韋宏寬，曾超，夏侯云山，劉曉*，抗興培，王彪龍

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司)

1 引言

邊坡可分為自然邊坡和人工邊坡，棄土場(chǎng)邊坡是工程建設(shè)中常見(jiàn)的人工邊坡，此類邊坡在降雨誘發(fā)下極易發(fā)生滑坡失穩(wěn)。地下水滲流場(chǎng)狀態(tài)變化主要受降雨補(bǔ)給入滲的影響，同時(shí)降雨量越大的地區(qū)滑坡越發(fā)育。王桂堯進(jìn)行了降雨條件下的邊坡滲流分析發(fā)現(xiàn)降雨入滲的速度與土體的滲透系數(shù)有關(guān)?；麦w后緣斜坡區(qū)是滑坡降雨入滲的主要匯水區(qū)，滑坡體地下水位上升主要是由于滑坡后緣地下水入滲導(dǎo)致的。因此對(duì)邊坡采取排水措施以降低地下水位是提高降雨型滑坡穩(wěn)定性的重要方式之一，目前常采用的滑坡排水措施是利用水的重力勢(shì)能排水原理(如排水洞、截水溝等)，將高處的水往低處排，以此來(lái)減小水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。針對(duì)具有有利地形條件的邊坡，可以達(dá)到很好的排水效果，然而許多邊坡往往缺乏這一有利條件，很難實(shí)現(xiàn)快速有效排水。因此，施工簡(jiǎn)單、快速截排水且工程造價(jià)相對(duì)較低的排水方法，對(duì)于降雨型滑坡具有重要意義。

土的復(fù)雜系統(tǒng)中包括：水-氣-固三相體，其中滲透性主要受土體中氣-水分布的影響。非飽和土理論和土壤學(xué)理論研究表明：土的滲透性隨飽和度的降低而降低，即土中的氣體對(duì)土中水入滲有阻礙作用。含水層地下儲(chǔ)氣庫(kù)的成功建造、垃圾填埋場(chǎng)中因產(chǎn)生氣體而儲(chǔ)量縮減、壓氣新奧法隧道施工、曝氣法清除土壤及地下水中污染物，都說(shuō)明了通過(guò)有壓氣體可以把土體中飽和區(qū)域變成非飽和區(qū)域。李援農(nóng)等驗(yàn)證了土壤中的有壓氣體會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生阻力作用；劉長(zhǎng)殿等通過(guò)模型試驗(yàn)研究，非飽和土體中，氣體形態(tài)隨充氣壓力的不同而變化及充氣氣體的阻滲效果；杜麗麗通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析對(duì)充氣截排水法進(jìn)行了較全面的研究：將滲透系數(shù)較小的粉土夾層代替非飽和土層區(qū)域通過(guò)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，截排水效果隨著充氣氣壓增大，效果越明顯；截排水效果與土體滲透系數(shù)和空隙率無(wú)關(guān)；余文飛通過(guò)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，往土體中充氣形成非飽和區(qū)過(guò)程中，土體的孔隙氣壓力、孔隙氣流速度、體積含水量和孔隙水滲流速度之間有良好的相關(guān)性；通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析提出了對(duì)于特定坡體，存在與之對(duì)應(yīng)的截排水起始充氣氣壓和最佳充氣氣壓；錢文見(jiàn)提出在坡體后緣充氣時(shí)，充氣點(diǎn)離潛在滑坡區(qū)越近，截排水效果越好，選擇充氣點(diǎn)深度時(shí)，充氣點(diǎn)放置越深，充氣效果越好。

目前，充氣截排水技術(shù)已有一定的理論基礎(chǔ)，但仍存在不足：① 大多數(shù)研究是建立在物理模擬基礎(chǔ)上，模型相對(duì)較小，條件也比較理想，尚未針對(duì)棄土場(chǎng)邊坡開(kāi)展較為大模型的模擬；② 充氣方式比較單一，僅開(kāi)展以點(diǎn)的充氣方式；③ 未涉及到充氣截排水對(duì)坡體滲流場(chǎng)擾動(dòng)是否可逆的探討，即尚未揭示停止充氣后，地下水位線是否回彈和回彈量多大的問(wèn)題，而這一問(wèn)題對(duì)邊坡加固的實(shí)踐至關(guān)重要，因?yàn)樵谡麄€(gè)工程的生命周期中，在野外長(zhǎng)期保持空壓機(jī)加氣站是不現(xiàn)實(shí)的。

