不同雨型循環(huán)作用下邊坡滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性分析

羅偉, 姜智予, 李佳寶, 陳靜瑜, 陶智, 盧茜

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330013; 2.江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330013)

在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展量質(zhì)齊升的大背景下,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到全面加強(qiáng),涉及邊坡的工程建設(shè)日益增多,有關(guān)滑坡、圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等自然災(zāi)害及工程事故的報(bào)道數(shù)量也隨之增加[1-3]。據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示,2021年全國滑坡發(fā)生次數(shù)占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的49%[4]。研究表明,超過90%的滑坡由大氣降雨直接誘發(fā)或與降雨間接相關(guān)[5-7]。受氣候影響和地理制約,中國非飽和土邊坡分布廣泛。非飽和土在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性通常較高,但在降雨作用下,由于基質(zhì)吸力減小,邊坡穩(wěn)定性大幅降低,從而產(chǎn)生滑坡[8-10]。因此定量分析降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律具有重要意義。

對(duì)于降雨作用下的土質(zhì)邊坡滲流特性以及穩(wěn)定性變化規(guī)律,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量卓有成效的研究[11-12]。鄭穎人等[13]論證了采用強(qiáng)度折減求解邊坡安全系數(shù)的精確性以及有限元法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析的有效性;林鴻州等[14]、周家文等[15]、任佳等[16]通過模擬計(jì)算揭示了不同降雨條件、不同邊坡工況下雨水入滲作用機(jī)理及安全系數(shù)演化規(guī)律;徐全等[17]分別采用固液耦合與非耦合計(jì)算的方法,研究了在不同降雨強(qiáng)度作用下邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律、恢復(fù)速率及滑面位置變化規(guī)律;Ng等[18]對(duì)降雨入滲下的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析,探討了邊坡的暫態(tài)滲流及由此引起的邊坡穩(wěn)定性問題。以上研究為深入了解降雨作用下土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性做出了重要貢獻(xiàn)。但相關(guān)數(shù)值分析往往忽視土體材料屬性的空間變異性將模型材料參數(shù)設(shè)置為定值,且降雨雨型與實(shí)際工況差異較大,長(zhǎng)周期降雨作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究也尚待進(jìn)一步完善。

現(xiàn)結(jié)合江西省降雨特點(diǎn),在Geo-Studio邊坡穩(wěn)定性分析模塊 SLOPE/W 與穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流模塊 SEEP/W 中構(gòu)造出循環(huán)、后峰、驟緩等雨型,以安全系數(shù)為穩(wěn)定性指標(biāo),分析各類型降雨對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響,重點(diǎn)研究不同雨型條件下的邊坡滲流、孔隙水壓力變化情況和安全系數(shù)變化規(guī)律,豐富長(zhǎng)持時(shí)及循環(huán)降雨工況下邊坡穩(wěn)定性理論研究,以期為工程實(shí)踐提供有益指導(dǎo)。

1 耦合計(jì)算理論

1.1 飽和-非飽和滲流理論

在天然條件下,大多數(shù)邊坡為非飽和。降水期間,由于雨水從坡面滲透,使邊坡的非飽和土體趨于飽和,這是一種典型的飽和-非飽和滲流。非飽和土的滲透微分方程表達(dá)方式為

(1)

1.2 Fredlund&Xing理論

沿用Fredlund &Xing的土-水特征曲線方程,其土體積含水率可以表示為

(2)

式(2)中:θ(R)為土體內(nèi)孔徑小于R的孔隙內(nèi)均充滿水時(shí)的體積含水率;r、R分別為孔徑和最小孔徑;f(r)為孔隙體積的密度函數(shù)。因?yàn)榭讖脚c吸力數(shù)值大小成反比關(guān)系,即r=C/φ土體積含水率也可表示為

(3)

式(3)中:H為吸力;C為常數(shù);φ為對(duì)應(yīng)于最小孔徑的最大吸力;h為吸力變量。將Van Genuchten方程代入式(3)即可得到 Fredlund &Xing土-水特征曲線方程為

(4)

式(4)中:φ為殘余吸力值;θ為體積含水率;a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù);n為基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值之后與土體脫水速率有關(guān)的土參數(shù);m為與殘余含水率有關(guān)的試驗(yàn)參數(shù);e為自然底數(shù)。

2 工程概況

選用江西省信江八字嘴圍堰邊坡為研究對(duì)象,堰坡截面形態(tài)呈等腰梯形,東西長(zhǎng)53 m,邊坡方量約為2.58萬 m3,邊坡占地面積約1.4萬 m2。

江西省各月平均降雨量分布圖如圖1所示,常出現(xiàn)連續(xù)降雨、強(qiáng)降雨。據(jù)江西省氣象信息中心統(tǒng)計(jì)[19],江西省的降雨平均小時(shí)強(qiáng)度為1.34～1.76 mm/h,贛江以北的鄱陽湖及東南區(qū)域的降雨較多。該省的最大小時(shí)降雨量為54.8～147.3 mm,分別是銅仁和崇仁。江西東北、江西中部、江西東南部3個(gè)區(qū)域均有明顯的隨機(jī)變化。從各地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征來看,除省內(nèi)西南部具有單峰形特征外,其他為雙峰形特征[20]。

