文成祿
(連州市水務(wù)工程建設(shè)管理中心,廣東 連州 513400)
庫岸邊坡常因降雨入滲而導(dǎo)致失穩(wěn)下滑,造成航道堵塞或者人員傷亡,對經(jīng)濟(jì)發(fā)展及財產(chǎn)安全產(chǎn)生較大威脅[1- 2]。降雨入滲對邊坡的穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在以下方面:降雨會導(dǎo)致邊坡土體含水量增加,增大邊坡自重,從而提高下滑力;降雨會導(dǎo)致土體軟化,抗剪強度降低甚至喪失,降低邊坡抗滑力;當(dāng)降雨在坡體內(nèi)形成滲流時,會導(dǎo)致坡體內(nèi)孔隙水壓增大,降低正應(yīng)力,并產(chǎn)生一定的動水壓力,進(jìn)一步導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降[3]。因此,研究邊坡內(nèi)部降雨導(dǎo)致的滲流變化規(guī)律,對于邊坡穩(wěn)定性評價具有重要意義[4]。付偉等[5]采用巖土有限元軟件,研究庫水位升降過程中邊坡變形特征和穩(wěn)定性,結(jié)果表明,庫水位上升會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)先增大后減??;趙志陽等[6]以Scoops 3d數(shù)字模擬軟件計算降雨入滲過程,結(jié)果表明庫岸邊坡的穩(wěn)定性受降雨影響明顯;曾潤忠等[7]以ABAQUS軟件為例,研究不同降雨強度下滲流場特征,結(jié)果表明,降雨強度越大或者水位變化速率越大,庫岸邊坡穩(wěn)定性越差;張文雙[8]采用模型試驗方法,研究水位降速對邊坡穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,坡體由內(nèi)向外的滲流是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素。
以上研究均針對庫水位升降或降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響,較少涉及降雨滲流在邊坡內(nèi)的演化規(guī)律。本文以某庫岸邊坡為例,通過數(shù)值模擬軟件,分析降雨在邊坡內(nèi)滲流變化規(guī)律及影響因素,對于降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析具有一定的研究意義,為相關(guān)工程設(shè)計提供了參考。
某水利樞紐是綜合治理與開發(fā)長江的關(guān)鍵性工程,工程竣工后,將發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運、養(yǎng)殖、旅游、保護(hù)生態(tài)、凈化環(huán)境、開發(fā)性移民、供水灌溉等效益。因河床開闊,兩岸花崗巖基堅硬、完整,工程選址在這里。根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內(nèi)巖土實驗結(jié)果,該邊坡為花崗巖殘積土邊坡,坡體主要為花崗巖殘積土,底部為基巖。邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)
強降雨工況下,滑坡形成機(jī)理及影響因素與土體中的降水入滲特性密切相關(guān)。為分析邊坡土體中降水入滲過程及分布特征,建立傾角分別為30°、40°和50°的3種邊坡滲流數(shù)值模型,進(jìn)行降雨條件下飽和土體滲流分析。
FLAC 3D中采用有限差分法進(jìn)行數(shù)值求解。計算過程中,對每個質(zhì)點狀態(tài)參數(shù)如速度、加速度、應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行記錄,從而模擬整個研究對象的力學(xué)特征。在對邊坡降雨入滲進(jìn)行模擬的過程中,首先建立與邊坡實際尺寸一致的幾何模型及相應(yīng)的邊界條件,然后選取與邊坡土體力學(xué)特性相一致的本構(gòu)模型,并保證應(yīng)力加載及降雨入滲條件相同,最后對邊坡力學(xué)參數(shù)進(jìn)行求解。
邊坡坡角的不同會對土體滲流的水力梯度產(chǎn)生影響,為分析邊坡坡角對降雨入滲的影響,分別設(shè)置傾角為30°、40°和50°的邊坡,并在坡面上、中、下3個監(jiān)測點設(shè)置孔隙水壓力傳感器。在同一監(jiān)測點,由上至下分別設(shè)置3個孔隙水壓力傳感器,相鄰傳感器間距為1m,共9個監(jiān)測點,如圖1所示。
圖1 不同傾角降雨入滲模型(單位:m)
在降雨入滲過程中,分別對邊坡進(jìn)行滲流計算和穩(wěn)定性計算,記錄各監(jiān)測點孔隙水壓力及邊坡穩(wěn)定系數(shù)。
