魏凌傲 王正君 郜 迪

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院， 哈爾濱 150080)

降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響巨大，主要體現(xiàn)在：降雨抬高了地下水位，使得土體的有效應(yīng)力減小[1-2]；降雨使得邊坡內(nèi)部土體的強(qiáng)度減小，土體更容易發(fā)生剪切滑動(dòng)[3-4]．同時(shí)，也有研究表明，不同類型降雨對(duì)邊坡的滲流特性影響巨大：如郁舒陽(yáng)[5]對(duì)不同類型降雨下的不同F(xiàn)redlund&Xing參數(shù)土體的滲流特性進(jìn)行了研究；王寧偉[6]對(duì)在不同類型降雨條件下的邊坡入滲深度以及體積含水量變化規(guī)律進(jìn)行了探討．

在自然的風(fēng)化作用以及草本植物根系作用下，邊坡土體表層難免會(huì)產(chǎn)生一定角度，一定深度的裂隙[7]，這些裂隙的滲透性較原狀土更高，可以極大的改變降雨過(guò)程中的雨水入滲規(guī)律，已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的研究：如袁俊平[8-9]系統(tǒng)的對(duì)降雨條件下膨脹土裂隙的分布位置，各向異性程度，裂隙角度以及裂隙深度的滲流特性進(jìn)行了分析；王培清[10]對(duì)裂隙性紅黏土降雨條件下的邊坡滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；闕云[11]對(duì)降雨條件下的裂隙性粘土邊坡的滲流特性進(jìn)行了模擬討論，但是縱觀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，不同降雨類型下含裂隙邊坡滲流特性卻鮮有報(bào)道，相應(yīng)的規(guī)律還沒(méi)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)．

本文以某含裂隙土質(zhì)邊坡模型為例，選取平均型，前鋒型，中鋒型以及后峰型4種降雨類型，利用有限元分析軟件Geo-slope中的Seep/w與Slope/w模塊，研究了不同類型降雨條件下裂隙不同深度，不同角度以及裂隙不同滲透比的滲流特性，所得結(jié)果為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)不同類型降雨下含裂隙邊坡的滲流特性以及治理提供了一定的參考．

1 計(jì)算理論與模型

1.1 計(jì)算理論

非飽和滲流的控制方程形式為：

(1)

式中，kr為相對(duì)透水率；kij為飽和滲透張量；hc為壓力水頭；Q為源匯；C(hc)為容水度；θ為壓力水頭函數(shù)；n為孔隙率；Ss為單位貯水量．

土水特征曲線是描述土體滲透系數(shù)或者體積含水量與基質(zhì)吸力的關(guān)系，采用VG模型進(jìn)行估算[12]：

(2)

(3)

式中，θw為土體的含水率；θs為土體的飽和含水率；θr為土體的殘余含水率；ks為土體的飽和滲透系數(shù)；kw為土體的瞬時(shí)滲透系數(shù)，即相應(yīng)基質(zhì)吸力下對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)；Ψ為土體的基質(zhì)吸力；a，m，n為公式的擬合參數(shù)，其中n可以表示為：

n=1/(1-m)

(4)

1.2 計(jì)算模型及邊界條件

模型取自文獻(xiàn)[9]，邊坡的坡高為10 m，坡比為1∶2，裂隙位置設(shè)置在坡頂，如圖1所示．在裂隙位置設(shè)置一監(jiān)測(cè)面來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同類型降雨過(guò)程中的孔壓以及體積含水量的變化規(guī)律．模型網(wǎng)格剖分圖如圖2所示，在坡頂裂隙處網(wǎng)格適當(dāng)加密，全局一共剖分為755個(gè)單元，801個(gè)節(jié)點(diǎn)．

圖1 計(jì)算模型

圖2 模型網(wǎng)格剖分圖

模型初始條件取如圖1所示的初始水位下的滲流場(chǎng)作為整個(gè)計(jì)算工況的初始滲流場(chǎng)，邊界條件如下：ab，gh為零流量邊界；ah，bc，fg為不透水邊界；cdef為降雨入滲邊界．