鑒于此，該文以貴州山區(qū)平(塘)羅(甸)高速公路某棄土場(chǎng)邊坡為實(shí)例，由于棄土場(chǎng)邊坡是由棄渣填埋形成，存在滲透性相差較大的兩塊區(qū)域，且棄渣與原坡面的界面將是地下水滲流的主要通道，這為該文提供了很好的研究模型。該文在前人研究基礎(chǔ)上，通過(guò)野外勘察、室內(nèi)試驗(yàn)獲得棄土場(chǎng)邊坡的物理力學(xué)參數(shù)，用數(shù)值模擬方法研究充氣截排水法在棄土場(chǎng)邊坡中對(duì)地下水滲流場(chǎng)的擾動(dòng)情況，以及由此產(chǎn)生的邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化，同時(shí)研究不同充氣方式對(duì)邊坡充氣效果的影響。

2 土體氣-水兩相流理論

2.1 控制方程

土體的氣-水兩相流的控制方程為質(zhì)量守恒方程，在多相滲流需要考慮氣體的影響時(shí)，通常將空氣壓力近似當(dāng)作大氣壓。然而在大多數(shù)情況下，這種假設(shè)并不能很好地反映真實(shí)情況。因此，對(duì)于多相滲流問(wèn)題，在建立質(zhì)量守恒方程時(shí)必須同時(shí)包含孔隙氣壓力和孔隙水壓力。

對(duì)于二維可壓縮流動(dòng)，通用質(zhì)量守恒方程可表示為：

(1)

式中:k為流體的滲透系數(shù)(m/s)；θ為流體的單位體積含量；t為時(shí)間(s)；ρ為流體密度(kg/m3)；Q為匯源項(xiàng)[kg/(m3·s)]；H為總水頭(m)。

(1) 水的質(zhì)量守恒

由于水不可壓縮，故水的質(zhì)量守恒方程可用體積守恒方程來(lái)表示：

(2)

式中：γw為水的重度(kN/m3);kw為滲透系數(shù)(m/s);mw為土水特征曲線在某一特定孔隙水壓力處的斜率；Hw為滲流過(guò)程中的總水頭(m);pa為孔隙氣壓力(kPa);Qw為水的匯源項(xiàng)[kg/(m3·s)]。

(2) 氣體的質(zhì)量守恒

(3)

式中:ρa(bǔ)為氣體密度(kg/m3);ka為透氣系數(shù)(m/s);T為溫度(K);ρoa為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度(kg/m3);γoa為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體重度(kN/m3)，對(duì)于干燥空氣，R=287 J/(kg·K)。

2.2 水土特征曲線

依據(jù)非飽和滲流理論，土體的滲透性隨飽和度降低而降低。目前，主要通過(guò)土水特征曲線來(lái)描述非飽和土的滲透性與土體含水量之間的關(guān)系。利用GeoStudio中的SEEP/W和AIR/W模塊相結(jié)合，模擬土體中氣-水兩相流，其中土體中水、氣滲透率曲線和土體特征曲線可用Van-Genuchten模型來(lái)定義。

土水特征曲線為：

(4)

式中：θw為體積含水量(m3/m3)；Ψ為基質(zhì)吸力(kPa)；θr為殘余體積含水量(m3/m3)；θs為飽和體積含水量(m3/m3)；a,m,n均為擬合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，n=1/(1-m)。

導(dǎo)水率函數(shù)為：

(5)

式中：kw為滲透系數(shù)(m/s);ks為飽和滲透系數(shù)(m/s)。

導(dǎo)氣率函數(shù)為：

(6)

