陳巖

農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

陳巖

長(zhǎng)春建筑學(xué)院 土木工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130000

依據(jù)內(nèi)蒙古烏海市新星煤礦邊坡覆綠生態(tài)恢復(fù)工程的具體情況，建立了農(nóng)業(yè)灌溉作用下黃土邊坡穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，分析了灌溉作用下邊坡位移、塑性區(qū)的重點(diǎn)影響區(qū)域，研究了邊坡位移和塑性區(qū)隨灌溉時(shí)間的變化規(guī)律，討論了邊坡的整體穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：（1）邊坡位移隨著灌溉時(shí)間的增大而增大，最大位移位于坡頂以及坡面；（2）塑性區(qū)面積隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，且向邊坡內(nèi)部發(fā)展；（3）邊坡潛在的滑動(dòng)面位置與農(nóng)業(yè)灌溉作用無關(guān)，但農(nóng)業(yè)灌溉作用會(huì)增大邊坡失穩(wěn)的可能性。

農(nóng)業(yè)灌溉; 黃土邊坡; 位移; 塑性區(qū); 穩(wěn)定性

上世紀(jì)60年代開始，灌溉成為我國(guó)黃土高原農(nóng)業(yè)的重要水力基礎(chǔ)建設(shè)[1]。而寧夏、陜西及其北部接壤的內(nèi)蒙古是我國(guó)重要的煤炭產(chǎn)地[2]，其中內(nèi)蒙古烏海市是以煤炭為主要經(jīng)濟(jì)來源的城市，分布著眾多的露天煤礦[3]。露天煤礦不可避免的對(duì)地表生態(tài)壞境產(chǎn)生破壞[4]，因此，在露天采煤后進(jìn)行邊坡覆綠生態(tài)恢復(fù)對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

烏海市年降水量不足160 mm，年蒸發(fā)量達(dá)到3500 mm[5]。邊坡覆綠生態(tài)恢復(fù)水源主要為人工灌溉[6]。然而，在人工灌溉過程中水滲入黃土地層表層，土體密度增大，抗剪強(qiáng)度明顯降低，易造成邊坡失穩(wěn)而引發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害[7-8]。因此，本文針對(duì)內(nèi)蒙古烏海市新星煤礦邊坡的具體地質(zhì)條件，建立黃土邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算模型，分析農(nóng)業(yè)灌溉作用對(duì)黃土邊坡土體的位移、塑性區(qū)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，找出灌溉作用下黃土邊坡的薄弱區(qū)域。本文的研究成果可為黃土邊坡農(nóng)業(yè)灌溉提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況與數(shù)值模擬模型

1.1 工程概況

內(nèi)蒙古烏海市新星煤礦第4排排土場(chǎng)邊坡位于我國(guó)“兩屏三帶”內(nèi)，目前已被納入邊坡覆綠生態(tài)恢復(fù)工程中。該邊坡坡高20 m，邊坡角度為39.5°，主要土層為均質(zhì)黃土，地下水位位于坡腳以下，如圖1所示。對(duì)該區(qū)域內(nèi)的黃土進(jìn)行取樣，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得其彈性模量為17.6 MPa，泊松比為0.3，干密度為13.1 kg/m3，干燥狀態(tài)下內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角為15.3 kPa和30.5°，飽和狀態(tài)下內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角則為8.3 kPa和21.1°，滲透系數(shù)則為5×10-4cm/s。

圖 1 新星煤礦第4排排土場(chǎng)邊坡示意圖

1.2 數(shù)值模擬模型建立

采用巖土工程通用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立新星煤礦第4排排土場(chǎng)邊坡模型并進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉前的初始應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算，得到初始灌溉前邊坡土體的飽和度分布如圖2所示。模型靜力邊界條件設(shè)置為底面固定，四周法向約束，坡面以及坡頂自由；模型水力邊界條件則設(shè)置為在兩側(cè)水位線以下施加隨深度不斷增大的靜水壓力。當(dāng)進(jìn)行人工灌溉模擬時(shí)，對(duì)邊坡頂面施加0.75 m/d的補(bǔ)給水源邊界條件，并在灌溉過程中，對(duì)邊坡土體單元飽和度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)值對(duì)邊坡土體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)修正，修正公式如式(1)所示。

