周清勇 熊 磊,2 胡國(guó)平,2

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029;2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

降雨入滲引起的邊坡變形與失穩(wěn)是一種常見、多發(fā)的災(zāi)害現(xiàn)象。降雨入滲會(huì)使邊坡土體內(nèi)非飽和區(qū)含水量增高，基質(zhì)吸力減小，浸潤(rùn)線以上形成暫態(tài)飽和區(qū)，孔隙壓力逐步增加，土體抗剪強(qiáng)度減小，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。王一漢等分析了考慮降雨歷時(shí)及不同降雨強(qiáng)度下的某土石壩穩(wěn)定性。黃龍波等以某安置點(diǎn)邊坡為例，分析不同降雨入滲時(shí)間邊坡滲流路徑、滲流速度和孔隙水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；唐正光以地形地貌、植被及介質(zhì)孔隙特性等作為降雨入滲因子，分析多因素影響下降雨入滲及地下滲流狀況；曾鈴等對(duì)某炭質(zhì)泥巖路堤邊坡在常見的三種降雨入滲因素變化下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

目前，大多數(shù)邊坡降雨入滲影響是以單獨(dú)考慮降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)兩大外因?yàn)橹?，而較少考慮到降雨類型、土體滲透特性、坡比等其他因素對(duì)降雨入滲過程的影響。鑒于此，本文以潭湖水庫(kù)右岸壩肩邊坡為研究對(duì)象，采用二維有限元計(jì)算方法，綜合考慮受降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、降雨類型、土體滲透特性和坡比等因素影響下的壩肩邊坡安全穩(wěn)定性。

1 滲流與強(qiáng)度理論

1.1 飽和與非飽和滲流理論

一般情況下，水庫(kù)壩肩邊坡內(nèi)浸潤(rùn)線以下滑體處于飽和狀態(tài)，而浸潤(rùn)線以上滑體處于非飽和狀態(tài)。隨著外部降雨因素的介入，雨水的流動(dòng)會(huì)使臨界變化處的土體存在典型的飽和與非飽和問題，達(dá)西定律仍然適用其滲流規(guī)律的描述。本文分析將邊坡假定為各向同性多孔介質(zhì)，建立x和y方向上的飽和與非飽和滲流控制方程:

(1)

式中：H為水頭；K為土層滲透系數(shù)；Q為邊界水流量；θ為體積含水率；r1為水頭邊界；h(x,y,t)為邊界水頭；r2為流量邊界；q(x,y,t)為邊界單寬補(bǔ)給流量；n為外法線方向；t為時(shí)間。

初始條件為降雨前計(jì)算起始時(shí)刻的穩(wěn)定滲流場(chǎng)，求解方程時(shí)，二維有限元程序采用Galerkin加權(quán)殘數(shù)法原理分析，采用極限平衡方法求解滑動(dòng)面與安全系數(shù)的變化情況。

1.2 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

土層內(nèi)浸潤(rùn)線以下，其非飽和土的抗剪強(qiáng)度隨著土體含水量的變化而不同，采用的計(jì)算式為

τf=c′+[(σ-ua)+x(ua-uw)]tanφ′

式中：τf為土的抗剪強(qiáng)度；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；σ為總應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力。

邊坡安全系數(shù)分析采用土體極限平衡方法求解。

2 影響邊坡穩(wěn)定性的因素分析

2.1 邊坡計(jì)算概況

潭湖水庫(kù)右岸壩肩邊坡高約70m，坡腳高程51.20m。邊坡基本為巖質(zhì)邊坡，邊坡巖體風(fēng)化破碎。受F3斷層的影響，邊坡巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，全強(qiáng)風(fēng)化帶深厚，全強(qiáng)風(fēng)化帶自坡面垂直厚度為16～30m。邊坡間隔10～15m設(shè)馬道一級(jí)，馬道設(shè)計(jì)高程分別為61m、71m、81m、96m及110m，其中高程71m處的馬道寬5.0m，其余馬道寬2.0m。馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝，坡頂外2.0m處設(shè)截水溝。分析右壩肩邊坡安全性，其主要受降雨影響，考慮邊坡地形、全強(qiáng)風(fēng)化層深厚、主滑方向與邊坡傾向夾角較大等多種因素。地質(zhì)參數(shù)建議值見表1。模型概化見圖1。采用有限元計(jì)算方法，分析在降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、降雨類型、土體滲透特性和坡比等影響下邊坡穩(wěn)定性。

表1 右岸壩肩邊坡地質(zhì)參數(shù)建議值

圖1 潭湖水庫(kù)右岸壩肩邊坡模型概化圖

2.2 降雨歷時(shí)

選取模擬降雨歷時(shí)為24h，降雨量為10mm/h，根據(jù)圖2計(jì)算的安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化值，分析不同降雨歷時(shí)下(0h、8h、12h、24h)的孔隙水壓力隨高程變化，見圖3。

圖2 安全系數(shù)隨24h降雨歷時(shí)變化情況(10mm/h降雨量)

圖3 不同降雨歷時(shí)下孔隙水壓力隨高程變化情況

從圖2可知，當(dāng)降雨量為10mm/h時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著降雨歷時(shí)的增加而不斷減小，因?yàn)橥馏w在降雨條件下不斷軟化，可能造成滑移等不良現(xiàn)象。在降雨初期，因?yàn)楸韺油馏w入滲能力大，雨水大部分能滲入到土體，隨著入滲雨量的增加，入滲能力逐漸減小，浸潤(rùn)線上移，使土體含水量增加的趨勢(shì)減慢，邊坡安全系數(shù)降低幅度亦變緩。從圖3可知，在不同降雨歷時(shí)條件下，邊坡上某點(diǎn)處孔隙水壓力隨高程變化，其孔隙水壓力上升幅度大致相同，在大于某高程點(diǎn)以上時(shí)，隨著降雨歷時(shí)的增加，孔隙水壓力也呈現(xiàn)一定變化，即孔隙水壓力增加較小。

