曹恒亮 王光進(jìn) 李耀基 李小雙 敬小非

(1昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南磷化集團(tuán)有限公司，昆明650600；3.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000；4.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

在我國(guó)西南地區(qū)的石灰石礦山中分布有一種炭質(zhì)泥巖軟弱夾層。該炭質(zhì)泥巖在經(jīng)歷降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用后其滲透性發(fā)生顯著變化[1]，而軟弱夾層是一種與相鄰巖層有著不同力學(xué)特性和滲透特性的層狀巖體，在降雨過(guò)程中經(jīng)常使邊坡的滲流過(guò)程變得更為復(fù)雜[2]，因此研究軟弱夾層在干濕循環(huán)條件下的滲透性變化對(duì)整體邊坡的降雨滲流特性產(chǎn)生的影響具有重要工程意義。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)于含軟弱夾層邊坡在降雨條件下的滲流特性開(kāi)展了一系列研究。劉楊等[3]建立含軟弱夾層邊坡降雨滲流模型，揭露了降雨和雨后兩個(gè)階段的孔隙水壓力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。李龍起等[4]開(kāi)展了大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，揭示了順層邊坡典型降雨破壞模式。黃茂松等[5]基于轉(zhuǎn)動(dòng)-平動(dòng)組合破壞機(jī)制，提出了一種用于含軟弱夾層邊坡降雨入滲穩(wěn)定性分析上限法。王睿等[6]利用室內(nèi)離心模型試驗(yàn)，研究降雨條件下坡體的犀利和變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)坡體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)展反推出降雨入滲時(shí)刻和分布。楊欣[7]通過(guò)數(shù)值模擬開(kāi)展不同降雨強(qiáng)度下含軟弱夾層路塹高邊坡不同坡體位置的滲流特性研究，發(fā)現(xiàn)坡體中孔隙水壓力及含水率的變化順序及軟弱夾層的存在會(huì)加速滑坡進(jìn)程。張社榮等[8]在進(jìn)行飽和—非飽和邊坡的瞬態(tài)滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析之后，結(jié)合強(qiáng)度折減技術(shù)進(jìn)行瞬態(tài)滲流作用下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，并從多角度研究強(qiáng)降雨特性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前含軟弱夾層邊坡滲流分析研究大多將夾層的飽和滲透系數(shù)設(shè)為固定值，然后用VG、FX等模型推導(dǎo)出非飽和巖土體的滲透系數(shù)，而通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對(duì)軟弱夾層的飽和滲透系數(shù)影響很大，因此非飽和系數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。本文在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，利用GeoStudio有限元軟件建立概化模型，分析干濕循環(huán)后軟弱夾層飽和滲透系數(shù)變化對(duì)邊坡降雨滲流特性產(chǎn)生的影響。

1 飽和-非飽和滲流理論

邊坡的降雨入滲過(guò)程可視為典型的飽和-非飽和滲流過(guò)程，且邊坡的滲流本構(gòu)模型在原則上符合Darcy滲流定律，化簡(jiǎn)后的偏微分方程[9]為：

(1)

式中：kx和ky為x、y方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為邊界降雨；mw為比水容量；yw為水的重度；t為滲流時(shí)間。

飽和-非飽和滲流方程的定解條件包含初始條件和邊界條件，其中邊界條件分為壓力水頭邊界和流量邊界，具體形式如下：

1)初始邊界條件

H(x，y，0)=H0(x，y，t0)(x，y)∈Ω

(2)

2)壓力水頭邊界

(3)

3)流量邊界

(4)

在進(jìn)行飽和-非飽和滲流分析時(shí)，巖土體的相對(duì)滲透系數(shù)與巖土體的基質(zhì)吸力和飽和度有關(guān)，通常采用Van Genuchten模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，其模型表示如下：

[2]Myers-Scotton,C.Code Switching as Indexical of Social Negotiations.In Heller,M.(ed.).Code-switching.Berlin:Mouton de Gruyter,1988：151-186.

(5)

(6)

(7)

式中：θ為體積含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；Ks為飽和滲透系數(shù)；φ為基質(zhì)吸力；a、m、n為V-G模型擬合參數(shù)。

2 工程概況及模型建立

2.1 模型建立

研究對(duì)象為中國(guó)云南地區(qū)某典型的石灰石露天礦山采場(chǎng)邊坡，根據(jù)礦山地質(zhì)概況，選取高程為650～785 m的邊坡建立二維概化模型，其中邊坡寬253.13 m、高135.00 m，如圖1所示。邊坡體上部為裂隙風(fēng)化巖，下部基巖為結(jié)構(gòu)完整的灰?guī)r，坡體中間含有一層軟弱夾層，主要成分為炭質(zhì)泥巖，軟弱夾層平均厚度為2.5 m、夾層傾角為13°，巖層具體物理及水力參數(shù)見(jiàn)表1。為了獲得邊坡體不同位置在降雨過(guò)程中滲流特性的變化，在模型內(nèi)各位置設(shè)置了12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于坡體表面下2 m處、軟弱夾層上2 m處、軟弱夾層中心點(diǎn)以及軟弱夾層下2 m處。