式中：kdg為干土的透氣率(m/s)，q=2.9。

3 工程概況

貴州山區(qū)平羅高速公路某棄土場(chǎng)邊坡，位于寬陡沖溝內(nèi)，原沖溝兩側(cè)邊坡坡角50°左右。由巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖堆積而成，棄渣為松散破碎的頁(yè)巖、泥巖、灰?guī)r，并伴有大量破碎混凝土塊，夾有少量泥質(zhì)土。該棄土場(chǎng)占地面積170 m×70 m，平均厚度15～20 m，棄渣量體積約18萬(wàn)m3，坡面走向SE105°。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，棄土場(chǎng)所在沖溝常年有水，上游支流眾多，依據(jù)地形圖計(jì)算其匯水面積約為5.17 km2，由于雨季水量較大，這將對(duì)棄土場(chǎng)邊坡不利。根據(jù)實(shí)地勘察，利用SLOPE/W建立邊坡穩(wěn)定性分析模型(圖1)，其中棄土場(chǎng)邊坡左側(cè)地下水位500 m，右側(cè)地下水位472 m。

圖1 棄土場(chǎng)邊坡模型

4 充氣截排水?dāng)?shù)值模擬

利用GeoStudio中的SEEP/W和AIR/W模塊，建立邊坡二維氣-水兩相模型，通過(guò)往棄土場(chǎng)邊坡充入不同氣壓及改用不同充氣方式進(jìn)行充氣截排水?dāng)?shù)值模擬研究，分析充氣截排水對(duì)棄土場(chǎng)邊坡滲流場(chǎng)的變化，從而研究充氣截排水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響效果。

4.1 棄土場(chǎng)邊坡模擬模型

利用圖1所示的邊坡模型進(jìn)行模擬分析。棄土場(chǎng)邊坡水平距離234 m，高差34 m，坡度28°。對(duì)于該邊坡模型，先進(jìn)行自然狀態(tài)下滲流場(chǎng)分析，并將其分析結(jié)果作為初始條件，再進(jìn)行充氣過(guò)程的瞬態(tài)分析，模擬充氣穩(wěn)定后、停止充氣穩(wěn)定狀態(tài)下坡體地下水滲流變化情況，最后分析充氣截排水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

4.2 邊界條件

(1) 未充氣時(shí)的邊界條件：在棄土場(chǎng)邊坡模型左側(cè)和右側(cè)分別施加地下水位為500 m和472 m的定水頭邊界，斜坡面為潛在滲流面。

(2) 充氣時(shí)的邊界條件：水相邊界與未充氣時(shí)邊界相同，氣相邊界為所有坡面為透氣邊界。

4.3 材料參數(shù)

基于Van-Genuchten提出的土壤水分特征曲線，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合部分室內(nèi)試驗(yàn)和前人在貴州山區(qū)棄土場(chǎng)的研究，得到巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，一般干土滲氣系數(shù)比飽和滲水系數(shù)大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，故該文中取滲氣系數(shù)為飽和滲水系數(shù)的10倍。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，由式(4)得到上層棄土和下層第四系巖土土-水特征曲線(圖2)。

圖2 水-土特征曲線

由式(5)計(jì)算得到上層棄土和下層第四系巖土滲透函數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化曲線(圖3)。

圖3 巖土體滲透系數(shù)

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

4.4 模擬結(jié)果分析

4.4.1 點(diǎn)充氣截排水模擬效果分析

點(diǎn)充氣方式即氣體從充氣管口出來(lái)后直接與土體接觸，并作用于土體(圖4)。以初始模型為基礎(chǔ)，賦予相應(yīng)的材料參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得到自然狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)滲流如圖5所示。充氣截排水技術(shù)是通過(guò)充氣管向邊坡土體中充氣，充氣管出口處于離地下水位線垂直距離3 m處，其平面坐標(biāo)為(146.4 m,476.4 m)。在進(jìn)行充氣截排水模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的效果與充氣氣壓大小是否達(dá)到啟動(dòng)氣壓有關(guān)，啟動(dòng)氣壓是指剛對(duì)坡體產(chǎn)生作用的臨界氣壓。考慮到啟動(dòng)氣壓與水頭壓力和土體孔徑有關(guān)，暫定初始?xì)鈮簽?00 kPa，然后逐漸增大氣壓確定充氣起始?xì)鈮?。結(jié)果發(fā)現(xiàn)充氣區(qū)附近地下水位開(kāi)始發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的充氣氣壓為150 kPa，繼續(xù)增加充氣壓，當(dāng)氣壓達(dá)到500 kPa時(shí)，充氣區(qū)附近能夠形成最大的穩(wěn)定非飽和區(qū)域。由于氣體從充氣管口向四周擴(kuò)散需要時(shí)間，因此在充氣初期影響的區(qū)域較小，待坡體滲流場(chǎng)穩(wěn)定后，充氣處的后緣地下水位被明顯抬升，坡體前緣地下水位明顯降低(圖6)。