圖1 南昌2014—2021年月平均降雨量Fig.1 Monthly average rainfall in Nanchang from 2014 to 2021

3 模型建立與參數(shù)設(shè)置

3.1 邊坡模型

以江西省信江八字嘴圍堰邊坡為研究對(duì)象,構(gòu)建邊坡受降雨作用下的滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算二維模型。計(jì)算模型由堰體和兩層基礎(chǔ)土層組成,如圖2所示。邊坡原型簡(jiǎn)化后的模型參數(shù)為:長(zhǎng)86 m、高20 m、堰體高10 m,上下游堰坡坡比均為1∶2。各土層材料計(jì)算參數(shù)見表1。各土層土水特征曲線與滲透系數(shù)曲線如圖3、圖4所示。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of soil

圖2 邊坡模型尺寸及網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Size and mesh drawing of slope model

圖3 土水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curve

圖4 滲透系數(shù)函數(shù)曲線Fig.4 Permeability coefficient function curve

模型左側(cè)設(shè)置15 m定水頭模擬圍堰內(nèi)上游水位;在模型基質(zhì)土層右側(cè)設(shè)置5 m水頭,5 m以上設(shè)置零流量,模擬地下水位;坡底假設(shè)為不透水邊界;邊坡及基質(zhì)土層上表面設(shè)定單位流量邊界條件模擬降雨情況。

3.2 方案設(shè)計(jì)

方案中設(shè)定了降雨總量、持時(shí)相同的后峰、中峰、前峰及均勻型4種不同降雨工況[圖5(a) ],這里選用的平均降雨強(qiáng)度0.2 m/d依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髮?shí)測(cè)資料并近似取整?！绑E緩”為平均雨強(qiáng)變化率與后峰降雨保持一致的降雨,令其雨強(qiáng)增長(zhǎng)率呈周期變化且總降雨量與后峰相同[圖5(b)],與后峰降雨形成對(duì)照,分析雨強(qiáng)增長(zhǎng)率變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;構(gòu)造3次周期性重復(fù)的前峰、中峰、后峰及均勻型降雨,以6 d為周期,每周期降雨持續(xù)3 d[圖5(c)],對(duì)照各自單周期降雨,探究循環(huán)雨型下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律及恢復(fù)情況。

圖5 不同雨型雨強(qiáng)變化圖Fig.5 Diagram of variation of rain intensity for different rain patterns

4 結(jié)果分析

4.1 堰體滲流特性分析

擬在得到非飽和滲流場(chǎng)的條件下開展不同雨型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究。圖6為初始狀態(tài)孔隙水壓力圖,選擇均勻降雨條件下最危險(xiǎn)孔隙水壓力圖,如圖7所示在降雨條件下孔隙水壓力自上而下逐漸增大,由于降雨前期堰體淺層土體還比較干燥,土的體積含水量與滲透系數(shù)較低,該階段土體具有極強(qiáng)的入滲能力,一旦少量雨水開始入滲就會(huì)形成很高的吸力梯度。在經(jīng)歷降雨后,坡表孔壓增大,浸潤(rùn)線呈下凹狀,出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū),與之對(duì)應(yīng)的是圖8、圖9所示的邊坡安全系數(shù)大小及滑動(dòng)面示意圖。循環(huán)后峰降雨第二周期坡表初始孔壓相較于第一周期明顯增大,浸潤(rùn)線上凸,隨著第二周期降雨,邊坡土體逐漸趨于飽和,在安全系數(shù)最低時(shí)邊坡幾乎完全飽和,不同雨型第二周期的邊坡初始滲流場(chǎng)各有差異,具體滲流情況如圖10所示。

圖6 初始狀態(tài)孔隙水壓力圖Fig.6 Initial pore pressure diagram

圖7 均勻降雨最危險(xiǎn)孔壓圖Fig.7 Uniform rainfall is the most dangerous pore pressure diagram

圖8 初始狀態(tài)邊坡安全系數(shù)及滑移面Fig.8 Safety factor and slip surface of initial state slope

圖9 均勻最危險(xiǎn)邊坡安全系數(shù)及滑移面Fig.9 Safety factor and slip surface of uniform dangerous slope

