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    坡前水位降落對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響試驗(yàn)

    2021-09-27 10:16:12曾萬(wàn)福
    水利科技與經(jīng)濟(jì) 2021年9期
    關(guān)鍵詞:粉質(zhì)前緣滲流

    曾萬(wàn)福

    (赫章縣水務(wù)局,貴州 畢節(jié) 553200)

    1 概 述

    滑坡作為最普遍的地質(zhì)災(zāi)害之一,不僅給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且還嚴(yán)重威脅周邊百姓的人身安全。有數(shù)據(jù)顯示,滑坡災(zāi)害給我國(guó)每年帶來(lái)超百億的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明,滑坡事故多為土質(zhì)邊坡失穩(wěn)所造成,究其原因是邊坡內(nèi)滲流場(chǎng)的變化導(dǎo)致的。因此,對(duì)坡前水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究迫在眉睫。

    國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者將研究重點(diǎn)聚集于此,并取得一系列的研究成果[1-3]。柳群義等[4]基于三維數(shù)值軟件對(duì)某庫(kù)區(qū)邊坡進(jìn)行模擬,獲得了庫(kù)岸的位移和孔隙水壓力,研究了水位漲落對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響。羅先啟等[5]利用實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)降雨及庫(kù)區(qū)水位變化下的邊坡進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M,分析了水位變化及降雨下引起的滑坡。年廷凱等[6]采用PLAXIS3D有限元軟件,對(duì)某土質(zhì)邊坡進(jìn)行模擬,并基于強(qiáng)度折減法研究庫(kù)水位降落過(guò)程中土質(zhì)邊坡的位移和應(yīng)力變化;同時(shí)對(duì)相關(guān)敏感參數(shù)進(jìn)行影響因素分析。汪斌等[7]采用FLAC3D大型數(shù)值軟件對(duì)庫(kù)岸邊坡進(jìn)行模擬,總結(jié)了考慮流固耦合作用下邊坡滑坡邊坡失穩(wěn)機(jī)制。王學(xué)武等[8]利用數(shù)值模擬手段對(duì)非飽和壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,研究了水位變化對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響。本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)坡前水位降落下的邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究,為今后的相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供理論支撐。

    2 試驗(yàn)設(shè)備及材料

    2.1 試驗(yàn)設(shè)備

    本次室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)P拖涑叽鐬?.5 m(長(zhǎng))×1.0 m(寬)×1.2 m(高),見(jiàn)圖1。模型箱底面和側(cè)面均采用鋼化玻璃,玻璃厚度為20 mm。在側(cè)面鋼化玻璃上繪制網(wǎng)格線,間隔10 cm,可以很好地觀察試驗(yàn)的進(jìn)展。為控制水位降落速度在5 L/h,模型箱開(kāi)4個(gè)直接20 mm的孔,用以連接旋翼濕式水表。

    圖1 試驗(yàn)?zāi)P拖?/p>

    采用XL2118B應(yīng)力應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變,見(jiàn)圖2。

    圖2 XL2118B應(yīng)力應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀

    2.2 土體試樣及物理力學(xué)參數(shù)

    試驗(yàn)中選取粉質(zhì)黏土和中砂兩種土質(zhì),見(jiàn)圖3和圖4。其基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,粒徑分布見(jiàn)表2。

    圖3 中 砂

    圖4 粉質(zhì)黏土

    表1 土體參數(shù)表

    表2 土體粒徑分布表

    3 試驗(yàn)方案

    3.1 試驗(yàn)過(guò)程

    試驗(yàn)有以下幾個(gè)步驟:

    1) 在模型箱底部鋪設(shè)反濾層,厚度為50 mm,以便試驗(yàn)過(guò)程中水能自下而上均勻入滲,坡內(nèi)滲流場(chǎng)區(qū)域飽和滲流。

    2) 模型箱蓄水后,靜置以使?jié)B流處于穩(wěn)定狀態(tài),然后打開(kāi)出水口模擬水位下降。

    3) 利用測(cè)試儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并做記錄。

    4) 利用網(wǎng)格線記錄邊坡的位移。

    3.2 試驗(yàn)工況

    為研究降落速度和落差對(duì)邊坡的影響,本次試驗(yàn)一共進(jìn)行6組不同工況的試驗(yàn),見(jiàn)表3。

    表3 試驗(yàn)工況表

    4 試驗(yàn)結(jié)果分析

    4.1 水位降落速率的影響

    為研究水位降落速率對(duì)邊坡的影響,本節(jié)選取試驗(yàn)標(biāo)號(hào)1-2和1-3兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。圖5為水位降落時(shí)浸潤(rùn)線的變化曲線,給出了6組不同時(shí)間的結(jié)果。由圖5可知,邊坡浸潤(rùn)線隨著水位的降落也一直降落,且不同時(shí)刻同一高度邊坡前緣水位總體低于邊坡后緣水位。這種內(nèi)外部的水壓力差會(huì)導(dǎo)致邊坡后緣向邊坡前緣的滲流,其產(chǎn)生的滲流力會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。邊坡水位下降初期,內(nèi)外部的水壓力差逐漸增大,這是由于邊坡前緣水位的不斷下降,且邊坡底部比邊坡頂部長(zhǎng),導(dǎo)致滲流路徑的增加。邊坡水位下降后期,邊坡前緣水位趨于穩(wěn)定,但邊坡后緣水位繼續(xù)下降,內(nèi)外部的水壓力差漸漸減小。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到83 min時(shí),內(nèi)外部的水壓力差趨于0。