裂隙模擬方法較多，本文取文獻(xiàn)[8]的模擬思路，即將裂隙土部分視為一種各向異性材料，而在計(jì)算過(guò)程中，裂隙的數(shù)學(xué)描述可以用裂隙長(zhǎng)度h，即裂隙沿著深度方向的長(zhǎng)度大??；裂隙面與豎直方向的夾角α，以及順裂隙方向與垂直裂隙方向的滲透系數(shù)比值μ來(lái)刻畫(huà)．其中，裂隙單元的局部坐標(biāo)與整體坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下式所示：

(5)

2 計(jì)算方案及材料參數(shù)

降雨采用4種不同類型降雨，平均型，前鋒型，中鋒型以及后峰型降雨，降雨過(guò)程曲線如圖3所示，降雨總量為0.14 m，降雨天數(shù)為7 d，同時(shí)考慮停雨5 d的情況，總計(jì)算時(shí)間為12 d．

圖3 降雨過(guò)程曲線

計(jì)算內(nèi)容考慮裂隙不同深度，不同裂隙方位角α以及不同的滲透系數(shù)比值μ(即順裂隙方向與垂直裂隙方向滲透系數(shù)比值)在不同類型降雨條件下的滲流特性，具體計(jì)算工況見(jiàn)表1．

表1 計(jì)算工況

注：降雨類型1、2、3、4分別代表平均型降雨，前鋒型降雨，中鋒型降雨以及后峰型降雨．

土體滲流參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[9]確定，a=166.7 kPa，n=1.567，θs=0.495，θr=0.262，原狀土飽和滲透系數(shù)ksat=2.83×10-4m/d，垂直裂隙方向飽和滲透系數(shù)ksatx=2.83×10-2m/d，根據(jù)公式(2)～(4)，可以得出原狀土與裂隙土的土水特征曲線如圖4所示．

圖4 土水特征曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同裂隙深度滲流特性

邊坡無(wú)裂隙，坡頂裂隙深2 m以及坡頂裂隙深4 m情況下的監(jiān)測(cè)面體積含水量變化如圖5所示．

圖5 工況A、B體積含水量變化

由圖可見(jiàn)，不同降雨類型下，不同裂隙深度下監(jiān)測(cè)面的體積含水量變化呈現(xiàn)不一樣的規(guī)律，從整體上看，不同類型降雨工況下體積含水量變化存在一個(gè)“極限深度”，即濕潤(rùn)鋒的最大影響深度，無(wú)裂隙工況下濕潤(rùn)鋒影響的最大深度為4 m，裂隙為2 m工況下的濕潤(rùn)鋒最大影響深度為6 m，而裂隙為4 m工況下的濕潤(rùn)鋒最大影響深度為7 m，并且不同類型降雨對(duì)濕潤(rùn)鋒的最大影響深度沒(méi)有明顯的影響；裂隙深度越深，在停雨后的土體表面體積含水量消散的越快，以圖5(a)為例，無(wú)裂隙工況停雨后孔壓消散最慢，在第12 d土體表層體積含水量為0.494，裂隙為2 m工況下的第12 d土體表層體積含水量為0.492，而裂隙為4 m工況下的第12 d土體表層體積含水量為0.489，因此，土體不含裂隙情況下體積含水量變化規(guī)律是隨著深度逐漸遞減，直到達(dá)到“極限深度”后保持不變，而含裂隙情況下體積含水量變化規(guī)律是隨著深度先增大后減小，并且拐點(diǎn)約為裂隙深度處，最后減小到“極限深度”后保持不變；不同降雨類型對(duì)體積含水量變化規(guī)律影響不大，對(duì)每個(gè)瞬時(shí)的孔壓數(shù)值大小稍有影響，以裂隙深度為4 m工況下不同類型降雨在第12 d的孔壓為例，平均型降雨下土體表層孔壓為0.489，前鋒型降雨土體表層孔壓為0.488，中鋒型降雨土體表層孔壓為0.488，而后峰型降雨土體表層孔壓為0.489．相應(yīng)的孔壓變化規(guī)律如圖6所示．

