路堤降雨失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)參數(shù)研究

楊 帆 ，池苗苗

(1.塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000，2.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 概 述

路堤是廣泛用于支撐鐵路和道路的土工結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)失效會(huì)導(dǎo)致大量人員傷亡[1]。降雨已被確定為造成路堤不穩(wěn)定和后續(xù)破壞的主要原因之一[2-3]。對(duì)路堤邊坡的破壞和失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)疏散邊坡附近人員，暫停路堤支撐的鐵路或道路的運(yùn)行，從而避免人員傷亡。預(yù)測(cè)降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的最有效方法是基于已有邊坡破壞數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)降雨測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)[4]，而基于物理的路堤降雨失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)β返痰钠茐暮筒环€(wěn)定提供更準(zhǔn)確的預(yù)警。同時(shí)，一旦由于降雨引起的不穩(wěn)定性而暫停，該系統(tǒng)還可用于確定降雨后何時(shí)恢復(fù)運(yùn)行。

本文針對(duì)人工降雨條件下儀器化模型路堤試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并將測(cè)量的孔隙水壓力和坡腳附近的含水量、地表位移及安全系數(shù)作為基于物理的路堤降雨失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)中可能使用的參數(shù)進(jìn)行研究和探討。

2 試驗(yàn)材料

本研究采用天然斜坡上的土壤作為試驗(yàn)材料，并對(duì)該材料進(jìn)行濕篩分析和比重計(jì)試驗(yàn)，因其含有17.1%的細(xì)粒(粒度小于0.075 mm)，試驗(yàn)材料的粒度分布曲線見(jiàn)圖1。測(cè)得土壤的相對(duì)密度、最大孔隙比和最小孔隙比分別為2.75、1.59和1.01。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤是非塑性的。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)普氏壓實(shí)試驗(yàn)，獲得樣品砂的最佳重量含水量和最大干密度分別為16.5%和1.725g/cm3。根據(jù)土壤統(tǒng)一分類系統(tǒng)，土壤劃分為粉砂類。

圖1 樣品砂粒度分布曲線

2.1 土壤水分特征曲線(SWCC)

圖2為在實(shí)驗(yàn)室中使用壓力傳感器獲得的土壤-水特征曲線(SWCC)。

圖2 試驗(yàn)材料的SWCC

圖2中，使用干密度為1.22g/cm3的樣品，得到測(cè)試材料的干燥和潤(rùn)濕 SWCC。模型斜坡采用樣品砂建造，干密度達(dá)到1.22g/cm3。由于壓力傳感器中使用陶瓷盤的進(jìn)氣值為300kPa，因此測(cè)量的SWCC被限制在最大吸力200 kPa。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的SWCC數(shù)據(jù)用以下方程進(jìn)行擬合：

(1)

其中：C(ψ)為修正函數(shù)，定義如下：

(2)

其中：θ為體積含水量；ψ為吸力，kPa；ψr為殘余吸力；θs為零吸力時(shí)的體積含水量；a、n、m為擬合參數(shù)(a具有壓力單位，kPa)。

2.2 非飽和滲透率函數(shù)

使用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的基于滲透儀的穩(wěn)態(tài)方法測(cè)量非飽和土壤的滲透率函數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以在低吸力范圍(如0～8 kPa)下，按照SWCC的干燥路徑，準(zhǔn)確測(cè)量非飽和土的滲透率函數(shù)。

目前，已有數(shù)值模型可以利用飽和滲透系數(shù)和SWCC來(lái)預(yù)測(cè)非飽和滲透率函數(shù)。其中，應(yīng)用最廣泛的是Fredlund和Xing在土水特征曲線方程基礎(chǔ)上提出粒度分布曲線預(yù)測(cè)方程模型?，F(xiàn)有研究[5-6]顯示，其擬合精度較高，參數(shù)穩(wěn)定且呈規(guī)律性變化，能夠很好地反映我國(guó)土壤區(qū)域特性。在本研究中，使用SEEP/W進(jìn)行滲流分析[7]時(shí)，采用Fredlund和Xing提出的方法預(yù)測(cè)非飽和滲透率函數(shù)。