4.2 堰坡穩(wěn)定性分析

邊坡體內(nèi)孔壓大小及分布在降雨前后發(fā)生了較大變化,圖11為上下監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同雨型下各自孔壓變化情況。相同工況下下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓變化幅度較大。各雨型下孔壓的變化幅度從小到大依次為中峰、后峰、前峰和均勻。前峰與中峰降雨下孔隙水壓力先到達(dá)最大值,后峰與平均降雨最值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)滯后。中峰與后峰雨停后孔壓降低速率較快,均勻與前峰的孔壓恢復(fù)速率相對(duì)較慢。循環(huán)降雨下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓變化如圖12所示,隨著總降雨量的不斷增加,坡體土含水率增高并在第二周期降雨后暫態(tài)飽和區(qū)明顯增大,在不同降雨類型中,二、三周期的最大孔壓均顯著高于一周期,而上層監(jiān)控區(qū)的一、二周期最大孔壓差異稍低于下層的相應(yīng)差異。降雨區(qū)段內(nèi)循環(huán)均勻、前峰下的最大孔壓始終高于其他雨型。下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔壓變化滯后性強(qiáng)于上部監(jiān)測(cè)點(diǎn),循環(huán)后峰、均勻下的孔壓變化滯后性強(qiáng)于其他雨型。

圖11 不同雨型孔隙水壓力變化圖Fig.11 Pore pressure changes under different rain patterns

圖12 循環(huán)降雨下監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔壓變化Fig.12 Pore pressure changes under cyclic rainfall

單峰降雨方案下安全系數(shù)變化趨勢(shì)如圖13(a)所示。邊坡初始安全系數(shù)為1.531,前峰、中峰、后峰、驟緩降雨使邊坡安全系數(shù)分別降低13.64%、13.46%、12.87%、13.13%。由于前期降雨使坡體含水率明顯升高,進(jìn)而導(dǎo)致后期強(qiáng)降雨時(shí)邊坡土體滲透系數(shù)較低,大部分雨水沒有滲入坡體內(nèi)部而是順著坡面流向坡腳,故后峰與驟緩對(duì)邊坡安全系數(shù)影響相對(duì)較低。單周期降雨結(jié)束后若降雨停止,隨著雨水的淋濾進(jìn)而滲出坡體的最敏感部位,邊坡又逐漸變得安全。若繼續(xù)降雨,由于前次的雨水入滲影響了淺部土層的滲透能力,因此,邊坡第二周期最危險(xiǎn)時(shí)間又隨著雨水的再次入滲及運(yùn)移發(fā)生了變化,圖13(b)為循環(huán)降雨下的邊坡安全系數(shù),第二周期各雨型邊坡安全系數(shù)遠(yuǎn)低于第一周期,均勻雨型最低安全系數(shù)仍低于其他雨型;與單周期雨型不同,后峰的第二周期最低安全系數(shù)低于前峰,前峰第二周期初始狀態(tài)下的邊坡飽和區(qū)域以及邊坡含水率高于循環(huán)后峰,因此循環(huán)前峰的大量前期降水經(jīng)坡腳流失;對(duì)兩次降雨的相互影響分析發(fā)現(xiàn):前一周期降雨入滲情況決定了后一周期降雨的入滲條件,因?yàn)榍耙恢芷诮涤旮淖兞诉吰虏煌恢玫捏w積含水率,含水率不同則基質(zhì)吸力、滲透系數(shù)不同,各降雨周期內(nèi)邊坡穩(wěn)定性也有所差異。

圖13 不同雨型下安全系數(shù)變化曲線Fig.13 Variation curves of safety factor under different rain patterns

5 結(jié)論

在收集并歸納了江西省雨型特性的條件下,從滲流基本理論出發(fā),對(duì)信江八字嘴圍堰邊坡進(jìn)行了瞬態(tài)穩(wěn)定性分析,研究了坡體內(nèi)水分的時(shí)空演化,為滑坡的預(yù)測(cè)與合理措施的采取提供依據(jù),主要結(jié)論如下。

(1)計(jì)算5種總降雨量、降雨持時(shí)均相同的單周期雨型得出其最小安全系數(shù)排序?yàn)?驟緩型<后峰型<中峰型<前峰型<均勻型;總降雨量、降雨持時(shí)和雨強(qiáng)變化總量均相同時(shí),雨強(qiáng)變化率的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致降雨對(duì)邊坡的影響發(fā)生變化。

(2)邊坡在循環(huán)降雨作用下,安全系數(shù)單調(diào)性呈現(xiàn)周期性變化,均勻降雨的各周期最小安全系數(shù)最低,后峰的第二周期最低安全系數(shù)低于前峰。

(3)降雨對(duì)邊坡影響具有滯后性。越靠近坡表處孔壓變化滯后性越弱;循環(huán)后峰、循環(huán)均勻下的安全系數(shù)變化滯后性強(qiáng)于其他雨型。不同降雨條件下不同邊坡部位的安全系數(shù)敏感程度對(duì)邊坡支護(hù)時(shí)間、部位的選取具有一定的指導(dǎo)意義。

(4) 對(duì)于循環(huán)降雨,前次降雨入滲深度決定了隨后降雨的入滲條件,循環(huán)降雨下不同雨型對(duì)于邊坡影響程度排序與單周期不同。當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)或雨季反復(fù)降水時(shí),應(yīng)同時(shí)加強(qiáng)對(duì)雨強(qiáng)和雨型的監(jiān)測(cè),做好及時(shí)、有效的滑坡預(yù)警工作。