夏怡, 柳治國, 鄒飛, 羅紅明, 羅世鑫

(1.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測咨詢有限公司, 貴州 貴陽 550014; 2.貴州省交通運輸廳， 貴州 貴陽 550001; 3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025; 4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

1 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)受地形和地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境條件的限制，不可避免地產(chǎn)生大量棄土，必須設(shè)置棄土場來滿足棄土處置的需要。棄土場是一種人工傾填形成的，具有密度小、固結(jié)性差、非飽和等特點，其穩(wěn)定性比自然邊坡差，在降雨尤其是特大暴雨、連續(xù)降雨等條件下易產(chǎn)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，將會對棄土場周邊的居民、重要基礎(chǔ)設(shè)施等構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，棄土場邊坡的穩(wěn)定性是涉及到棄土場長期安全的關(guān)鍵技術(shù)難題，尤其是降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性問題[1]。

目前，中國學(xué)者對降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了非常豐富的成果。李煥強等[2]采用物理模型試驗研究了降雨條件下不同坡度邊坡的變形失穩(wěn)規(guī)律，揭示了邊坡穩(wěn)定性隨降雨入滲的動態(tài)演化規(guī)律；譚文輝等[3]采用有限元方法研究了降雨入滲條件下邊坡的滲流場、應(yīng)力場和位移場，研究了降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；唐棟等[4]采用有限元法研究了不同初始條件對不同土體邊坡穩(wěn)定性的影響，探討了前期降雨對不同土體邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律等。但棄土場邊坡在降雨條件下穩(wěn)定性一般選用假定滲流場來進(jìn)行分析，而對不同降雨入滲條件下棄土場邊坡的滲流場分析方法研究甚少[5]，這將是棄土場穩(wěn)定性分析需要重點考慮的內(nèi)容。

該文以貴州省六盤水至威寧高速公路YK53+750右側(cè)40 m棄土場為例，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，運用飽和-非飽和數(shù)值方法對不同降雨入滲條件下的棄土場邊坡滲流場進(jìn)行計算分析，在此基礎(chǔ)上采用剛體極限平衡法對其安全系數(shù)進(jìn)行計算，討論不同降雨工況條件下棄土邊坡滲流場的變化及其對邊坡穩(wěn)定性的影響，研究成果將為棄土場邊坡的防護(hù)設(shè)計及后期安全管理提供技術(shù)支撐。

2 棄土場邊坡降雨入滲分析方法

2.1 棄土邊坡降雨入滲分析方法

降雨入滲過程實際上是水分從地表非飽和區(qū)向坡體內(nèi)飽和區(qū)的流動過程。降雨入滲就是一個流量邊界，但入滲流量并不是一直未變，而是在滲流模擬計算中須根據(jù)地表含水率變化而不斷調(diào)整入滲流量，從而實現(xiàn)降雨入滲的模擬分析。因此，降雨入滲就是典型的飽和-非飽和滲流問題[6]，應(yīng)采用飽和-非飽和滲流理論來進(jìn)行求解，從而獲得不同降雨條件下棄土場邊坡滲流場的動態(tài)變化。

飽和-非飽和水流運動可用下列Richards方程表述：

(1)

式中：kx、ky分別為x、y方向的滲透系數(shù)(m/s)；H為總水頭(m)；mW為土水特征曲線斜率；γW為水的重度(kN/m3)；t為時間(s)。

土水特征曲線一般通過試驗確定，但在實際中常采用基于統(tǒng)計分析理論提出的Fredlund&Xing模型，土水特征曲線模型如下：

(2)

式中：θ為非飽和土體的體積含水量；θs為飽和體積含水量；ψ為基質(zhì)吸力(kPa)；ψr為殘余含水量所對應(yīng)的基質(zhì)吸力(kPa)；a為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)(kPa)；b為與土水特征曲線斜率有關(guān)的參數(shù)；c為與殘余含水率有關(guān)的試驗參數(shù)。

