董瑞晗

(三亞學(xué)院 管理學(xué)院,海南 三亞 572000)

本文利用Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊建立公路邊坡滲流場(chǎng),根據(jù)對(duì)該地段地質(zhì)勘查報(bào)告數(shù)據(jù),設(shè)置模型滲流參數(shù)等,并結(jié)合SLOPE/W 模塊在相應(yīng)工況下,進(jìn)行不同強(qiáng)度降水條件下,公路邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算與分析,獲取降水強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系,找到滑坡的臨界點(diǎn),為解決邊坡失穩(wěn)提供可靠的理論依據(jù)。

1 概述

大量事實(shí)表明,降水是影響非飽和土邊坡失穩(wěn)的主要因素。其中降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間為主要。海南地處雷州半島的南部,屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候,全年雨量充沛,其中歷年5-10 月為降水期, 期間雨量較大和持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),還經(jīng)常發(fā)生中到暴雨,連續(xù)降雨可持續(xù)10 余天,容易導(dǎo)致公路邊坡失穩(wěn),造成交通事故的發(fā)生,同時(shí),也釀成無(wú)法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的作用機(jī)理復(fù)雜多變,很難對(duì)其預(yù)測(cè)。

在2016 年10 月份,正值國(guó)慶小長(zhǎng)假,海南省遭受特大暴雨,全省降水量在300mm～1000mm,部分地區(qū)降水量超過(guò)1000mm,為海南省自2000 年以來(lái)有史最大的降水。不僅給海南旅游業(yè)帶來(lái)巨大損失,還帶來(lái)各種地質(zhì)災(zāi)害,出現(xiàn)部分道路嚴(yán)重?fù)p壞導(dǎo)致,造成交通事故的發(fā)生。由此可以看出,降水量隨著時(shí)間的增加而增加,使土體從未飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化飽和狀態(tài),當(dāng)雨量和持續(xù)時(shí)間達(dá)到某一值后,由有效應(yīng)力原理可知,土體中孔隙水壓力和總應(yīng)力上升,使有效自重應(yīng)力增加并引起土體承載力大幅度下降,會(huì)使公路邊坡失穩(wěn),使公路兩邊發(fā)生塌陷或者滑坡,導(dǎo)致道路受到破壞,造成嚴(yán)重的自然災(zāi)

2 邊坡滲流場(chǎng)內(nèi)各參數(shù)的選取確定

選取海南省儋州市洋浦開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)主干道路為研究對(duì)象,屬于城市主道路,道路總長(zhǎng)度3200m,選取一段道路建立簡(jiǎn)化模型,模型尺寸如圖1 所示。

圖1 海南省儋州市洋浦開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)擬建道路圖模型

根據(jù)海南省儋州市洋浦開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)主干道路簡(jiǎn)化建立的模型,土坡坡高25 m,寬度為30m,在分析過(guò)程中防止出現(xiàn)滑坡面為固定在坡頂點(diǎn)滑動(dòng),人為假定為坡頂為平面而不是尖角。坡頂平面長(zhǎng)取10m,左側(cè)公路取10m。為了更加真實(shí)的模擬邊坡真實(shí)狀況及加載邊界條件,在公路左側(cè)簡(jiǎn)化成豎直狀態(tài),高度取5m。

表1 路基土容許承載力及工程設(shè)計(jì)參考建議值表

假設(shè)坡體內(nèi)部孔隙水及裂縫水由降水補(bǔ)給,以邊坡表面為降水入滲面,區(qū)域底面假定為不透水面,不考慮蒸發(fā)量,降水強(qiáng)度按照50 年一遇頻偶q=15mm/h。

土- 水特征曲線和非飽和土滲透系數(shù)是表述土體非飽和滲流特性的重要參數(shù)。其中,土水特征曲線反映土體的持水能力,而非飽和滲透系數(shù)則反映土體在非飽和區(qū)導(dǎo)水的快慢。利用Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)獲得土- 水特征曲線(圖2)及滲透系數(shù)函數(shù)(圖3)。

圖2 土- 水特征曲線

圖3 滲透系數(shù)函數(shù)

3 邊坡滲流場(chǎng)模型分析

模擬的降水量是通過(guò)在邊坡坡面施加的孔隙水壓力小于零的方式模擬,當(dāng)降水量不大于土體中滲透性時(shí),降水會(huì)全部流入土體中,排出因降水強(qiáng)度使土體達(dá)到飽和后,使部分水流失的可能性,如果大于土體中滲透性時(shí)(后期降水量),因土體達(dá)到飽和狀態(tài),部分雨水無(wú)法滲入其中,這部分由于重力作用沿坡面流下,在其過(guò)程中形成薄薄的水膜,因此在計(jì)算中,常常取地表為位置水頭。

本文通過(guò)對(duì)海南省儋州市洋浦開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)主干道路的降水進(jìn)行模擬,從降水強(qiáng)弱、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)邊坡失穩(wěn)進(jìn)行研究分析,分析各種降水條件下,降水入滲影響的邊坡暫態(tài)滲流場(chǎng)分部。通過(guò)Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊計(jì)算出空隙水壓力隨著土體含水量的變化影響,將其導(dǎo)入SLOPE/W模塊,運(yùn)用瑞典條分法計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù),采用極限平衡法尋找可能性最大的滑動(dòng)面。