2.3 非飽和抗剪強(qiáng)度

本文采用兩個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)解釋非飽和土抗剪強(qiáng)度的方程，公式如下：

τ=(σn-ua)tanφ′+c

(3)

c=c′+(ua-uw)tanφb

(4)

其中：τ為非飽和土的抗剪強(qiáng)度；c為表觀內(nèi)聚力；c′為飽和土的有效黏聚力；φ′為抗剪角，在飽和條件下，假定基質(zhì)吸力不變，剪切阻力角不變；φb為抗剪力與吸力的夾角；σn為破壞面上的總法向應(yīng)力；ua為土壤中的氣壓；uw為孔隙水壓力；(ua-uw)為破壞面內(nèi)土壤的基質(zhì)吸力。在本公式中，假設(shè)τ和(ua-uw)之間的關(guān)系是線性的。

針對(duì)傳統(tǒng)的直剪儀進(jìn)行改進(jìn)，以測(cè)量控制吸力下的非飽和抗剪強(qiáng)度。采用改進(jìn)的直剪裝置進(jìn)行飽和及非飽和固結(jié)排水試驗(yàn)，得到φ′。結(jié)果表明，吸力對(duì)φ′的影響不顯著，但表觀黏聚力(c)隨著吸力的增加呈下降趨勢(shì)。

對(duì)于本研究中的穩(wěn)定性分析，在小吸力范圍內(nèi)(0～20 kPa)，假設(shè)c與吸力之間存在線性關(guān)系，得到φb，以用于預(yù)測(cè)降雨引起的邊坡失穩(wěn)，因?yàn)檫吰略诘臀χ迪伦兊貌环€(wěn)定。此外，利用直剪裝置獲得的非飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)可以提供一個(gè)保守的解決方案，這有利于發(fā)布邊坡破壞警告。

3 模型試驗(yàn)

本文采用不同材料、初始密度、邊界條件、降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間以及邊坡角度，對(duì)儀器化路堤進(jìn)行了一系列人工降雨模型試驗(yàn)。本文對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論，以確定用于路堤降雨失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)的參數(shù)。

3.1 試驗(yàn)使用的儀器

模型試驗(yàn)中，使用的容器尺寸長(zhǎng)2.0 m、寬0.8 m、高1.0 m，見(jiàn)圖3。罐壁由鋼板制成，正面由丙烯酸玻璃制成，便于觀察變形過(guò)程。

圖3 用于模型試驗(yàn)的容器

在模型試驗(yàn)中，使用ADR(振幅域反射計(jì))和ECHO型土壤濕度傳感器來(lái)測(cè)量水分入滲過(guò)程中的土壤含水量。為了同時(shí)測(cè)量正負(fù)水壓，壓力傳感器改裝一個(gè)空氣進(jìn)入值100 kPa的陶瓷杯。圖4為模型試驗(yàn)中使用的傳感器類型。LVDT位移傳感器用于測(cè)量邊坡表面的局部位移，安裝在土壤中的測(cè)斜儀測(cè)量地基的位移。采用側(cè)面噴灌管(孔徑0.1 mm)模擬降雨(圖3)。

圖4 用于模型試驗(yàn)的傳感器

3.2 模型制備

土壤邊坡是通過(guò)壓實(shí)樣品砂建造的，初始重量含水量為13.5%，邊坡傾角為45°。試驗(yàn)安裝15個(gè)孔隙水壓力傳感器、15個(gè)含水量傳感器、3個(gè)測(cè)斜儀和2個(gè)LVDT位移傳感器，所有傳感器均連接到一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便在邊坡施工期間以及在降雨應(yīng)用期間連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。見(jiàn)圖5。