2.2 飽和-非飽和滲流數(shù)值求解

飽和-非飽和滲流求解時，將滲流場劃分為有限單元，并對這些單元進(jìn)行迭代計算，從而得到降雨入滲條件下棄土邊坡的滲流場，其迭代方程為：

(Δt[D]+[E]){Ht+Δt}=Δt[F]+[E]{Ht}

(3)

式中：Δt為時間增量；D為單元滲透系數(shù)矩陣；E為單元儲水矩陣；Ht+Δt為t+Δt時刻水頭；Ht、F為t時刻水頭、邊界流量。

在飽和-非飽和求解中，降雨入滲邊界條件處理方法如下：① 當(dāng)降雨強度小于地表土體的入滲能力時，此時降雨全部入滲土體內(nèi)，入滲量等于降雨強度，按流量邊界處理，隨著降雨持續(xù)，土體表層含水率將逐漸增加，直到達(dá)到某一穩(wěn)定值；② 當(dāng)降雨強度超過地表土體的入滲能力時，此時降雨一部分轉(zhuǎn)化為地表徑流，另一部分滲入坡體，地表入滲邊界點達(dá)到飽和狀態(tài)，按壓力水頭邊界處理。

2.3 非飽和土抗剪強度

降雨時邊坡由非飽和狀態(tài)逐漸向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，降雨結(jié)束后又向非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，邊坡土體抗剪強度受基質(zhì)吸力影響先減小后增大，對邊坡的穩(wěn)定性有影響。因此，需應(yīng)用非飽和抗剪強度理論來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，非飽和抗剪強度計算公式如下：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(4)

式中：c′為有效內(nèi)摩擦角(°)；φ′為有效黏聚力(kPa)；(σ-ua)為凈法向應(yīng)力(kPa)；(ua-uw)為基質(zhì)吸力(kPa)；φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角(°)。一般來說，φb隨著基質(zhì)吸力的增大而減小，在邊坡穩(wěn)定性分析中將其假定為一常數(shù)。

3 棄土場降雨入滲數(shù)值分析

3.1 工程概況

貴州省六盤水至威寧高速公路YK53+750右側(cè)40 m棄土場位于路線左側(cè)沖溝，溝底相對平緩，原地表覆蓋角礫土，下伏基巖。棄土場邊坡高度為16.5 m，棄方量為6.0萬m3，棄土場下游為沖溝，無其他危害對象，根據(jù)有關(guān)規(guī)范，該棄土場級別屬于5級[7]。棄土場典型地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 棄土場典型地質(zhì)剖面

3.2 計算模型與參數(shù)

選取棄土場現(xiàn)狀邊坡的典型剖面，建立有限元模型，采用四邊形和三角形混合單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，共剖分為4 768個單元，4 886個節(jié)點，見圖2。

圖2 棄土場邊坡滲流分析有限元計算模型(單位：m)

棄土邊坡巖土體滲流、力學(xué)參數(shù)根據(jù)資料類比選取，具體見表1。

表1 棄土場邊坡巖土體參數(shù)取值

3.3 計算工況與邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與地質(zhì)勘探資料，在勘察范圍內(nèi)未見地下水位，滲流計算不考慮地下水，只考慮降雨入滲。降雨入滲滲流計算則選取短時暴雨和連續(xù)降雨等類型進(jìn)行滲流計算[8]。因此，棄土場邊坡的穩(wěn)定性計算考慮4種工況，其中降雨工況考慮3種工況(表2)。

表2 滲流計算工況

(1) 正常工況：不考慮降雨的影響，同時為后續(xù)降雨條件下滲流計算分析提供初始滲流場。

(2) 降雨工況分3種情況：第1種是只考慮經(jīng)歷降雨后巖土體飽和，計算參數(shù)采用飽和狀態(tài)參數(shù)即采用總應(yīng)力抗剪強度參數(shù)，不形成暫態(tài)飽和地下水位；第2種是在正常工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行短時暴雨條件下邊坡滲流場計算，計算參數(shù)采用有效抗剪強度參數(shù)，并考慮基質(zhì)吸力影響；第3種是在正常工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)降雨對邊坡滲流場的影響，計算參數(shù)選用與第2種情況一樣。