表1 巖層物理及水力參數(shù)

圖1 露天采場(chǎng)邊坡二維概化模型Fig.1 Two-dimensional generalization model of open stope slope

2.2 降雨條件及參數(shù)選擇

根據(jù)礦區(qū)資料，區(qū)內(nèi)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，全年無(wú)霜，雨量充沛，干濕季節(jié)明顯。降雨主要集中在5～10月，11月至次年4月為旱季，雨季降雨量約占全年降雨量的比例為85%～90%。設(shè)定極端年份日最大降雨量212.4 mm為計(jì)算降雨強(qiáng)度，降雨時(shí)長(zhǎng)96 h。

對(duì)于巖土體非飽和參數(shù)，采用Van Genuchten模型擬合估算，不同巖層的土水特征和滲透系數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 土水特征曲線Fig.2 Soil-water characteristic curves

圖3 非飽和滲透系數(shù)曲線Fig.3 Unsaturated permeability coefficient curves

2.3 室內(nèi)干濕循環(huán)模擬試驗(yàn)及變水頭滲透試驗(yàn)

干濕循環(huán)過(guò)程，為模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，將烘箱內(nèi)溫度設(shè)置為(60±2)℃。將重塑環(huán)刀試樣表層附上一層透水濾紙后，置于水中浸泡24 h，取出試樣，除去濾紙拍照、稱重，然后放入烘干箱(60±2)℃中烘干，取出后拍照、稱重。向完全風(fēng)干的試樣均勻噴水，并用防水膜密封后置于陰暗處12 h以便于樣品內(nèi)水分均勻分布，保持含水率為20%。以上過(guò)程為一次完整的干濕循環(huán)，干濕循環(huán)次數(shù)為1～10次。

將干濕循環(huán)過(guò)程中水中浸泡24 h滲透試驗(yàn)環(huán)刀試樣取出，擦干表面，計(jì)算飽和度是否達(dá)到95%，達(dá)到后則按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)滲透試驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行試樣滲透試驗(yàn)。

2.4 邊界條件設(shè)置及模擬方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦區(qū)降雨條件，在邊坡模型上表面添加降雨入滲邊界，根據(jù)降雨量入滲公式qa=q0cosα，α為坡腳角度，可以得到水平面流量為212.4 mm/d，斜面流量為162.7 mm/d。雖然在勘察深度范圍內(nèi)均未測(cè)到穩(wěn)定地下水，但由于軟件分析啟動(dòng)需要，因此在邊坡左右兩側(cè)距離下部邊界2 m處設(shè)定了水頭邊界作為地下水位。圖4為模型邊界條件和降雨前孔隙水壓力分布。

圖4 初始滲流場(chǎng)以及邊界條件設(shè)置Fig.4 Initial seepage field and boundary condition setting

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軟弱夾層在干濕循環(huán)條件下，飽和滲透系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。為了研究干濕循環(huán)下軟弱夾層飽和滲透系數(shù)變化對(duì)邊坡滲流特性的影響，選取0、3、5、7次干濕循環(huán)后的軟弱夾層飽和滲透系數(shù)如表2所示，利用Van Genuchten模型預(yù)測(cè)非飽和系數(shù)，結(jié)果如圖5。根據(jù)已有參數(shù)進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)下的降雨滲流模擬。由于本文研究對(duì)象為軟弱夾層，為了控制變量將裂隙風(fēng)化巖和灰?guī)r的滲透系數(shù)暫定為不隨干濕循環(huán)變化。

表2 干濕循環(huán)條件下含炭質(zhì)泥巖軟弱夾層的飽和滲透系數(shù)

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下軟弱夾層非飽和系數(shù)預(yù)測(cè)Fig.5 Prediction of unsaturated coefficient of soft interlayer under different dry-wet cycles

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬，得到了不同干濕循環(huán)次數(shù)后持續(xù)降雨對(duì)邊坡滲流場(chǎng)影響，選取初始狀態(tài)和干濕循環(huán)7次之后這兩種情況，對(duì)邊坡在降雨不同時(shí)間之后的孔隙水壓力分布圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 0次干濕循環(huán)邊坡孔隙水壓力分布Fig.6 Distribution of pore water pressure in slope with 0 dry wet cycles