圖 2 初始狀態(tài)下排土場(chǎng)邊坡的飽和度分布圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 農(nóng)業(yè)灌溉作用下邊坡土體位移的變化規(guī)律

當(dāng)邊坡頂部灌溉強(qiáng)度為0.75 m/d、灌溉時(shí)間為10 h時(shí)，整個(gè)邊坡土體的位移云圖如圖3所示。由于一方面，農(nóng)業(yè)土體在灌溉后，其飽和度增加，質(zhì)量變大，導(dǎo)致坡頂以下土體產(chǎn)生壓縮變形；另一方面土體在灌溉后其內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角減小，使得其本身的承載能力變小，導(dǎo)致邊坡土體易向坡底產(chǎn)生滑動(dòng)變形。因此當(dāng)灌溉時(shí)間為10 h時(shí)，整個(gè)坡頂均產(chǎn)生了30 mm左右的沉降，而最大沉降位置則出現(xiàn)在距坡頂邊緣約12 m左右的位置，其值為30.6 mm；坡腳處土體因受上方邊坡的滑動(dòng)擠壓影響而產(chǎn)生了一定的隆起，隆起值為13.7 mm。從整體上，整個(gè)邊坡土體均在灌溉作用下產(chǎn)生了沉降，而沉降值則從坡頂往下逐漸減小，至水位面位置時(shí)，邊坡土體仍保持有5~10 mm的沉降。由圖3(b)可知，由于受坡頂灌溉作用的影響，整個(gè)邊坡土體在距坡面約30 m的范圍內(nèi)均向坡外產(chǎn)生了一定的水平位移，而且該位移是越靠近坡腳越大，至坡腳位置時(shí)，其值達(dá)到了25.1 mm。這說明，灌溉作用對(duì)坡頂以及坡面位置土體位移的影響最大，為保證邊坡土體在灌溉作用下的安全穩(wěn)定，必要時(shí)應(yīng)對(duì)坡腳進(jìn)行壓載或加固處理。

(a) 豎向位移 Vertical displacement (b) 水平位移 Horizontal displacement

圖4給出了不同灌溉時(shí)間下邊坡土體的位移分布曲線?？梢钥闯?，當(dāng)灌溉時(shí)間為2 h時(shí)，邊坡頂部土體開始發(fā)生沉降，沉降值在距坡頂邊緣最遠(yuǎn)處最大，約為5 mm；隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)，坡頂水流逐步下滲，導(dǎo)致邊坡頂部各處沉降值均逐漸增大且增大速度約為3 mm/h；當(dāng)灌溉時(shí)間為10 h時(shí)，邊坡頂部平均沉降達(dá)到30 mm，但此時(shí)距坡頂邊緣約12 m的地表卻由于邊坡體的滑動(dòng)開始出現(xiàn)迅速增長(zhǎng)的征兆。而坡面土體位移則在灌溉2 h內(nèi)，由于土體淺層飽和度的增加，致使邊坡內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)力不均勻分布并逐漸向坡腳處傳遞，導(dǎo)致坡面土體發(fā)生較大的水平位移，尤其是坡腳位置處；隨著灌溉時(shí)間的增長(zhǎng)，坡面土體水平位移也逐漸增長(zhǎng)，但增大的速率是越靠近坡腳越大，這說明，灌溉時(shí)間越長(zhǎng)，邊坡越不穩(wěn)定，且最先從坡腳處開始失穩(wěn)破壞。