降水強(qiáng)度根據(jù)海南2019 至2020 年降水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如圖4 所示,為了更具有普遍性,雨量取一下數(shù)據(jù):70mm/d、100mm/d、130mm/d,假設(shè)3 種強(qiáng)度降水持續(xù)時(shí)間為2 小時(shí),通過(guò)Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊計(jì)算得到總水頭以及孔隙水壓力等值線。

圖4 海南2019 與2020 年降水

從左往右依次為70mm/d、100mm/d、130mm/d 強(qiáng)度下降水的總水頭等值線如圖5、6、7 所示。

圖5 70mm/d 降水總水頭等值線

圖6 100mm/d 降水總水頭等值線

圖7 130mm/d 降水總水頭等值線

從左往右依次為70mm/d、150mm/d、200mm/d 強(qiáng)度下降水的空隙水壓力等值線。如8、9、10 圖所示。

圖8 70mm/d 降水空隙水壓力

圖9 150mm/d 降水空隙水壓力

圖10 200mm/d 降水空隙水壓力

根據(jù)以上可知,隨著降水量逐漸的增加,零水位線隨著降水量的增加而上增加,從而導(dǎo)致坡頂負(fù)空隙水壓力(基質(zhì)吸力)范圍將進(jìn)一步縮小。將以上計(jì)算的出空隙水壓力分步和初始條件導(dǎo)入Geostudio 軟件中的SLOPE/W 模塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析,計(jì)算安全系數(shù)。

假設(shè)雨量取為90mm/d,在這種強(qiáng)度降水下,持續(xù)時(shí)間分別為2 小時(shí)、4 小時(shí)、6 小時(shí),通過(guò)Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊計(jì)算得到孔隙水壓力等值線。

從左往右依次為在90mm/d 下,持續(xù)時(shí)間分別為2 小時(shí)、4 小時(shí)、6 小時(shí)作用下的孔隙水壓力等值線分布圖。如圖11、12、13 所示。

圖11 2 小時(shí)孔隙水壓力

圖12 4 小時(shí)孔隙水壓力

圖13 6 小時(shí)孔隙水壓力

由空隙水壓力分布情況可知,隨著降水逐漸的增加,雨水隨之慢慢滲入土中,土坡表面孔隙水壓力逐漸減小,導(dǎo)致雨水未能滲入到土體中間層,從而使中間層的孔隙水壓力保持不變。當(dāng)降水持續(xù)到4 h 后(圖14),由于初始含水量比其他部分高,土體滲流速度快,導(dǎo)致地下水位的迅速上升,整個(gè)非飽和區(qū)的負(fù)空隙水壓力(基質(zhì)吸力)都有不同程度的減小,出現(xiàn)減小的滑坡面,不至于使邊坡失穩(wěn),當(dāng)降雨持續(xù)到6h 后(圖15),滑坡面逐漸增大,出現(xiàn)滑坡的風(fēng)險(xiǎn)增大。

圖14 持續(xù)降水4 小時(shí)

圖15 持續(xù)降水6 小時(shí)

降雨入滲引起的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一直困擾著人們,本文利用Geostudio 軟件SEEP/W 和SLOPE/W 模塊進(jìn)行降雨過(guò)程中的滲流場(chǎng)的模擬,得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

從模擬結(jié)果可以看出, 隨著降雨強(qiáng)度增大,使得非飽和逐漸轉(zhuǎn)化暫態(tài)飽和區(qū),讓土體內(nèi)負(fù)空隙水壓力(基質(zhì)吸力)降低,孔隙水壓力也增大,從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度參數(shù)減小,使得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性的下降。因此,在公路的建設(shè)當(dāng)中,應(yīng)該盡可能地對(duì)邊坡頂部的土質(zhì)表面實(shí)行硬化處理,從而有效避免土坡表面負(fù)空隙水壓力(基質(zhì)吸力)在降水條件下的降低。同時(shí),坡腳部位由于離地下水位一般相對(duì)較近,在持續(xù)降雨條件下更易飽和,使得整個(gè)邊坡負(fù)空隙水壓力(基質(zhì)吸力)都逐漸下降,容易引起邊坡失穩(wěn)的問(wèn)題,應(yīng)引起人們的注意,因而,在公路建設(shè)時(shí),對(duì)離地下水位較近的邊坡,進(jìn)行人工降水,降低地下水位的高度,使其在降水條件下,邊坡不易飽和的狀態(tài),保持邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文主要是考慮降水強(qiáng)弱、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析, 在降雨入滲情況下, 雨水的入滲使得邊坡頂部非飽和區(qū)縮小, 出現(xiàn)局部暫態(tài)飽和區(qū), 導(dǎo)致邊坡土體基質(zhì)吸力下降, 抗剪強(qiáng)度減小, 從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性的下降。降雨入滲是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要因素, 其中尤以降雨強(qiáng)度的影響最為顯著。降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響程度與降雨強(qiáng)度大小有關(guān)。在降雨量相同的情況下, 不同的降雨方式也影響邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)降雨歷時(shí)不變時(shí), 隨著降雨強(qiáng)度的增加, 淺部土體的含水率在增大, 基質(zhì)吸力在減小, 土坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低, 但當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到一定值, 超過(guò)土體的入滲能力后, 這種變化的趨勢(shì)在減小; 降雨強(qiáng)度不變時(shí),隨著降雨歷時(shí)的增大, 土坡的穩(wěn)定性也在降低。