圖6為初始狀態(tài)下的邊坡孔隙水壓力變化圖。降雨1 d后，由于軟弱夾層滲透系數(shù)相較于上下部巖體較低，雨水從坡頂入滲，在邊坡體后緣軟弱夾層上部形成積水區(qū)，使得雨水入侵位置的孔隙水壓力急劇上升。降雨第二天和第三天的雨水入侵路徑主要分為兩條，一部分由邊坡體后緣積水位置，沿著軟弱夾層上表面向下；另一部分沿著坡體表層已貫通區(qū)域向下。降雨4 d后，上部巖層完全浸水，且孔隙水壓力最大位置位于軟弱夾層上表層標(biāo)記處，雨水開(kāi)始向軟弱夾層入侵，下部基巖由于滲透系數(shù)小且上部有軟弱夾層作為隔水層，孔隙水壓力幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。

圖7為7次干濕循環(huán)以后的邊坡孔隙水壓力變化圖。此時(shí)軟弱夾層的飽和滲透系數(shù)大于下部基巖，不能作為隔水層，而1～4 d的主要滲流過(guò)程大體上與初始狀態(tài)相似。降雨1 d后邊坡體后緣和前端軟弱夾層位置孔隙水壓力開(kāi)始增大，說(shuō)明由于滲透系數(shù)的增大，雨水開(kāi)始入侵軟弱夾層；當(dāng)降雨2 d后邊坡體后緣下部灰?guī)r處孔隙水壓力發(fā)生變化，說(shuō)明雨水從邊坡體后緣積水位置開(kāi)始向下部灰?guī)r入侵；降雨3 d后軟弱夾層孔隙水壓力全部變?yōu)檎?，軟弱夾層出現(xiàn)孔隙水壓力大于300 kPa的區(qū)域，且浸潤(rùn)線由邊坡體后緣位置向前向下擴(kuò)展，說(shuō)明雨水對(duì)軟弱夾層和下部灰?guī)r的入侵是從邊坡后緣開(kāi)始的；降雨4 d后上部巖體和軟弱夾層基本上被浸潤(rùn)，孔隙水壓力大于300 kPa的區(qū)域變大，且與初始狀態(tài)降雨4 d時(shí)相比區(qū)域更大，主要原因是由于軟弱夾層和灰?guī)r的雨水排出能力遠(yuǎn)小于上部區(qū)域，雨水無(wú)法及時(shí)排出，在邊坡體后緣處積聚，孔壓急劇上升。

圖7 7次干濕循環(huán)邊坡孔隙水壓力分布Fig.7 Distribution of pore water pressure in slope with 7 dry wet cycles

綜合上述分析可知：在初始狀態(tài)下，由于軟弱夾層的弱透水性，雨水很難侵入軟弱夾層以及下部灰?guī)r。雨水主要沿著表層已貫通區(qū)域和軟弱夾層上表面向軟弱夾層出口位置流出，但由于軟弱夾層較緩的傾角和弱透水性，會(huì)在邊坡體后緣軟弱夾層上部形成積水區(qū)逐漸向外延伸。在7次循環(huán)以后，軟弱夾層的飽和滲透系數(shù)大于下部灰?guī)r，雨水開(kāi)始緩慢侵入軟弱夾層和下部灰?guī)r。在4 d結(jié)束以后，孔隙水壓力大于300 kPa的區(qū)域明顯大于初始狀態(tài)下，且軟弱夾層基本完全被雨水浸透。說(shuō)明雨水下滲到軟弱夾層及下部灰?guī)r之后，由于軟弱夾層和灰?guī)r的雨水排出能力遠(yuǎn)小于上部區(qū)域，在邊坡后緣處形成高孔隙水壓力區(qū)域，雨水對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響更大。

圖8為不同次數(shù)干濕循環(huán)條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線。

圖8 不同干濕循環(huán)次數(shù)下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線Fig.8 Pore water pressure change curve of each monitoring point under different dry and wet cycle times

坡面下2 m的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：在1～4 d孔隙水壓力逐漸上升，幾乎沒(méi)有受到干濕循環(huán)的影響，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)3變化幅度很小，其原因是該點(diǎn)上部巖層較薄，在降雨強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，坡面達(dá)到暫飽和，雨水入滲減緩且及時(shí)排出，在降雨第1天之后孔隙水壓力就達(dá)到穩(wěn)定值。

軟弱夾層上2 m的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：初始狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)4和5分別在第2 天和第4 天孔隙水壓力值變?yōu)檎?，且變化幅度較大，這是雨水接觸到軟弱夾層上表面后，沿著軟弱夾層方向向軟弱夾層出口處漫延，但無(wú)法及時(shí)排出，所以孔隙水壓力會(huì)急劇增高。經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)之后監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的孔隙水壓力到達(dá)正值的時(shí)間提前且在降雨4 d時(shí)的孔隙水壓力明顯大于初始狀態(tài)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)6在第1 d之后便達(dá)到穩(wěn)定值，幾乎不隨著時(shí)間變化而變化。

