饒俊勇，彭德剛，李模軍

(西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

1 干灰場邊坡穩(wěn)定分析現(xiàn)狀

對于干灰場邊坡的滲流和穩(wěn)定計算，規(guī)范中沒有明確規(guī)定，傳統(tǒng)計算方法是參照水灰場，在滲流計算基礎(chǔ)上用邊坡穩(wěn)定計算確定邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。其中滲流計算多采用穩(wěn)態(tài)飽和滲流，即忽略了非飽和區(qū)滲流作用，并參照水灰場，假定上游有穩(wěn)定的滲流邊界，即穩(wěn)定的積水水位。但實際上，干灰場灰面上不能形成穩(wěn)定水位。比如分析一個典型的降雨匯水過程：當(dāng)降雨量從小到大，大到一定程度，灰場匯水及雨水量大于灰場的排洪能力時，在灰面上積水并且水位升高，隨時間的延續(xù)和降雨量的減小，進(jìn)入灰場的水量小于排水系統(tǒng)排水能力，該水位又逐漸下降，直至全部排出灰場。因一次降雨過程時間并不長，灰面上的積水過程時間也比較短，故傳統(tǒng)算法中上游(及灰面)滲流邊界是穩(wěn)定水位的假設(shè)和實際情況有較大的偏差，計算結(jié)果誤導(dǎo)設(shè)計。

多位學(xué)者研究的結(jié)論是采用飽和—非飽和滲流模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飽和滲流模型才符合工程實際。對于干灰場，正常運行時受灰場內(nèi)潛水滲流作用(該問題有爭議，很多人認(rèn)為灰場底部鋪設(shè)防滲膜，灰場內(nèi)不會有地下水，但實際中發(fā)現(xiàn)灰場下的確存在一定深度的潛水。文中不探討這個問題，對分析趨勢沒影響)；在降雨時，表面降雨入滲會影響灰場的滲流場，使原來的非飽和區(qū)飽和度提高，甚至抬高潛水地下水位。而且由于降雨的作用，使非飽和區(qū)飽和度提高，基質(zhì)吸力下降，致使灰場邊坡的穩(wěn)定性降低，故一般認(rèn)為降雨條件下邊坡更危險。

本文以加拿大GEO-STUDIO軟件為平臺，利用非飽和滲流理論分析干灰場邊坡在降雨情況下穩(wěn)定。

2 非飽和計算條件

非飽和滲流理論，涉及粉煤灰的水土特征曲線(含水率—基質(zhì)吸力曲線)、粉煤灰的非飽和滲透系數(shù)—含水率曲線、灰面降雨入滲條件等，和傳統(tǒng)的飽和滲流理論有很大區(qū)別，對灰場滲流計算和穩(wěn)定計算有較大影響。

2.1 粉煤灰的水土特征曲線

土是固液氣三相混合體，在非飽和土中，定義基質(zhì)吸力為空氣壓力(σa)和水壓力(σw)的差值，即(σa－σw)?；|(zhì)吸力在很大程度上依賴于土中孔隙水的體積含水率：當(dāng)體積含水率在飽和含水率以下時，體積含水率越高，基質(zhì)吸力越小，接近飽和含水率時，基質(zhì)吸力接近于零；反之，體積含水率越低，基質(zhì)吸力越大。當(dāng)體積含水率為飽和含水率時，空隙水壓力為靜水壓力，基質(zhì)吸力為零；在飽和區(qū)，體積含水率隨著正的孔隙水壓力增大而增大，但變化很小，即其斜率很小?；|(zhì)吸力—土的體積含水率之間的關(guān)系曲線稱為土水特征曲線，其為土體基本特性之一。