    圖5 中砂邊坡坡內(nèi)浸潤(rùn)線隨時(shí)間變化圖

    圖6為中砂內(nèi)3個(gè)不同點(diǎn)的水位變化曲線,3個(gè)點(diǎn)分別為邊坡表面、x=140 cm和x=240 cm。由圖6可知,在水位下降初期,1-2試驗(yàn)組中x=240 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為14 cm,在83 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約85%;而1-3試驗(yàn)組中x=240 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為11 cm,在83 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約80%。因此,隨著邊坡水位的下降,坡外水位下降速率明顯大于坡內(nèi)水位下降速率。由于滲流路徑的不同,同一高度邊坡內(nèi)部位置孔隙水壓力消散比邊坡表面位置慢。邊坡水位下降初期,邊坡內(nèi)部外部水位降落速率顯著增大;邊坡水位下降后期,邊坡前緣水位趨于穩(wěn)定邊坡內(nèi)部外部水位降落速率趨于一致。同樣可以看出,在83 min時(shí),內(nèi)外部的水壓力差趨于0。

    圖6 中砂邊坡坡內(nèi)不同點(diǎn)水位隨時(shí)間變化圖

    4.2 水位落差的影響

    本節(jié)選擇標(biāo)號(hào)2-1和2-2兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,分析水位落差對(duì)邊坡位移、孔隙壓力的影響。圖7為浸潤(rùn)線的變化曲線,同樣給出了6組不同時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知,隨著邊坡水位的下降,邊坡前緣水壓力衰減速率明顯快于邊坡后緣水壓力衰減速率。在水位下降初期,邊坡孔壓差隨著滲流路徑逐漸增大;在水位下降后期,邊坡前緣水位逐漸趨于穩(wěn)定,邊坡孔壓差緩慢減小。

    圖7 粉質(zhì)黏土邊坡坡內(nèi)浸潤(rùn)線隨時(shí)間變化圖

    圖8為粉質(zhì)黏土內(nèi)3個(gè)不同點(diǎn)的水位變化曲線,3個(gè)點(diǎn)分別為邊坡表面、x=180 cm和x=210 cm。由圖8可知,在水位下降初期,2-1試驗(yàn)組中x=210 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為41 cm,在137 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約50%;而2-2試驗(yàn)組中x=210 cm處邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為46 cm,在83 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約54%。同樣,隨著邊坡水位的下降,坡外水位下降速率明顯大于坡內(nèi)水位下降速率。且由于滲流路徑的不同,同一高度邊坡內(nèi)部位置孔隙水壓力消散比邊坡表面位置慢。對(duì)比圖6的中砂試驗(yàn)可以看出,由于粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)小,其坡內(nèi)孔壓差衰減幅度小且衰減速度慢,水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響更大,時(shí)間也更久。

    圖8 粉質(zhì)黏土邊坡坡內(nèi)不同點(diǎn)水頭隨時(shí)間變化圖

    4.3 坡形的影響

    對(duì)比標(biāo)號(hào)1-1試驗(yàn)組邊坡x=140 cm和240 cm,標(biāo)號(hào)1-4試驗(yàn)組邊坡x=140 cm和240 cm的水頭值隨時(shí)間的變化情況。圖9為兩組試驗(yàn)邊坡前緣水位和不同x位置處水位的變化曲線。由圖9可知,不同位置水位的變化規(guī)律與前面4組試驗(yàn)一致:隨著邊坡水位的下降,坡外水位下降速率更大,邊坡內(nèi)部位置孔隙水壓力消散更慢。邊坡水位下降初期,邊坡內(nèi)部外部水位降落速率顯著增大。在水位下降初期,1-1試驗(yàn)組邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為14 cm,在82 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約93%;而1-4試驗(yàn)組邊坡內(nèi)外水位壓力差峰值為8 cm,在82 min時(shí)內(nèi)外水位壓力差較初期減小約98%。由于1-4試驗(yàn)組中滲流路徑更大,邊坡內(nèi)部水位下降更快,邊坡內(nèi)外水壓差較1-1試驗(yàn)組也更小。

    圖9 坡內(nèi)不同點(diǎn)水頭隨時(shí)間變化圖

    5 結(jié) 論

    本文基于室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M水位降落過(guò)程中邊坡的滲流場(chǎng)變化,得到了不同試驗(yàn)工況下水位下降過(guò)程中水位結(jié)果及邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象;著重研究了坡形、降落速度、土體材料和降落差等不同條件下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。主要有以下結(jié)論:

    1) 邊坡水位下降初期,邊坡內(nèi)外孔隙水壓力差值隨著邊坡水位的下降逐漸增大;邊坡水位下降后期,邊坡前緣水位趨于穩(wěn)定,邊坡內(nèi)外孔隙水壓力差值逐漸減小,邊坡滲流場(chǎng)接近穩(wěn)定狀態(tài)。

    2) 滲透性能好的土體,當(dāng)邊坡前緣水位處于穩(wěn)定狀態(tài)后,邊坡內(nèi)部孔隙水壓力衰減速度較滲透性差的土體快,水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響更顯著,時(shí)間也更久。

    3) 水位降落速率、落差和坡形均對(duì)邊坡有顯著影響,隨著水位降落速率增大、落差增大和坡比增大,邊坡更易失穩(wěn)發(fā)生破壞。

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