在進(jìn)行數(shù)值計算前,對模型進(jìn)行如下設(shè)置:模型的底部設(shè)置為隔水邊界,并將地下水水位設(shè)置為固定水頭。在力學(xué)計算過程中,首先約束模型左右邊界的水平位移,然后約束模型底部邊界的水平和垂直位移。最后,將模型的坡面和兩側(cè)地下水位以上的邊界分別設(shè)置為降雨入滲邊界和定流邊界,從而得到初始滲流場,如圖2所示。
圖2 邊坡初始滲流場
由圖2可以看出,邊坡內(nèi)同一高度處初始地下水位處于同一高度,初始飽和度及孔隙水壓力均隨地下水位的變化而變化。邊坡地下水位以下區(qū)域處于飽和狀態(tài),孔隙水壓力為正,地下水位以上區(qū)域處于非飽和狀態(tài),孔隙水壓力為負(fù)[9- 10]。
降雨條件下,邊坡滲流主要受2種因素影響:降雨特征因素,如降雨強度、歷時、梯度變化等;邊坡土體巖性、高度、坡度等。氣象部門根據(jù)24h降雨量,將降雨強度劃分為:小雨(24h降雨量<10mm)、中雨(24h降雨量10~24.9mm)、大雨(24h降雨量25~49.9mm)、暴雨(24h降雨量50~99.9mm)、大暴雨(24h降雨量100~249.9mm)、特大暴雨(24h降雨量≥250mm)。根據(jù)研究區(qū)降雨資料,并考慮到極端情況,選取不同降雨強度進(jìn)行模擬,具體參數(shù)見表2。
表2 降雨條件參數(shù)
邊坡傾角為50°時,不同降雨方案各監(jiān)測點孔隙水壓力隨降雨歷時的變化曲線如圖3所示。
圖3 不同降雨方案孔隙水壓力隨降雨歷時變化曲線
由圖3(a)可以看出,在降雨方案1a1處,隨著降雨的開始,坡體底部孔隙水壓力從0逐漸增加,最終保持在約50kPa,達(dá)到飽和狀態(tài),此過程歷時11h;降雨方案3中,a1處歷時17h孔隙水壓力從0增加到50kPa,達(dá)到飽和狀態(tài)。在圖3(b)降雨方案1中,a1處歷時10h孔隙水壓力從0增加到50kPa,而降雨方案3中,a1處歷時16.5h孔隙水壓力從0增加到50kPa,達(dá)到飽和狀態(tài)。在圖3(c)中,降雨方案1a1處歷時9.5h孔隙水壓力從0增加到50kPa,降雨方案3a1處歷時16h孔隙水壓力從0增加到50kPa。由于方案1降雨強度小于方案3,說明降雨強度對孔隙水壓力變化有直接影響,降雨強度越大,孔隙水壓力變化越快。同時,在圖3(a)中,降雨方案3中a2、a3處在降雨結(jié)束后,孔隙水壓力最大為35kPa,未達(dá)到飽和狀態(tài),說明離坡面較遠(yuǎn)處,孔隙水壓力受降雨強度影響較小,在降雨結(jié)束后仍未達(dá)到飽和狀態(tài)。
邊坡滲流分析不僅必須考慮外部降雨條件是如何設(shè)置的,還必須考慮邊坡本身的坡度。
降雨方案1條件下,降雨持續(xù)12和24h 3組邊坡孔隙水壓力場和飽和度變化情況如圖4所示。
圖4 不同傾角下邊坡孔隙水壓力場和飽和度變化情況
由圖4(a)中可以看出,邊坡傾角為30°時,斜坡上部孔隙水壓力在10~30kPa之間,隨著降雨持續(xù)時間的增加,孔隙水壓力由坡面向坡體內(nèi)部逐漸增大,在坡腳處孔隙水壓力從10kPa增加到20kPa。斜坡水平面以下6~8m處孔隙水壓力為0,以此處為分界線,在該平面以上孔隙水壓力受降雨影響較明顯,分界線以下孔隙水壓力保持不變。圖4(b)中邊坡傾角為40°時,坡內(nèi)孔隙水壓力在10~40kPa之間,最大孔隙水壓力大于30°傾角條件,說明傾角增大導(dǎo)致孔隙水壓力變化更大,入滲作用更強烈;同時,在斜坡水平線以下8~11m處孔隙水壓力變化不受降雨影響,說明隨著斜坡傾角增大,降雨入滲深度更大。圖4(c)中,邊坡傾角為50°時,坡頂處孔隙水壓力30kPa,大于傾角為30°和40°時的情況,說明傾角大有助于降雨入滲,從而導(dǎo)致坡面孔隙水壓力迅速增加。
對比圖4(a)、(b)、(c)3個圖中孔隙水壓力變化前后的結(jié)果,可以看出,對于不同傾角的邊坡,邊坡中部和底部的孔隙水壓力變化基本相同,均在10~40kPa之間。邊坡中不同的位置對降雨量的變化反應(yīng)不同,變化程度存在一定的滯后效應(yīng)??紫端畨毫υ鲩L的變化在坡頂處更為明顯,由初始值0變化為平均20~30kPa之間,變化幅度較大;其次是斜坡中部,孔隙水壓力變化值為10~20kPa;在斜坡坡腳處變化最不明顯,變化幅度在10kPa以內(nèi)。分析是由于降雨運動速度隨著斜坡傾角的增加而增加,但在坡腳處,孔隙水入滲速率較坡頂處小,因此坡腳處孔隙水壓力變化幅度也更小。
本文以某庫岸邊坡為例,采用數(shù)值模擬軟件,分析不同降雨強度和邊坡傾角條件下的降雨入滲規(guī)律,得到如下結(jié)論。
(1)降雨強度對邊坡土體孔隙水壓力變化有直接影響,在降雨強度分別為250mm/d和150mm/d時,邊坡坡頂處孔隙水壓力達(dá)到飽和狀態(tài)50kPa所用時間分別為10h和16.5h。
(2)邊坡傾角對土體孔隙水壓力有較大影響。在相同降雨條件下,不同傾角邊坡中部和底部的孔隙水壓力變化基本相同,而邊坡頂部孔隙水壓力變化逐漸增大,傾角大有助于降雨入滲。
(3)降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析具有一定的研究意義,但降雨在邊坡內(nèi)滲流變化規(guī)律及影響因素較復(fù)雜,需進(jìn)一步研究。