袁文輝

(南昌市城市防洪事務(wù)中心,南昌 330006)

1 概 述

暴雨引起的邊坡破壞是重要的巖土工程問題,負(fù)孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)在暴雨誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)中起著重要作用。其中,導(dǎo)致邊坡破壞的機(jī)制是雨水開始滲入非飽和土壤時,引起負(fù)孔隙水壓力的損失。為此,可以采取非飽和土壤的邊坡穩(wěn)定性分析。同時,為了更好地理解土壤中水的密度與水相能量狀態(tài)之間的關(guān)系,還需要繪制土壤-水特征曲線(SWCC)。模擬非飽和土壤中的水分入滲,除了SWCC參數(shù)外,降雨情景(即降雨強(qiáng)度和持續(xù)時間)、土壤滲透性和土壤中的初始條件也是非飽和邊坡中降雨入滲數(shù)值模擬所需的參數(shù)。

目前,許多學(xué)者針對這些參數(shù)的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。王花蕊[1]利用灰色系統(tǒng)理論,探究了降雨強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響。陳喬等[2]利用降雨型滑坡監(jiān)測模型,對降雨強(qiáng)度、孔隙水壓力、含水率對邊坡坡失穩(wěn)破壞成因進(jìn)行了分析。劉平軍[3]分析了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與降雨強(qiáng)度的關(guān)系,并推導(dǎo)了邊坡穩(wěn)定性公式。劉亞龍[4]通過研究發(fā)現(xiàn),淺層邊坡滑動主要出現(xiàn)在強(qiáng)降雨和暴雨中后期,且邊坡穩(wěn)定性與降雨方式、強(qiáng)度、土體入滲能力有關(guān)。

本文利用模型的幾何、水力和巖土性質(zhì)作為數(shù)值模擬的輸入?yún)?shù),通過參數(shù)研究土壤滲透性、SWCC和黏聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,不同的降雨強(qiáng)度會產(chǎn)生不同的邊坡破壞模式,滲透性和SWCC在非飽和土壤的地面入滲行為中起著重要作用,土壤黏聚力也是非飽和邊坡安全的一個重要控制因素。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 構(gòu)建模型

選取水庫上游典型邊坡截面,目標(biāo)斜坡高度30m,坡度3.3∶1。研究邊坡的代表性截面見圖1。

圖1 研究邊坡的代表性截面

研究參數(shù)為滲透性、降雨強(qiáng)度和持續(xù)時間、土壤飽和度和黏聚力。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測降雨期間的淺層邊坡破壞,應(yīng)考慮選擇內(nèi)聚值作為非飽和邊坡的初始屬性。

根據(jù)統(tǒng)一的土壤分類系統(tǒng),該區(qū)域的風(fēng)化花崗巖土壤可歸類為SM,沿坡面分布,深度在2～10m之間,假定該邊坡為風(fēng)化花崗巖土層的均質(zhì)邊坡。該區(qū)域土壤的物理力學(xué)性質(zhì)和SWCC參數(shù)見表1。

表1 土壤物理力學(xué)性質(zhì)和土壤水分性質(zhì)

本研究包括滲透分析和邊坡穩(wěn)定性分析,可與FLAC2D-兩相流配置同時進(jìn)行模擬。Van Genuchten方程式(1980)用于研究不同降雨條件下雨水對邊坡土壤性質(zhì)的影響;非飽和土的抗剪強(qiáng)度折減法用于估算雨水滲入土壤的量對邊坡安全系數(shù)(FOS)的影響。

2.2 水流過非飽和土壤

在FLAC中,Van Genuchten(1980)基于毛細(xì)管模型建立一組封閉式方程,用于表示非飽和土壤的水力特性。為了實(shí)現(xiàn)由于不同的坡度角,雨水沿坡面滲入土壤的量的可變性,編輯FLAC中提供的調(diào)整流量FISH。非飽和土壤的水力特性公式如下:

(1)

(2)

式中:Se為有效飽和度;Sw為飽和度;Sr為剩余飽和度;n、m為曲線擬合系數(shù),m=1-1/n,n>1;Ks、Kr為飽和相對滲透率。

2.3 非飽和土的抗剪強(qiáng)度折減方法

使用Bishop有效應(yīng)力(1959),穩(wěn)定性分析中采用的非飽和土的抗剪強(qiáng)度方程如下:

τmax=(σ-ua)tanφ′+χ(ua-uw)tanφ′+c

(3)

或者弗雷德隆德和拉哈德喬(1993年)所示:

τmax=(σ-ua)tanφ′+χ(ua-uw)tanφb+c

(4)

這里Vanapalli等(1996年)將χ定義為:

χ=(Sw-Sr)/(100-Sr)

(5)

式中:Sw、Sr、ua、uw、σ分別為飽和度、殘余飽和度、氣壓、水壓和總應(yīng)力。

在利用抗剪強(qiáng)度折減技術(shù)計算非飽和邊坡的安全系數(shù)時,采用折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)Ctrial和φtrial進(jìn)行一系列模擬,試驗(yàn)定義如下:

(6)

(7)

式中:Ftrial為試驗(yàn)的安全系數(shù),開始剪切強(qiáng)度降低Ftrial設(shè)置為足夠小,以確保系統(tǒng)穩(wěn)定;Ftrial逐漸增加,直到發(fā)生破壞,FOS是影響其破壞的關(guān)鍵因素之一。

2.4 可變參數(shù)

分析中的可變參數(shù)包括降雨強(qiáng)度分布、飽和度、滲透系數(shù)、SWCC參數(shù)和土壤黏聚力。

2.4.1 降雨模式

本研究假設(shè)不同的降雨強(qiáng)度。為了估算土壤的滲透能力,使用與土壤滲透性相等的降雨強(qiáng)度,并選擇與流域當(dāng)前最高降雨強(qiáng)度相似的降雨強(qiáng)度11cm/h。沿斜坡降雨110h,預(yù)計FOS增量為10h。

2.4.2 飽和滲透系數(shù)

使用兩種不同的滲透率,研究其對滲透過程和正孔隙水壓力隨時間的發(fā)展影響。在使用的滲透率中,分別為1.08和10.8cm/h。

2.4.3 SWCC參數(shù)

SWCC提供了土壤中水的質(zhì)量/體積與水相能量狀態(tài)之間的概念性理解。根據(jù)SWCC實(shí)驗(yàn),α、n和θr被確定并用作FLAC中非飽和土的輸入特性。n值用于計算Van Genuchten方程中的參數(shù),α(m-1)代表參考孔隙壓力P0(kPa)。另一個擬合參數(shù)是剩余飽和度θr,與孔隙壓力計算中使用的有效飽和度有關(guān)。將殘余含水量定義為土壤水分從主要通過毛細(xì)作用保持在土壤中到主要通過吸附力保持在土壤中的含水量。在本研究中,為了估計該參數(shù)的影響,使用FOS獲得的0和0.11的值。其中,零剩余飽和度是一種特殊情況,因?yàn)轱柡投鹊扔谟行э柡投取?/p>

2.4.4 飽和度

為了估計飽和度對邊坡失穩(wěn)閾值隨時間的影響,假設(shè)不同的飽和度值。這些估計值分別為0.4、0.5和0.6,其中0.5為實(shí)驗(yàn)值。

2.4.5 土壤黏聚力

土壤黏聚力被理解為將土壤顆粒固定在一起的力。對于非飽和土,黏聚力是聯(lián)鎖、物理、化學(xué)作用產(chǎn)生的有效內(nèi)聚力以及由顆粒間力或吸力和表面張力控制的表觀內(nèi)聚力的總和。為了通過數(shù)值模擬了解所選內(nèi)聚力對降雨條件下邊坡破壞的合理預(yù)測影響,假設(shè)5個值。假定的黏聚力值為0、5、10、20和30kPa。

3 結(jié)果和分析

3.1 滲透性的影響

為了探究降雨20h后孔隙壓力隨深度的變化,兩種不同的滲透性值k1(k1=1.08cm/h)和k2(k2=10.8cm/h)導(dǎo)致土壤在降雨條件下的不同行為。在這種情況下,假設(shè)土壤的內(nèi)聚力和飽和度分別為10kPa和0.5kPa。隨著滲透性的增加,更多的水滲入邊坡。對于滲透值較高的土壤,正孔隙壓力在邊坡表面附近顯著發(fā)展。降雨20h后孔隙壓力隨深度的變化見圖2;雨水滲透對邊坡安全系數(shù)的影響見圖3。