圖5 模型路堤中的傳感器位置

3.3 降雨應(yīng)用

在邊坡施工完成約24h后，邊坡遭受了約40 mm/h強(qiáng)度的降雨。在降雨過(guò)程中，設(shè)置每2s記錄系統(tǒng)中所有連接傳感器的數(shù)據(jù)。使用的側(cè)面噴灌溉管系統(tǒng)能夠提供20～50 mm/h之間相對(duì)均勻的恒定降雨量，該降雨系統(tǒng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，可根據(jù)供水壓力提供不同的降雨強(qiáng)度。同時(shí)使用4個(gè)雨量計(jì)測(cè)量降雨強(qiáng)度，其中兩個(gè)位于腳趾附近，另外兩個(gè)位于路堤頂部。本研究中提到的降雨強(qiáng)度是通過(guò)對(duì)整個(gè)降雨持續(xù)時(shí)間和空間內(nèi)的實(shí)測(cè)降雨量進(jìn)行平均計(jì)算得出的。為了盡量減少降雨強(qiáng)度隨時(shí)間和空間的可能波動(dòng)(由于風(fēng)的影響)，在大多數(shù)試驗(yàn)中，降雨是在上午(如上午5:30)進(jìn)行的。

3.4 模型試驗(yàn)結(jié)果

圖6為在40 mm/h降雨期間，模型邊坡內(nèi)不同位置的孔隙水壓力、體積含水量和位移的監(jiān)測(cè)時(shí)間歷程。由圖6(c)可知，降雨開(kāi)始后約400s開(kāi)始變形，所有變形傳感器幾乎同時(shí)響應(yīng)，表明整個(gè)邊坡發(fā)生了移動(dòng)。此外，在降雨開(kāi)始后約 6 000 s，邊坡頂部出現(xiàn)裂縫。在坡腳出現(xiàn)局部破壞之前(降雨開(kāi)始后約8 500s)，形成的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。一旦失效，就會(huì)從腳趾處開(kāi)始，迅速向上傳播。

圖6 模型試驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，在變形開(kāi)始之前，腳趾附近(M8和M10)的體積含水量達(dá)到最大值(38%～42%)。假設(shè)邊坡干密度不變，40%的體積含水量約等于72%的飽和度。但在施工和降雨過(guò)程中，邊坡可以致密化，從而產(chǎn)生更高的飽和度，對(duì)應(yīng)于40%的體積含水量。

在坡腳附近測(cè)得的孔隙水壓力(P8和P10)表明，隨著坡腳附近的孔隙水壓力接近零(完全飽和)，邊坡開(kāi)始移動(dòng)。但在邊坡開(kāi)始移動(dòng)過(guò)程中，邊坡的大部分仍處于非飽和狀態(tài)。在本研究中進(jìn)行的大多數(shù)模型試驗(yàn)中都觀察到這一點(diǎn)。因此除位移外，在坡腳附近測(cè)得的孔隙水壓力或飽和度可以作為路堤失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)中使用的參數(shù)。

4 模型邊坡穩(wěn)定性分析

利用SEEP/W模型試驗(yàn)，對(duì)降雨過(guò)程中的瞬態(tài)滲流進(jìn)行分析。從滲流分析中獲得的孔隙水壓力分布用于邊坡穩(wěn)定性分析，以確定降雨過(guò)程中邊坡的安全系數(shù)。

4.1 滲流分析

圖7為有限元網(wǎng)格用于SEEP/W模型試驗(yàn)的數(shù)值滲流分析。AF和FE邊界被認(rèn)為是“無(wú)流量”邊界(Q=0)，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)期間不允許水流通過(guò)該邊界。邊界ABCD定義為給定降雨強(qiáng)度(40 mm/h)的通量邊界。將ABCD和DE定義為滲流面，以允許水從模型中滲出。根據(jù)P1、P2和P8的初始孔隙水壓力讀數(shù)確定地下水位，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始孔隙水壓力。

圖7 滲流分析中使用的有限元網(wǎng)格

將實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的潤(rùn)濕SWCC及飽和滲透率賦到SEEP/W中，采用上述提出的方法生成滲透率函數(shù)。