以圖5所示的自然狀態(tài)下穩(wěn)定滲流結(jié)果作為初始條件，最后得到坡體模型充氣穩(wěn)定后的氣-水流動(dòng)狀態(tài)(圖6)。

圖4 點(diǎn)充氣邊坡模型

圖5 坡體自然狀態(tài)下穩(wěn)定滲流

在啟動(dòng)氣壓為150 kPa的基礎(chǔ)上，逐漸增大氣壓模擬觀察充氣截排水的效果，在氣壓變化范圍150～500 kPa內(nèi)，當(dāng)充氣壓力變化梯度為50 kPa時(shí)顯示充

圖6 點(diǎn)充氣穩(wěn)定后坡體水-氣流動(dòng)狀態(tài)(500 kPa)

氣截排水的效果較好(表2)，當(dāng)氣壓為550 kPa時(shí)，充氣截排水的效果沒(méi)有500 kPa明顯，說(shuō)明500 kPa可能是點(diǎn)充氣方式最佳氣壓。當(dāng)充入氣壓500 kPa待邊坡滲流穩(wěn)定后，繼續(xù)充氣對(duì)邊坡滲流幾乎沒(méi)有影響，此時(shí)可停止充氣。停止充氣待穩(wěn)定后，發(fā)現(xiàn)坡體地下水位相對(duì)充氣停止時(shí)有上升趨勢(shì)。分析認(rèn)為：停止充氣后，土體中的孔隙壓力變小，原被擠壓未排出的水回流，綜合導(dǎo)致水位線上升，從而影響棄土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性。

表2 點(diǎn)-充氣氣壓變化對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

由表2可知：當(dāng)充氣壓力P為150～500 kPa時(shí)，坡體的穩(wěn)定系數(shù)隨氣壓增加而增大，地下水位隨氣壓增加而降低；當(dāng)P=550 kPa時(shí)，坡體穩(wěn)定系數(shù)相比氣壓為500 kPa條件下存在下降趨勢(shì)，這說(shuō)明氣壓過(guò)大可能會(huì)對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，從而失去充氣截排水的效果，因此不再考慮繼續(xù)增大氣壓及充氣穩(wěn)定后、停止充氣后穩(wěn)定狀態(tài)的對(duì)比。

停止充氣后，在充氣點(diǎn)附近的三相壓力平衡被打破，原被擠壓未排出的水逐步回流導(dǎo)致地下水位上升并趨向于建立新的平衡。這一過(guò)程在宏觀上表現(xiàn)為：地下水位線的向上回彈，但這種回彈并不能完全恢復(fù)到充氣前的初始狀態(tài)，而是存在明顯的差異；在穩(wěn)定系數(shù)的變化上表現(xiàn)為：停止充氣穩(wěn)定后邊坡穩(wěn)定系數(shù)雖發(fā)生回彈(降低)，但介于初始穩(wěn)定系數(shù)(低值)和充氣穩(wěn)定后穩(wěn)定系數(shù)(高值)之間。說(shuō)明充氣截排水對(duì)坡體的滲流場(chǎng)產(chǎn)生不可逆的擾動(dòng)，停止充氣后土體中存在的封閉氣體仍有一定程度的截留減滲作用，這也從巖土力學(xué)這一側(cè)面，驗(yàn)證了普利高津耗散結(jié)構(gòu)不可逆理論的普適性。也正是利用了這一特性，使得充氣截排水可用于對(duì)滲流邊坡的治理。

4.4.2 線充氣截排水模擬效果分析

線充氣方式與點(diǎn)充氣方式不同在于充氣管口的開(kāi)口形式不同，線充氣區(qū)域起始點(diǎn)和終點(diǎn)的平面坐標(biāo)分別為(146.7 m,272.85 m)和(146.7 m,275.7 m)，總長(zhǎng)度2.85 m，如圖7所示。對(duì)于線充氣方式，暫定初始充氣壓力為100 kPa，然后逐漸增大氣壓確定充氣起始?xì)鈮骸＝Y(jié)果發(fā)現(xiàn)充氣區(qū)附近地下水位開(kāi)始發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的充氣氣壓為120 kPa，繼續(xù)增加充氣壓，當(dāng)氣壓達(dá)到470 kPa時(shí)，充氣區(qū)附近能夠形成最大的穩(wěn)定非飽和區(qū)域，坡體前緣地下水位明顯降低，如圖8所示。