2.3 降雨強(qiáng)度

選取四種不同降雨強(qiáng)度進(jìn)行模擬，其降雨強(qiáng)度分別為5mm/h、10mm/h、15mm/h、20mm/h，模擬降雨歷時(shí)為12h，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化情況

從圖4可知，4種降雨強(qiáng)度條件，每小時(shí)降雨強(qiáng)度增大，則壩肩邊坡安全系數(shù)降低較明顯，呈負(fù)相關(guān)性；隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，邊坡安全系數(shù)下降率越明顯，說明隨著雨水在土壤中入滲的不斷深入，暫態(tài)飽和區(qū)不斷擴(kuò)大，孔隙水壓力和含水量增加，基質(zhì)吸力相應(yīng)地降低，安全系數(shù)也持續(xù)降低。所以，壩肩邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)受到降雨強(qiáng)度與降雨時(shí)長(zhǎng)的雙重影響，在巡查維護(hù)時(shí)特別要做好強(qiáng)降雨下的邊坡發(fā)生滑坡等不利情況的監(jiān)測(cè)工作。

2.4 降雨類型

為反映降雨模式對(duì)邊坡降雨入滲的影響，選取常見的四種降雨模式：減弱型、集中型、平均型及增加型。本文模擬降雨歷時(shí)為72h，降雨總量為100mm，選取0～48h為降雨期，48～72h為無降雨期，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 不同降雨模式下安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化情況

由圖5可知，四種降雨模式中，對(duì)壩肩邊坡內(nèi)孔隙水壓力的影響較大者為減弱型降雨模式，其安全系數(shù)明顯降低更多，而平均型、集中型和增加型孔隙水壓力和安全系數(shù)的增減趨勢(shì)大致相同。減弱型降雨模式因其前期降雨量較大，造成邊坡內(nèi)快速形成了傳導(dǎo)區(qū)和過渡區(qū)，使雨水容易入滲，同時(shí)在暫態(tài)飽和區(qū)重力作用下，大量雨水向下坡腳處流去，安全系數(shù)也更小，而平均型、集中型和增加型等模式因前期降雨量不大，邊坡滲透速度比較穩(wěn)定，達(dá)到暫態(tài)飽和區(qū)前期時(shí)間相似，安全系數(shù)比減弱型情況下的安全系數(shù)更高，壩坡穩(wěn)定性亦更好。

2.5 土體滲透特性

土體滲透特性特別是表層土體滲透特性亦是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素之一，本文選取三種不同滲透系數(shù)，分析改變表層土情況下降雨入滲的邊坡安全性。假設(shè)降雨量均為10mm/h，模擬降雨歷時(shí)為24h，不同滲透系數(shù)影響下邊坡安全系數(shù)與降雨歷時(shí)變化值見圖6。

圖6 不同滲透系數(shù)條件下安全系數(shù)與降雨歷時(shí)變化情況

由圖6可知，邊坡表層土體滲透系數(shù)越大，邊坡安全系數(shù)下降幅度越明顯。土層滲透系數(shù)越大，雨水入滲速率相對(duì)越快，重度增大和基質(zhì)吸力的喪失也越快，安全系數(shù)的降低也越明顯，安全性能穩(wěn)定值提前達(dá)到。

2.6 坡比

坡比也對(duì)常見工程邊坡穩(wěn)定性有著重要影響，結(jié)合壩肩邊坡開挖的斜度，本文選取常見的幾種開挖后的坡比，分別為：坡比1∶2.5即坡度為22°，坡比1∶2.25即坡度為24°，坡比1∶2.10即坡度為25°。相關(guān)材料參數(shù)保持不變，降雨量設(shè)置為10mm/h，模擬降雨歷時(shí)為24h，計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 不同坡比受降雨影響的安全系數(shù)變化情況

由圖7可知，在不同坡比情況下，其邊坡在受到降雨入滲影響后安全系數(shù)變化具有一致性。坡比越小即坡度越緩，其安全系數(shù)越高。不同坡角下邊坡安全系數(shù)在某一時(shí)刻的下降率相近，說明坡比變小在降雨影響下其安全系數(shù)減小具有一致性。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)潭湖水庫(kù)右岸壩肩邊坡穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)合滲流與強(qiáng)度理論，采用二維有限元法，探討了降雨入滲多因素影響下的邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，結(jié)論如下：

a.壩肩邊坡穩(wěn)定安全性隨著降雨歷時(shí)與強(qiáng)度的增加而不斷降低。

b.不同降雨模式下，減弱型降雨相對(duì)于平均型、集中型和增加型，因其前期降雨量較大，提早形成過渡區(qū)和傳導(dǎo)區(qū)，安全系數(shù)更小。而平均型、集中型和增加型的安全系數(shù)增減趨勢(shì)大致相同。

c.土體滲透特性對(duì)邊坡穩(wěn)定起著重要作用，邊坡表層土滲透系數(shù)越大，安全性隨之越好。

d.不同開挖坡比，其邊坡在受到降雨入滲影響后，安全系數(shù)及下降率變化具有一致性。