2.2 粉煤灰的滲透系數(shù)—孔隙水壓力曲線

滲透系數(shù)—孔隙水壓力曲線是另外一個非飽和土體的基本特性.在非飽和區(qū)(即負(fù)孔隙水壓區(qū))，滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力增大而減小。這主要是由于在飽和土中，所有顆粒之間的孔隙都充滿了水，水的滲流路徑就是顆粒間的孔隙，沒其他阻礙。一旦空氣進(jìn)入(土體變?yōu)榉秋柡?，空氣占用部分孔隙，相對與水流動而言，空氣填充的孔隙就成為非傳導(dǎo)的管道，水的滲流路徑變得更加曲折，也就導(dǎo)致了土傳導(dǎo)水的能力(滲透系數(shù))減小。當(dāng)基質(zhì)吸力越大時，更多的孔隙也就被空氣所充填，滲透系數(shù)也就進(jìn)一步減小。

2.3 降雨入滲條件

非飽和入滲過程中，降雨的水分有多少能夠進(jìn)入土坡內(nèi)部，在計算中仍然存在較大的疑問，而進(jìn)入土坡內(nèi)部雨量的多少是對穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響的重要因素。因此，降雨入滲量的問題仍被認(rèn)為是非飽和滲流中的關(guān)鍵問題之一。

計算中按照：以表層粉煤灰的飽和滲透系數(shù)為判別依據(jù)，灰場表面及斜坡處即入滲邊界，取為流量邊界或給定水頭邊界。如果雨強(qiáng)小于粉煤灰的飽和滲透系數(shù)，按流量邊界處理，大小為降雨強(qiáng)度，如果雨強(qiáng)大于粉煤灰的飽和滲透系數(shù)，一部分雨水沿坡面流失，會在坡面形成一薄層水膜，此時可按給定水頭邊界處理。

2.4 土層強(qiáng)度特性

目前工程實際中對邊坡穩(wěn)定分析仍廣泛采用剛體極限平衡法。為了反映降雨作用的影響，F(xiàn)redlund 的抗剪強(qiáng)度理論強(qiáng)調(diào)負(fù)孔隙水壓力對抗剪強(qiáng)度的影響，目前得到巖土界的廣泛認(rèn)可，公式如下：

式中：τf為非飽和土抗剪強(qiáng)度；C，φ分別為有效凝聚力和有效內(nèi)摩擦角；σn為法向應(yīng)力；σa為空氣壓力 ；σw為水壓力；φb為隨吸力變化的內(nèi)摩擦角。

從式中可以看出，非飽和土的抗剪強(qiáng)度除了與c、φ及法向應(yīng)力有關(guān)外，還與基質(zhì)吸力有關(guān)。當(dāng)土體飽和時，可以認(rèn)為基質(zhì)吸力 等于零，退化為傳統(tǒng)的摩爾—庫侖公式，故上式又稱延伸的摩爾—庫侖定律。降雨時，土體飽和度和孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力 減小，抗剪強(qiáng)度明顯減小，從理論上解釋了降雨條件下滑坡產(chǎn)生的機(jī)理。根據(jù)上述公式，按照條分法的思想，建立整個滑動土體力及力矩平衡方程，得到極限平衡法安全系數(shù)的計算公式。

2.5 降雨時程曲線

根據(jù)水文記錄，四川旺蒼地區(qū)24小時最大降雨量260 mm，最長降雨持續(xù)時間16天，累積降雨170 mm。廣西南寧24小時最大降雨量198 mm，最長降雨持續(xù)時間24天，累積降雨384 mm。印尼芝拉扎地區(qū)，24小時最大降雨量443.8 mm(100年一遇)，缺乏一次持續(xù)降雨時間記錄。本計算依據(jù)印尼及國內(nèi)南方地區(qū)降雨資料，初步擬定降雨條件：每天降雨150 mm，降雨持續(xù)10天。模擬一次超強(qiáng)降雨過程，一般降雨很難達(dá)到如此強(qiáng)度和持續(xù)時間。