圖7 線充氣邊坡模型

圖8 線充氣穩(wěn)定后坡體氣-水流動(dòng)情況(470 kPa)

在初始?xì)鈮簽?00 kPa的基礎(chǔ)上，通過(guò)逐漸增大氣壓來(lái)觀察充氣截排水的效果，當(dāng)氣壓變化為120～470 kPa時(shí)，充氣截排水的效果較好。當(dāng)氣壓為520 kPa時(shí)，發(fā)現(xiàn)充氣截排水的效果沒(méi)有470 kPa時(shí)明顯，這說(shuō)明470 kPa可能是線充氣方式的最佳氣壓。

基于線充氣方式，在不同氣壓條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如表3所示。

表3 線充氣氣壓變化對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

對(duì)比表2、3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：① 對(duì)于線充氣方式，在充氣壓力為120～470 kPa范圍內(nèi)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，當(dāng)充氣壓力大于470 kPa時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)存在減小趨勢(shì)。表明邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨充氣壓力變化規(guī)律與點(diǎn)充氣方式基本一致，在最佳充氣氣壓范圍內(nèi)，均隨著充氣壓力的增加而增大，然而超過(guò)最佳氣壓，穩(wěn)定系數(shù)有所減小。同時(shí)，停止充氣后，坡體的滲流場(chǎng)也產(chǎn)生不可逆的擾動(dòng)，這一效果與點(diǎn)充氣方式類似；② 充氣截排水法的啟動(dòng)氣壓大小受充氣方式影響，即以線的方式充氣的啟動(dòng)氣壓小于以點(diǎn)的方式充氣；充氣截排水法對(duì)坡體充氣過(guò)程中存在最佳充氣壓力值，且線的充氣方式的最佳充氣值小于點(diǎn)的充氣壓力值。

不同氣壓下邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化如圖9所示。

圖9 不同氣壓下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化

由圖9可知：為達(dá)到相同的穩(wěn)定系數(shù)，相對(duì)于點(diǎn)充氣方式，線充氣方式需要的氣壓值較小。綜合說(shuō)明當(dāng)以線的方式充氣時(shí)，產(chǎn)生的效果較好，時(shí)間較短，這在滑坡治理工程的實(shí)施中可以爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

5 結(jié)論

以非飽和滲流為理論基礎(chǔ)，采用GeoStudio軟件對(duì)棄土場(chǎng)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，研究棄土場(chǎng)邊坡在不同充氣值及不同充氣方式條件下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響以及充氣截排水法在棄土場(chǎng)邊坡中對(duì)地下水滲流場(chǎng)的擾動(dòng)情況，得出如下結(jié)論：

(1) 分析結(jié)果表明：在邊坡地下水位以下充氣形成的非飽和區(qū)截水帷幕可阻止或減少后緣水的入滲，從而降低邊坡前緣的地下水位。

(2) 在地下水位線以下充氣，充氣排水過(guò)程存在啟動(dòng)氣壓；且充氣方式不同，啟動(dòng)氣壓也不同。

(3) 在不同充氣值條件下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨氣壓大小變化而變化，在一定氣壓范圍內(nèi)氣壓越大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)越大；當(dāng)氣壓超過(guò)一定值時(shí)，邊坡穩(wěn)定性降低。

(4) 停止充氣后穩(wěn)定狀態(tài)下，坡體中孔隙壓力減小，原被擠壓未排出的水回流，地下水位線相對(duì)于充氣穩(wěn)定后上升，說(shuō)明停止充氣后地下水位線產(chǎn)生回彈。

(5) 停止充氣后穩(wěn)定狀態(tài)下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于初始穩(wěn)定系數(shù)(低值)和充氣穩(wěn)定后穩(wěn)定系數(shù)(高值)之間，說(shuō)明停止充氣后土體中存在的封閉氣體仍有一定程度的截留減滲作用，充氣截排水對(duì)邊坡滲流場(chǎng)的擾動(dòng)是不可逆的。