圖6 工況A、B孔壓變化

可見(jiàn)不同降雨條件下不同深度裂隙土體內(nèi)部孔壓變化規(guī)律較為一致，無(wú)裂隙土體在降雨過(guò)程中孔壓呈現(xiàn)隨深度逐漸減小的趨勢(shì)，而含裂隙土體在降雨條件下孔壓隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小，最后保持不變的規(guī)律，且在裂隙底部孔壓達(dá)到最大值，同時(shí)，裂隙深度越大，裂隙底部的最大孔壓值也越大，以圖6(a)平均型降雨為例，裂隙為2 m工況下所達(dá)到的最大孔壓為20 kPa，而裂隙為4 m工況下所達(dá)到的最大孔壓則為40 kPa,可見(jiàn)降雨過(guò)程中的最大孔壓與裂隙深度呈正相關(guān)，縱向來(lái)看，不同類型的降雨只是影響了相應(yīng)孔壓達(dá)到最大的時(shí)間，對(duì)孔壓的分布規(guī)律則影響較?。?/p>

3.2 不同裂隙滲透比的滲流特性

裂隙滲透比為1，10，100，10 000下的土體內(nèi)部體積含水量變化規(guī)律如圖7所示．

圖7 工況C體積含水量變化

不同類型降雨條件下，不同滲透比呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律：即滲透比大于10體積含水量變化規(guī)律一致，而滲透比為1有明顯的孔壓滯后性，即土體表層的孔壓消散較滲透比大的工況要慢，究其原因，是因?yàn)橥馏w滲透比較大的情況下，垂直裂隙方向的滲透率就等于降雨的入滲強(qiáng)度，所以當(dāng)滲透比大于10的工況下體積含水量變化規(guī)律趨于一致，而當(dāng)滲透比較小時(shí)，降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度，有一部分水被滯留于土體表層，即表現(xiàn)出體積含水量的消散“滯后”現(xiàn)象．不同類型降雨影響了不同時(shí)刻的體積含水量變化規(guī)律，以工況C1為例，平均型降雨下7 d土體表層一直保持為飽和狀態(tài)，第12 d土體表層體積含水量減至0.489；前鋒型降雨下在第7 d土體表層體積含水量就開(kāi)始下降至0.4924，在第12 d時(shí)體積含水量降至0.487 8；中鋒型降雨在第7 d土體表層體積含水量也有所下降，在第12 d降至0.4878；后峰型降雨條件下第7 d土體表面仍為飽和狀態(tài)，而第12 d降至0.489 2．相應(yīng)的孔壓變化如圖8所示．

圖8 工況C孔壓變化

孔壓變化與體積含水量較為相似，即滲透比為1與滲透比大于10的孔壓變化差異較大，這也是由于土體滲透比較大的情況下，垂直裂隙方向的滲透率就等于降雨的入滲強(qiáng)度，所以當(dāng)滲透比大于10的工況下孔壓變化規(guī)律趨于一致，而當(dāng)滲透比較小時(shí)，降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度，有一部分水被滯留于土體表層，即表現(xiàn)出孔壓“滯后”現(xiàn)象；滲透比越大，土體內(nèi)部達(dá)到的最大孔壓也越大，同時(shí)，滲透比大于10孔壓變化較為一致．