3 計算結(jié)論

3.1 滲流場變化

依據(jù)擬定的降雨條件及估算的粉煤灰水土特征曲線、含水率—滲透系數(shù)曲線、入滲條件，以某工程干灰場邊坡為算例進(jìn)行計算。該干灰場邊坡位于粘土地基上，由初期粘土壩和5級子壩構(gòu)成，子壩均為粉煤灰修建。滲流計算結(jié)果見圖1和圖2，其中圖1為降雨剛開始時的滲流場，圖2為強(qiáng)降雨10天后的滲流場。由圖可見，在初始水位差作用下，灰場內(nèi)形成滲流場，浸潤線為單一浸潤線，在浸潤線以上為非飽和區(qū)，灰場下部為飽和區(qū)，即灰場上部為負(fù)孔隙水壓力區(qū)；由孔隙水壓力等勢線分布可見，灰場上部負(fù)孔隙水壓力區(qū)內(nèi)負(fù)孔隙水壓力較大。隨著降雨持續(xù)時間延長，灰場上部負(fù)孔隙水壓力逐漸減小，較大負(fù)孔隙水壓力區(qū)范圍逐漸減小，甚至在灰場頂面出現(xiàn)了暫態(tài)飽和區(qū)；此時，2條主要的浸潤線將灰場從上到下分為飽和區(qū)，非飽和區(qū)，飽和區(qū)，其中最上面飽和區(qū)是隨降雨及滲流時間變化的，是暫態(tài)飽和區(qū)。降雨第10天時，灰場上部的浸潤線基本和坡面平行，飽和區(qū)形狀基本與坡面形狀類似；飽和區(qū)在坡頂處最薄，向灰場內(nèi)逐漸加厚，向坡腳也逐漸加厚，最厚處厚約1.5 m。但在坡腳處及第1級子壩壩頂處，出現(xiàn)了非飽和區(qū)。

圖1 剛開始降雨時灰場滲流場

圖2 強(qiáng)降雨10天時灰場滲流場

3.2 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

圖3示意了降雨過程中某時刻最危險滑動面位置及形狀。由圖可見，最危險滑動面從坡頂上穿入，從坡腳處地面線滑出，其間穿過粉煤灰層、子壩粉煤灰層和地基粘土層。通過進(jìn)一步計算可得，在強(qiáng)降雨時，滑動面隨降雨持續(xù)時間延長而向坡腳位置移動，最后進(jìn)出點均在坡腳附近上。

為了研究不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨時間(降雨持續(xù)時間)的變化，繪制出邊坡最小安全系數(shù)隨時間的變化規(guī)律。其中圖4為降雨條件下最小安全系數(shù)隨時間的變化規(guī)律。

由圖可見，在降雨條件，邊坡最小安全系數(shù)隨時間呈下降趨勢，即隨降雨持續(xù)時間延長，邊坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)降低。強(qiáng)降雨條件下，最小安全系數(shù)由1.306降低到1.117，下降幅度為

圖3 降雨時最危險滑動面位置

圖4 降雨最小安全系數(shù)－時間曲線

4 主要結(jié)論

通過分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)對于干灰場和封閉后的水灰場，用飽和—非飽和滲流模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飽和滲流模型更符合工程實際。

(2)在強(qiáng)降雨條件下，在灰場表面和坡面均出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。飽和區(qū)在坡頂處較薄，在頂面遠(yuǎn)離坡頂處和鄰近坡腳處較厚，較厚的地方有1.5 m厚左右。隨降雨持續(xù)時間延長，飽和帶向下發(fā)展，降雨持續(xù)時間越長，飽和帶發(fā)展深度越深。

(3)降雨入滲會使灰場邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)降低。因本文中模擬的降雨條件大于實際強(qiáng)降雨持續(xù)時間，故實際上灰場邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)降低幅度比計算值小。

(4)本文采用的非飽和滲流計算干灰場和封閉后水灰場在理論上是有先進(jìn)性的，但缺乏實測資料，并且沒考慮蒸發(fā)的影響。故用該理論計算干灰場邊坡穩(wěn)定，需進(jìn)一步研究。

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