǎng)各層物料物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果分析

3.1.1 初始孔隙水壓力變化規(guī)律

降雨入滲過程中，孔隙水壓力和飽和度發(fā)生變化的主要原因是邊坡土體內(nèi)的含水率發(fā)生了變化[20]。初始狀態(tài)下的孔隙水壓力變化如圖2所示。由圖2可知，孔隙水壓力為負(fù)值，且分布均勻，無明顯突變?？紫端畨毫π∮诖髿鈮毫Γ?巖石)層的孔隙主要由空氣填充。

圖2 初始狀態(tài)下孔隙水壓力云圖

3.1.2 不同降雨量下孔隙水壓力變化規(guī)律

向模型降雨邊界施加非零降雨量，持續(xù)2 d，孔隙水壓力開始發(fā)生明顯變化。圖3為施加25 mm/d降雨量下持續(xù)2 d的孔隙水壓力變化云圖。由圖3可知，孔隙水壓力主要變化區(qū)域?yàn)榕磐翀?chǎng)土層，孔隙水壓力自上而下逐漸增大；由于排土場(chǎng)下層巖石區(qū)域的滲透系數(shù)較小，孔隙水壓力并未隨深度的增加而增大，而是均勻變化。

圖3 25 mm/d降雨量下持續(xù)2 d的孔隙水壓力云圖

向模型施加50、100、150 mm/d降雨量，其孔隙水壓力變化規(guī)律與25 mm/d降雨量的相似。

為了更加直觀地反映孔隙水壓力的變化情況，選取不同降雨量下孔隙水壓力的最大值和最小值，繪制孔隙水壓力最值變化曲線(見圖4)。由圖4可知，隨著降雨量的增大，孔隙水壓力的最大、最小值均呈上升趨勢(shì)。

圖4 孔隙水壓力最值變化曲線

3.1.3 不同降雨時(shí)長(zhǎng)下孔隙水壓力變化規(guī)律

為了解降雨時(shí)長(zhǎng)增加時(shí)孔隙水壓力的變化規(guī)律，在模型素填土層和粉質(zhì)黏土層交界處選取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制孔隙水壓力變化曲線(見圖5)。

圖5 不同降雨時(shí)長(zhǎng)下孔隙水壓力變化曲線

由圖5可知，孔隙水壓力隨降雨時(shí)長(zhǎng)的增加而增大，降雨量越大，孔隙水壓力增幅越顯著。

3.2 飽和度計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 初始狀態(tài)飽和度變化規(guī)律

排土場(chǎng)邊坡初始狀態(tài)下的飽和度云圖如圖6所示。由圖6可知，飽和度變化主要發(fā)生在粉質(zhì)黏土層和巖石層上部局部區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)飽和度自上而下遞增，最大飽和度為0.84，暫未出現(xiàn)飽和區(qū)。

圖6 初始狀態(tài)下邊坡的飽和度云圖

3.2.2 不同降雨量下飽和度變化規(guī)律

對(duì)模型施加不同強(qiáng)度的降雨量，持續(xù)時(shí)間2 d，飽和度的變化情況如圖7-圖10所示。

圖7 25 mm/d降雨量下邊坡的飽和度云圖

圖8 50 mm/d降雨量下邊坡的飽和度云圖

圖9 100 mm/d降雨量下邊坡的飽和度云圖

圖10 150 mm/d降雨量下邊坡的飽和度云圖

由圖7-圖10可知：飽和度主要變化區(qū)域擴(kuò)大到整個(gè)土層及與土層相接的部分巖石層，由于不同材料的滲透系數(shù)不同，在土層和巖石層中飽和度按照不同的變化速率逐漸增大；降雨量為25 mm/d時(shí)，飽和區(qū)域僅出現(xiàn)在土層底部少數(shù)區(qū)域，隨著降雨強(qiáng)度的增大，飽和區(qū)域從土層底部向上、向下逐漸擴(kuò)大；當(dāng)降雨量為150 mm/d時(shí)，飽和區(qū)域擴(kuò)大到大部分土層和部分巖石層，非飽和區(qū)域的飽和度仍按隨深度增加而增大的規(guī)律變化；其余巖石層的變化均勻，沒有明顯突變現(xiàn)象，但隨著降雨強(qiáng)度的增大，飽和度逐漸增大，從25 mm/d降雨量時(shí)的0.60～0.62增大到150 mm/d降雨量時(shí)的0.85～0.90。

3.2.3 不同降雨時(shí)長(zhǎng)下飽和度變化規(guī)律

圖11為不同降雨時(shí)長(zhǎng)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)(與3.1.3為同一點(diǎn))的飽和度變化曲線。由圖11可知：隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)飽和度逐漸增大直至完全飽和；降雨強(qiáng)度越大，從非飽和變化至飽和的耗時(shí)越短。

圖11 不同降雨時(shí)長(zhǎng)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)飽和度變化曲線

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

圖12是上述4種降雨強(qiáng)度下的邊坡安全系數(shù)曲線，降雨時(shí)長(zhǎng)2 d，每2 h求解一次邊坡安全系數(shù)。

圖12 不同降雨強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

由圖12可知，降雨量為25 mm/d時(shí)，邊坡安全系數(shù)變化不大，其值保持在1.28；降雨量為50 mm/d時(shí)，邊坡安全系數(shù)開始發(fā)生變化，持續(xù)降雨24 h后，安全系數(shù)逐漸減小至1.23；降雨量為100 mm/d時(shí)，邊坡安全系數(shù)發(fā)生顯著變化，最終降至1.03，此時(shí)邊坡的安全儲(chǔ)備已不足；降雨量150 mm/d最接近當(dāng)?shù)厝兆畲蠼涤炅?，?duì)比上述3種情況，此時(shí)邊坡安全系數(shù)衰減時(shí)長(zhǎng)顯著縮短，下降速率增大，最終降至0.86，此時(shí)邊坡已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，需要采取加固措施。

綜上可知：隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，孔隙水壓力逐漸增大，飽和度也逐漸增大直至飽和，排土場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)減??；降雨量越大，對(duì)孔隙水壓力、飽和度及安全系數(shù)的影響越大。

4 結(jié)論

a.降雨入滲形成的滲流場(chǎng)中，土層為孔隙水壓變化的主要區(qū)域，土層中孔隙水壓自上而下逐漸增大。土層及連接土層的部分巖石層為飽和度變化的主要區(qū)域，飽和度自上而下逐漸增大。

b.相同降雨時(shí)長(zhǎng)下，孔隙水壓力隨降雨量的增大而增大，飽和區(qū)逐漸擴(kuò)大，從土體底層向上、向下移動(dòng)直至全部土層區(qū)域和部分巖石區(qū)域飽和，此時(shí)的安全系數(shù)顯著減小。

c.同一降雨量下，隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的增加，孔隙水壓力和飽和度均增大，安全系數(shù)不斷減小。