3.3 不同裂隙方位角滲流特性

裂隙方位角為0°，30°，60°情況下土體內(nèi)部體積含水量變化規(guī)律如圖9所示．

圖9 工況D體積含水量變化

由圖可見(jiàn)，在不同類型降雨條件下，裂隙方位角為0°與30°時(shí)體積含水量變化規(guī)律較為一致，而裂隙角度為60°情況下與前兩種工況的差異性較大，這是因?yàn)榱严斗轿唤菫?°與30°時(shí)，裂隙豎向滲透系數(shù)較大，雨水入滲較為容易，即兩者體積含水量變化規(guī)律較為一致，而裂隙角度為60°時(shí)，裂隙接近于水平，而垂直裂隙方向的滲透系數(shù)較順裂隙方向的滲透系數(shù)要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，即雨水較難入滲，所以裂隙角度為60°時(shí)的體積含水量變化要滯后于0°與30°的體積含水量變化．不同類型降雨影響了不同時(shí)刻土體一定深度內(nèi)的體積含水量變化，以工況D1為例，平均型降雨下7 d土體表層一直保持為飽和狀態(tài)，第12 d土體表層體積含水量減至0.489；前鋒型降雨下在第7 d土體表層體積含水量就開(kāi)始下降至0.493，在第12 d時(shí)體積含水量降至0.488；中鋒型降雨在第7 d土體表層體積含水量也有所下降，在第12 d降至0.488；后峰型降雨條件下第7 d體積含水量降至0.493 2，而第12 d降至0.487 9．相應(yīng)的孔壓變化規(guī)律如圖10所示．

圖10 工況D孔壓變化

孔壓變化與體積含水量變化有較好的吻合性，即裂隙傾角為0°與30°情況較為接近，而60°情況差異較大，這也是由于裂隙方位角為0°與30°時(shí)，裂隙豎向滲透系數(shù)較大，雨水入滲較為容易，即孔壓變化較為一致，而當(dāng)裂隙角度為60°時(shí)，裂隙接近于水平，而垂直裂隙方向的滲透系數(shù)較順裂隙方向的滲透系數(shù)要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，即雨水較難入滲，孔壓變化較為緩慢，但是裂隙角度的差異性也比較明顯，即隨著裂隙角度的增大，土體表層孔壓的消散速度也越來(lái)越慢，并且最大孔壓也越來(lái)越?。煌愋偷慕涤暌仓皇怯绊懥讼鄳?yīng)孔壓達(dá)到最大的時(shí)間，對(duì)孔壓的分布規(guī)律則影響較?。?/p>

3.4 實(shí)例分析

文獻(xiàn)[13]中介紹了南水北調(diào)南陽(yáng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段膨脹土邊坡滑坡破壞實(shí)例．現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段膨脹土裂隙極其發(fā)育，其中長(zhǎng)大裂隙有至少2組以上優(yōu)勢(shì)方向，裂隙區(qū)域土體發(fā)現(xiàn)呈明顯各向異性．裂隙傾向統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，主裂隙傾向與坡面幾乎平行，即順裂隙方向與豎向夾角約為50°～75°．現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，降雨后吸濕區(qū)范圍約為0.5 m，吸濕區(qū)內(nèi)土體含水率增大約為16.5%，表明這種裂隙傾向條件下，降雨入滲的影響范圍和影響程度均較?。@與本文計(jì)算結(jié)果相吻合，即順裂隙方向與豎直方向夾角較大時(shí)，裂隙各向異性對(duì)邊坡的滲流影響較?。?/p>

4 結(jié) 論

1)不同裂隙深度土體內(nèi)部含水量與孔壓均存在一個(gè)最大影響深度，裂隙深度越大，影響深度越大．無(wú)裂隙土體體積含水量與孔壓在降雨條件下隨深度呈現(xiàn)先減小后不變的規(guī)律，而含裂隙土體體積含水量與孔壓在降雨條件下隨深度呈現(xiàn)先增大后減小最后保持不變．

2)土體滲透比大于10時(shí)體積含水量與孔壓差異較小，而滲透比小于10的情況與大于10的情況差異較大，同時(shí)滲透比越大，土體表層含水量消散速度越快．

3)裂隙角度越小，土體內(nèi)部含水量與孔壓上升越快，同時(shí)，裂隙角度為0°與30°情況體積含水量與孔壓變化規(guī)律較為接近，而裂隙角度為60°時(shí)體積含水量與孔壓變化與前者差異較大．

4)不同類型降雨影響了含裂隙土體內(nèi)部孔壓與體積含水量的瞬時(shí)數(shù)值變化大小，對(duì)于孔壓以及體積含水量的變化規(guī)律影響較?。?/p>