論水因素對堆積體邊坡穩(wěn)定的影響

郝 鵬

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

論水因素對堆積體邊坡穩(wěn)定的影響

郝 鵬

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

結(jié)合非穩(wěn)定滲流理論，從暴雨與水位驟降兩個角度，分析了水因素對堆積體邊坡的影響，力圖找出兩者對于堆積體邊坡穩(wěn)定性影響的機理和程度，為邊坡的治理工程提供一定的依據(jù)。

水因素，堆積體邊坡，暴雨，水位驟降

0 引言

堆積體邊坡是由一定固結(jié)程度的土、石混合物組成，其內(nèi)部還包含水和氣體，是一種包含固、液、氣三相的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其中對穩(wěn)定性影響較大的兩相為固體和液體，固體即堆積體巖土體本身的特性，液體即水因素的影響。水因素影響的工況主要包括降雨、蓄水、水位變化等，其中降雨中的暴雨以及水位變化中的水位驟降對于堆積體邊坡的穩(wěn)定影響甚大，本文將就這兩個因素淺論水因素對堆積體邊坡穩(wěn)定的影響。

1 非穩(wěn)定滲流理論

堆積體邊坡巖土體在降雨的過程中，經(jīng)歷了一個由非飽和到飽和的過程，在水位驟降的過程中，水位變幅區(qū)經(jīng)歷了一個由飽和到非飽和的過程，本質(zhì)上都是一個非穩(wěn)定滲流過程。

非穩(wěn)定飽和—非飽和滲流理論分析需要建立基本微分方程，在分析過程中假定不考慮土體顆粒骨架及內(nèi)部液體和氣體壓縮作用，主要依據(jù)包括：

1)地下水運動連續(xù)性方程：

(1)

2)Darcy定律：

(2)

通過式(1)，式(2)可推導(dǎo)出滲流基本微分方程為：

(3)

2 暴雨對堆積體邊坡的影響

1)飽和入滲深度的影響。根據(jù)Pradel和Raad(1993)提出的經(jīng)驗方法[5]，計算暴雨飽和入滲深度方法如下：

要使土體飽和浸潤到深度zw，必須滿足兩個條件：a.界限降雨強度Imin大于土的入滲速度vi；b.降雨的時間足夠長以使土體浸潤至深度zw，即臨界降雨持續(xù)時間Tmin≥Tw。

(4)

(5)

其中，θs為土體的飽和體積含水量，θ0為實測體積含水量；k為土體濕潤區(qū)域的滲透系數(shù)；S為土體浸潤鋒面的毛細吸力，m。

根據(jù)某工程經(jīng)驗，殘坡積粘土夾碎石滲透系數(shù)為5×10-4cm/s～10×10-4cm/s，崩坡積碎塊石、塊石夾粘土滲透系數(shù)為1×10-3cm/s～5×10-3cm/s，孤、塊碎石滲透系數(shù)為1×10-1cm/s～5×10-1cm/s，θs=0.4，θ0=0.1，S=1 m。

根據(jù)氣象國家標準GB/T 28592—2012降水量等級規(guī)定，24 h降水量在250 mm及以上為“特大暴雨”，24 h降水量在100 mm～249.9 mm之間為“大暴雨”，24 h降水量在50 mm～99.9 mm之間為“暴雨”。分別采用24 h降雨量50 mm，100 mm，250 mm進行試算，單位小時最高暴雨強度考慮乘以0.38系數(shù)，計算不同土體滲透系數(shù)情況下暴雨飽和入滲深度情況。

經(jīng)過試算，殘坡積粘土夾碎石表面飽和深度約為0.25 m，碎塊石、塊石夾粘土和孤、塊碎石基本不能在表面形成飽和區(qū)域。說明在滲透性較大的堆積體物質(zhì)中很難形成飽和區(qū)域，在滲透性較小的堆積體物質(zhì)中可以形成較薄的一層飽和區(qū)域。擴展到極端情況，例如半個月持續(xù)強降雨，在殘坡積粘土夾碎石表面飽和深度約為0.32 m，碎塊石、塊石夾粘土區(qū)域表面飽和深度為1.2 m～6.3 m，其對于體積巨大的堆積體來說也不顯著，因此入滲深度對于堆積體邊坡穩(wěn)定并不是暴雨的主要影響因素，主要因素是淺表層的穩(wěn)定。

2)非飽和情況下與飽和情況下堆積體抗剪強度的區(qū)別。堆積體在非飽和情況下和飽和情況下抗剪強度有著較大的差別，堆積體內(nèi)物質(zhì)在飽和情況下顆粒之間的咬合和粘結(jié)就會削弱較多，導(dǎo)致摩擦系數(shù)和粘聚力均降低，這同時與巖土體非飽和情況下含水率有關(guān)系，含水率越低，非飽和情況和飽和情況下堆積體抗剪強度差別越大。土體初始體積含水率越小，土體越干燥，此種情況下土體初始滲透系數(shù)較低，降雨入滲到達滑動面的時間變長。當堆積體邊坡初始含水率較小時，降雨需要較長時間方能到達滑動面，期間穩(wěn)定系數(shù)基本保持不變，邊坡與天然情況差別不大。當含水率增大后，土體的滲透系數(shù)也增大，降雨到達滑動面更快，當?shù)竭_滑動面后，一是降低該處土體的抗剪強度，二是對滑動面以上的塊體產(chǎn)生一個不斷增加的揚壓力，穩(wěn)定系數(shù)會持續(xù)減小。通過對若干堆積體非飽和與飽和情況下抗剪強度的統(tǒng)計分析，飽和情況下相對非飽和情況下摩擦系數(shù)降低約10%～20%，粘聚力降低約30%～60%。通過前述入滲深度的影響，若內(nèi)部某層土體滲透性較差，而表層土體滲透性較好，則會在滲透性較差的這層土體形成較薄的飽和區(qū)域，引起滑面抗剪強度較大程度的降低，同時滲透性較差的一般粘土含量較多，本身抗剪強度較低，更加劇了抗剪強度降低發(fā)生失穩(wěn)的可能性。