(a) 坡頂?shù)乇?The earth’s surface (b) 坡面 Slope

2.2 灌溉作用下邊坡土體塑性區(qū)的變化規(guī)律

不同灌溉時(shí)間下邊坡土體的塑性區(qū)變化云圖如圖5所示，圖中深色表示已發(fā)生塑性屈服，淺色則表示未屈服。當(dāng)灌溉時(shí)間為2 h時(shí)，由于坡頂處土體飽和度變化，導(dǎo)致土體內(nèi)不均勻應(yīng)力向坡腳處轉(zhuǎn)移，因此，灌溉作用下坡腳處土體和坡頂處中部土體首先出現(xiàn)塑性區(qū)。隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)，坡頂處水流逐漸下滲，坡內(nèi)土體不均勻應(yīng)力也逐漸增大，導(dǎo)致邊坡內(nèi)部在坡腳與坡頂中部連線的位置開始出現(xiàn)塑性區(qū)并逐漸向坡腳處擴(kuò)展匯聚。當(dāng)灌溉時(shí)間為10 h時(shí)，邊坡內(nèi)部土體在坡頂中部與坡腳之間產(chǎn)生的塑性區(qū)基本上已經(jīng)貫通成型，這為邊坡土體的滑動(dòng)直接創(chuàng)造了有利條件，此時(shí)邊坡處于一個(gè)極易發(fā)生失穩(wěn)的狀態(tài)。

(a) 2 h (b) 4 h

(c) 6 h (d) 8 h

(e) 10 h

2.3 灌溉作用對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響分析

圖6是灌溉前后邊坡土體潛在滑動(dòng)面的分布圖。由圖可以看出，灌溉后與灌溉前邊坡土體潛在滑動(dòng)面的位置基本一致，都是從坡頂距坡頂邊緣約12 m左右的位置開始以一個(gè)“勺子狀”的橢圓面向坡腳處發(fā)生滑動(dòng)。這也說明，邊坡潛在的滑動(dòng)面位置只與邊坡角度以及土體本身的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而與灌溉作用無關(guān)；灌溉作用只是增加了邊坡土體沿著該滑動(dòng)面發(fā)生失穩(wěn)破壞的幾率。由圖7不同灌溉時(shí)間下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線可知，當(dāng)灌溉時(shí)間由0 h增長(zhǎng)至10 h時(shí)，邊坡土體的整體穩(wěn)定系數(shù)由初始狀態(tài)下的1.17降至了1.07，這意味著，如灌溉時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)，則邊坡土體必然會(huì)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(a) 灌溉前 Before irrigation （b）灌溉10 h后 Irrigation after 10 h

圖 7 不同灌溉時(shí)間下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線

3 結(jié)論

（1）在農(nóng)業(yè)灌溉作用下，邊坡位移隨著灌溉時(shí)間的增大而增大；最大位移位于坡頂以及坡面位置，為保證邊坡土體在灌溉作用下的安全穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)坡腳進(jìn)行壓載或加固處理；

（2）農(nóng)業(yè)灌溉作用下坡腳處土體和坡頂處中部土體首先出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)，塑性區(qū)面積逐漸增大，且逐漸向邊坡內(nèi)部發(fā)展；

（3）邊坡潛在的滑動(dòng)面位置只與邊坡角度以及土體本身的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而與灌溉作用無關(guān)；農(nóng)業(yè)灌溉作用只是增加了邊坡土體沿著該滑動(dòng)面發(fā)生失穩(wěn)破壞的幾率。

[1] 趙紀(jì)飛,黃嘉悅,侯曉坤,等.灌溉誘發(fā)的黑方臺(tái)黃土滑坡泥流機(jī)理分析[J].災(zāi)害學(xué),2017,32(4):60-66

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Influence of an Agricultural Irrigation on the Stability of Loess Slope

CHEN Yan

130607,

According to slope green ecological restoration engineering of Xinxing coal mine, Wuhai city, Inner Mongolia. FLAC3Dnumerical calculation model of the loess slope stability is established under the action of irrigation. The key areas of slope displacement and plastic zone are analyzed under the action of irrigation. The slope displacement and plastic zone changing rule with the irrigation time are studied. The whole slope stability evaluation is completed. The results show that :(1) The slope displacement increases with the increase of irrigation time, and the maximum displacement is located at the top of the slope and the slope surface. (2) The plastic zone area gradually increases with the extension of irrigation time, and develops to the interior of the slope. (3) The potential sliding surface position of the slope has nothing to do with the irrigation effect, but the irrigation effect will increase the possibility of slope instability.

Agricultural irrigation; loess slope; displacement; plastic zone; stability

S275TU444

A

1000-2324(2019)04-0571-04

2018-08-05

2018-09-12

吉林省教育廳課題:碳纖維加熱線混凝土在路面除冰中的技術(shù)研究(吉教科合字[2016]第540號(hào))

陳巖(1981-),女,碩士,吉副教授,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程、農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境. E-mail:chenyan810715@163.com