軟弱夾層中心三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)7、8、9的孔隙水壓力在初始狀態(tài)下幾乎不發(fā)生改變，說(shuō)明在初始狀態(tài)下滲流主要發(fā)生在上部巖層，由于軟弱夾層的弱透水性，雨水未能浸潤(rùn)軟弱夾層。在5次和7次循環(huán)之后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)7、8的孔隙水壓力依次發(fā)生變化，且變化幅度較大，說(shuō)明雨水向軟弱夾層的入侵是從邊坡體后緣開(kāi)始逐漸向前漫延，監(jiān)測(cè)點(diǎn)9的孔隙水壓力隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，但在循環(huán)次數(shù)相同的條件下隨降雨天數(shù)增加而變化的幅度較小。

軟弱夾層下2 m的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：0次和 3次干濕循環(huán)之后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力不變化，說(shuō)明軟弱夾層的滲透系數(shù)較小，依舊作為隔水層阻礙了雨水向下部巖體滲流，雨水入侵對(duì)下部灰?guī)r沒(méi)有產(chǎn)生影響。5次和7次干濕循環(huán)以后監(jiān)測(cè)點(diǎn)10和監(jiān)測(cè)點(diǎn)11的孔隙水壓力隨著降雨的增加逐漸增大，且變化幅度較大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)12的孔隙水壓力變化幅度始終不大，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大且始終不超過(guò)0。

綜合上述分析可知：邊坡體上部巖體的孔隙水壓力幾乎受干濕循環(huán)次數(shù)影響不大，干濕循環(huán)對(duì)邊坡降雨滲流特性產(chǎn)生的主要影響部位是邊坡體后緣軟弱夾層及下部灰?guī)r區(qū)域，在0次和3次循環(huán)時(shí)軟弱夾層內(nèi)及下部灰?guī)r孔隙水壓力不隨降雨時(shí)間變化而改變，5次和7次干濕循環(huán)以后軟弱夾層滲透系數(shù)變大，雨水入侵軟弱夾層和下部巖體，且雨水的入侵是從邊坡體后緣開(kāi)始逐漸向前漫延。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下邊坡體內(nèi)接近坡面位置孔隙水壓力隨著降雨天數(shù)增加變化幅度較小，主要原因是接近坡面位置在降雨后很快達(dá)到暫飽和狀態(tài)，孔隙水壓力趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)初始狀態(tài)下，軟弱夾層滲透系數(shù)小于上下部巖體，作為隔水層，雨水主要沿著表層已貫通區(qū)域和軟弱夾層上表面向軟弱夾層出口位置流出。由于軟弱夾層較緩的坡度和弱透水性，雨水會(huì)在邊坡體后緣軟弱夾層上部形成滯水區(qū)，孔隙水壓力急劇增大。軟弱夾層內(nèi)部及下部灰?guī)r幾乎不受雨水影響。

2)7次循環(huán)以后，軟弱夾層滲透系數(shù)大于下部灰?guī)r，雨水開(kāi)始侵入軟弱夾層和下部灰?guī)r，由于軟弱夾層和灰?guī)r的雨水排出能力遠(yuǎn)小于上部區(qū)域，降雨結(jié)束后孔隙水壓力在300 kPa以上的區(qū)域遠(yuǎn)大于0次干濕循環(huán)時(shí)的邊坡體。

3)干濕循環(huán)后軟弱夾層飽和滲透系數(shù)變化對(duì)邊坡降雨滲流特性產(chǎn)生的影響，主要是由于干濕循環(huán)后軟弱夾層滲透系數(shù)的變大導(dǎo)致不能作為隔水層阻礙雨水的向下入侵，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軟弱夾層和下部灰?guī)r受到雨水的浸潤(rùn)，且由于軟弱夾層和灰?guī)r的雨水排出能力遠(yuǎn)小于上部區(qū)域，雨水無(wú)法及時(shí)排出，在邊坡體后緣形成高孔隙水壓力區(qū)對(duì)邊坡安全產(chǎn)生了很大的影響。

4)本文模擬分析干濕循環(huán)后軟弱夾層飽和滲透系數(shù)變化對(duì)邊坡降雨滲流特性產(chǎn)生的影響，可供類似邊坡的滲流分析借鑒。但室內(nèi)試驗(yàn)所得出的飽和滲透系數(shù)變化無(wú)法真實(shí)反映軟弱夾層在邊坡體內(nèi)經(jīng)歷干濕循環(huán)后的參數(shù)變化，需要進(jìn)一步的研究。