滲流分析時(shí)間為9 500s，增量時(shí)間為5s。分析完成后，比較邊坡中一些選定點(diǎn)(P1、P2、P7 和 P8)實(shí)測(cè)和模擬的孔隙水壓力時(shí)間歷程。在圖8中，觀察到實(shí)測(cè)孔隙水壓力和模擬孔隙水壓力之間存在合理一致性。

圖8 模型邊坡中某些選定位置的實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)孔隙水壓力比較

4.2 穩(wěn)定性分析

SLOPE/W采用圖9中的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值穩(wěn)定性分析。ABC和DEF分別定義為試驗(yàn)滑動(dòng)面的入口面和出口面。以實(shí)驗(yàn)室測(cè)量樣品砂的飽和及非飽和剪切強(qiáng)度特性為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。利用數(shù)值滲流分析得到的孔隙水壓力，選取一般極限平衡法(GLE)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由圖10可知，F(xiàn)OS(安全系數(shù))隨著降雨時(shí)間的推移而降低。可以看出，當(dāng)FOS低于1時(shí)，邊坡開(kāi)始移動(dòng)。圖11比較了FOS剛好低于1時(shí)從穩(wěn)定性分析中獲得的臨界滑動(dòng)面與通過(guò)標(biāo)記移動(dòng)觀察到的滑動(dòng)面，這兩個(gè)滑動(dòng)面幾乎吻合。

圖9 用于穩(wěn)定性分析的幾何結(jié)構(gòu)

圖10 隨著降雨時(shí)間的增加，F(xiàn)OS減少和土壤位移增加

圖11 觀察到的滑動(dòng)面與通過(guò)穩(wěn)定性分析獲得的滑動(dòng)面比較

5 結(jié)果分析與討論

從模型試驗(yàn)可以看出，在降雨開(kāi)始后約6 000s，裂縫出現(xiàn)在頂部；8 700s后，局部破壞開(kāi)始于坡腳，并迅速向上擴(kuò)展；在降雨開(kāi)始后約9 800s，邊坡發(fā)生完全垮塌(坍塌)。

圖10中，邊坡在降雨開(kāi)始后約4 000s開(kāi)始移動(dòng)，即在頂部出現(xiàn)裂縫之前約2 000s，表明對(duì)邊坡運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以有效預(yù)警邊坡破壞。圖6(a)和圖6(b)中，在坡腳處測(cè)得的飽和度(孔隙水壓力和含水量)也可用于預(yù)測(cè)邊坡破壞?；谶@些參數(shù)的預(yù)警方法，可通過(guò)轉(zhuǎn)移居住在邊坡附近居民來(lái)最大限度地減少人員傷亡，但不足以安全地暫停路堤支持的運(yùn)輸服務(wù)。邊坡的FOS可以早期反映邊坡的穩(wěn)定性，因此基于邊坡FOS的標(biāo)準(zhǔn)可用于安全暫停作業(yè)。此外，基于FOS的標(biāo)準(zhǔn)也可用于在降雨后恢復(fù)運(yùn)行。

6 結(jié) 論

1)土壤的有效摩擦角可能與吸力無(wú)關(guān)，而表觀黏聚力隨吸力的增加呈下降趨勢(shì)。

2)當(dāng)坡腳附近區(qū)域飽和時(shí)，模型路堤可能發(fā)生破壞。

3)坡腳附近的飽和度和邊坡中的初始表面位移可用于預(yù)測(cè)和預(yù)警邊坡的阻礙性破壞。

4)對(duì)降雨過(guò)程中路堤的實(shí)時(shí)安全系數(shù)(FOS)進(jìn)行評(píng)估，有助于對(duì)路堤支持的服務(wù)(運(yùn)輸)進(jìn)行有效管理。

5)為了開(kāi)發(fā)基于物理的預(yù)警系統(tǒng)，防止降雨引起的路堤邊坡破壞，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坡腳附近的地表位移和坡腳附近的飽和度(孔隙水壓力和含水量)是十分必要的。