3)堆積體內(nèi)部揚壓力作用的影響。堆積體多數(shù)呈現(xiàn)明顯的分層構(gòu)造，不同層滲透系數(shù)不同會對揚壓力分布產(chǎn)生重要的影響，特別是存在一層連續(xù)的滲透系數(shù)較小的、相對封閉的接地下水位線的物質(zhì)，意大利瓦依昂滑坡就是一個典型的例子。瓦依昂庫區(qū)左岸滑坡堆積體內(nèi)部有一層連續(xù)的粘土構(gòu)造，一直延伸至庫區(qū)內(nèi)，因此暴雨時就相當于形成了一道帷幕，粘土層底部降雨入滲無法穿過粘土層，使得粘土層下部水頭不斷增加，揚壓力不斷增大。在許多堆積體邊坡中存在類似的一層粘土含量較多的土層，如果底部被水庫之類的水體封閉，暴雨所產(chǎn)生的高揚壓力對于堆積體邊坡的穩(wěn)定影響就非常巨大。

3 水位驟降對于堆積體邊坡的影響

水位驟降時，外面的水位降低了，堆積體內(nèi)部水未來得及排出去，這個水位暫時和水位未驟降時相同；堆積體內(nèi)部的水位高，向水位低的河水方向滲流，滲流產(chǎn)生滲流力，滲流力的方向與滲流的方向相同。最主要的因素就是這個滲流力對堆積體邊坡不利。

1)水位驟降速度的影響。對于有調(diào)節(jié)性能的水庫來說，經(jīng)常會發(fā)生水位變化，在某些情況如放空等，水位會發(fā)生快速變化，在水位發(fā)生快速變化時，堆積體內(nèi)部和外部的水頭差會加大，滲流速度加快，因此滲流力也會加大，對于邊坡穩(wěn)定影響較大，但對于堆積體的影響主要集中在水位變化區(qū)域，且隨著內(nèi)部水位的逐漸下降，其邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)會回升。因此水位驟降速度單因素對堆積體整體穩(wěn)定影響有限。黃河李家峽水庫壩前Ⅰ號、Ⅱ號滑坡通過控制水位的方式最終實現(xiàn)了堆積體的穩(wěn)定。

2)堆積體不同層間滲透系數(shù)差別的影響。同暴雨情況類似，如果存在一層連續(xù)封閉的滲透系數(shù)較小層，一般為粘土含量較多層，在水位驟降時，這一層下部揚壓力仍然為水位降低前的水頭，且很難消散，堆積體表面水壓力迅速減小，這種情況持續(xù)時間很長，對堆積體邊坡穩(wěn)定的影響較大。

4 結(jié)語

通過分析，暴雨和水位驟降對于堆積體邊坡穩(wěn)定有重要的影響，其中暴雨對入滲深度的影響對于堆積體邊坡穩(wěn)定影響有限，主要在于淺表層的影響；暴雨入滲有限的飽和深度里如果包括滑面，其抗剪強度飽和情況下相比非飽和情況降低較多；堆積體內(nèi)部若存在連續(xù)封閉的滲透系數(shù)較小層，暴雨時揚壓力會急劇增加，對堆積體穩(wěn)定影響巨大。水位驟降對于堆積體穩(wěn)定的影響主要集中在水位變化區(qū)域，水位驟降速度對于堆積體整體穩(wěn)定影響有限。水位驟降影響較大的情況和暴雨類似，就是一層連續(xù)封閉的滲透系數(shù)較小土層的存在，會引起長時間的內(nèi)外水頭差。

綜上所述，若堆積體邊坡內(nèi)部較深處存在一層連續(xù)封閉的滲透系數(shù)較小土層，一般為粘土含量較多的土層，且上部均為滲透系數(shù)較大的土層或存在滲透通道，水因素無論是暴雨還是水位驟降都會對堆積體邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生巨大的影響。

[1] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析：原理·方法·程序[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

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[5] 陳曉斌，徐望國，劉小平.降雨入滲對粗粒土路堤變形與穩(wěn)定性的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,42(3)：128-129.

On influence of water factor on slope stability of accumulation

Hao Peng

(GuiyangSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerConstructionGroup,Guiyang550081,China)

Combining with the unstable transfusion theory, the paper analyzes the influence of the water factors on the accumulation slopes from the storms and sharp falling of water level, and finds the influence mechanism and degree of the two elements on the slope stability of the accumulation, so as to provide some reference for the treatment of the slopes.

water factor, accumulation slope, storm, sharp falling of water level

1009-6825(2017)01-0103-03

2016-10-28

郝 鵬(1983- )，男，工程師

TU413.62

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