圖2 降雨20h后孔隙壓力變化

圖3 雨水滲透對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖2和圖3可知,由于滲透率較低,基質(zhì)吸力顯著降低。由圖2和圖3能夠估計給定降雨時間后形成的濕潤帶,對于降雨為k1的邊坡,可以估計約6m的濕潤深度。對于低飽和滲透系數(shù),邊坡內(nèi)的負(fù)孔隙壓力下降得更慢,任何變化只能在地表附近觀察到。因此,在滲透率較低的情況下,可以看到FOS的穩(wěn)步下降。另外,在受降雨影響的高滲透性土壤中,FOS顯著下降。

3.2 降雨強(qiáng)度的影響

為了估計降雨強(qiáng)度對邊坡FOS的影響,考慮低滲透性土壤k1,該邊坡受到不同降雨強(qiáng)度的影響:r1=1.08cm/h和r2=10.8cm/h。不同降雨強(qiáng)度下的安全系數(shù)見圖4。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下的安全系數(shù)

從圖4可以看出,降雨越大,FOS下降越快,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的速度越快。這種現(xiàn)象還可以用雨水滲透引起的負(fù)孔隙壓力變化來解釋,降雨量越大,滲入邊坡的水量越大,進(jìn)而導(dǎo)致孔隙壓力顯著增加。

3.3 初始飽和度和剩余飽和度的影響

土壤飽和度是影響邊坡初始FOS值的主要因素。如果滲透系數(shù)和降雨強(qiáng)度影響降雨期間FOS的下降,則飽和度直接決定降雨開始前邊坡的穩(wěn)定性閾值。對于不同的飽和度,可得到不同的自由空間。由圖5和圖6可知,降雨期間FOS的變化在低降雨強(qiáng)度或高降雨強(qiáng)度下都有類似的趨勢。當(dāng)考慮殘余飽和度時,也可以看到類似的效果。

圖5 降雨為1.08cm/h時的安全系數(shù)

圖6 降雨為10.8cm/h時的安全系數(shù)

由圖7可以看出,當(dāng)考慮剩余飽和度時,可得到較小的有效飽和度。而剩余飽和度的存在表明,有效飽和度影響孔隙壓力分布,進(jìn)而影響獲得的FOS。有效飽和度越低,坡度越穩(wěn)定。

圖7 剩余飽和度對安全系數(shù)的影響

3.4 土壤黏聚力的影響

為研究黏性的影響,采用飽和度為0.5、滲透性為1.08cm/h、黏性變化較大的土壤,有效黏聚力對安全系數(shù)的影響見圖8。為了確認(rèn)孔隙壓力的變化是否在這種情況下起重要作用,分析降雨70h后的孔隙壓力和相應(yīng)內(nèi)聚值的邊坡破壞面,見圖9。

圖8 有效黏聚力對安全系數(shù)的影響

圖9 降雨70h后邊坡破壞面

由圖8可知,降雨期間,FOS減少。在給定的降雨強(qiáng)度下,零內(nèi)聚力導(dǎo)致5h后邊坡失穩(wěn),FOS小于1.3,而70h的降雨導(dǎo)致5kPa內(nèi)聚力的邊坡發(fā)生破壞。但對于更高的內(nèi)聚力,FOS的下降速度平緩。

由圖9可知,對于所有黏聚力的情況,孔隙壓力的分布都是相似的,表明在所有情況下,滲入土壤的水量是相同的。降雨70h后相應(yīng)內(nèi)聚值的邊坡破壞面,在斜坡上降雨100h(1.08 cm/h)后,20和30kPa內(nèi)聚力下獲得的FOS仍然高于1.8。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬,本文研究了幾個水文參數(shù)和抗剪強(qiáng)度參數(shù)對錦水河典型土邊坡降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的影響,分析了飽和度、滲透率和內(nèi)聚力在控制初始FOS和滲透過程中的作用。結(jié)果表明,飽和度、滲透性和降雨強(qiáng)度對水滲入土壤和負(fù)孔隙壓力分布有影響。隨著滲透性變高,大量雨水滲入土壤,進(jìn)而增加正孔隙壓力。所有參數(shù)(即降雨強(qiáng)度、降雨分布和飽和滲透系數(shù))之間存在顯著的相互作用,表明在對非飽和邊坡進(jìn)行瞬態(tài)分析時,需要對土壤的水力特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。