棄土邊坡表面為降雨流量邊界，模型底面為零流量邊界，兩側(cè)地下水位以上為零流量邊界，地下水位以下為定水頭邊界。

3.4 邊坡降雨入滲數(shù)值模擬計算結(jié)果

采用GeoStudio軟件Seep模塊對棄土場邊坡在不同降雨條件下的飽和-非飽和滲流場進(jìn)行計算，得到不同降雨條件下棄土場邊坡的滲流場，見圖3、4，典型節(jié)點的孔隙水壓力隨時間的關(guān)系曲線見圖5、6。

圖3 短時暴雨條件下棄土場邊坡孔隙水壓力等值線圖(單位：kPa)

圖4 連續(xù)降雨條件下棄土場邊坡孔隙水壓力等值線圖(單位：kPa)

圖5 短暫暴雨條件下坡頂不同位置基質(zhì)吸力隨時間變化曲線

圖6 連續(xù)降雨條件下坡頂不同位置基質(zhì)吸力隨時間變化曲線

從圖3、5可以看出：短時暴雨時，棄土飽和滲透系數(shù)略小于降雨強度，降雨入滲使邊坡地表的基質(zhì)吸力先減小至0，并在表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，坡體內(nèi)一定深度范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力減??；在降雨結(jié)束后，邊坡地表的暫態(tài)飽和區(qū)消失，基質(zhì)吸力逐漸增大，而在覆蓋層頂面位置(坡頂以下15.6 m)一定范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力減小，覆蓋層底面位置(坡頂以下20.4 m)的基質(zhì)吸力幾乎不變。

從圖4、6可以看出：連續(xù)降雨時，棄土飽和滲透系數(shù)大于降雨強度，降雨能全部滲入坡體，坡體內(nèi)的基質(zhì)吸力減小，未能在地表形成暫態(tài)飽和區(qū)，覆蓋層頂面位置(坡頂以下15.6 m)一定范圍內(nèi)的基質(zhì)吸力減小到-5 kPa，土體接近于飽和狀態(tài)；降雨結(jié)束3 d后，邊坡表層基質(zhì)吸力逐漸增大，覆蓋層頂面位置的基質(zhì)吸力幾乎不變，而覆蓋層底面位置(坡頂以下20.4 m)基質(zhì)吸力緩慢增大。

4 降雨入滲對棄土場邊坡穩(wěn)定性影響

4.1 棄土邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

以棄土場邊坡降雨后的滲流場計算結(jié)果作為邊坡穩(wěn)定性計算的初始條件，利用GeoStudio軟件Slope模塊采用Bishop法對棄土場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，搜索到棄土場邊坡最小安全系數(shù)的滑動面，得到棄土邊坡安全系數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表3 不同降雨工況條件下邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

4.2 降雨入滲對棄土場邊坡穩(wěn)定性的影響

從表3可以看出：在正常工況條件下棄土邊坡的安全系數(shù)為1.806，明顯高于邊坡在降雨工況條件下的安全系數(shù)；若不考慮降雨過程，假定降雨后棄土完全飽和，此時邊坡的安全系數(shù)為1.281，低于短時暴雨和連續(xù)降雨條件下邊坡的安全系數(shù)。

若在短時暴雨條件下邊坡的安全系數(shù)為1.573；待降雨停止18 h后邊坡的安全系數(shù)為1.530，比降雨結(jié)束時邊坡安全系數(shù)略有減小。

若在連續(xù)降雨條件下邊坡的安全系數(shù)為1.448；待降雨停止3 d后邊坡的安全系數(shù)為1.519，相比降雨結(jié)束時邊坡的安全系數(shù)略有增大。

綜上可知：降雨對棄土場邊坡穩(wěn)定性的影響是顯著的，并且連續(xù)降雨條件下邊坡的安全系數(shù)要低于短時暴雨條件時的邊坡安全系數(shù)。采用假定巖土體飽和的方法來計算降雨工況條件下邊坡的安全系數(shù)相對考慮降雨入滲影響的結(jié)果是偏小的，對工程而言偏于安全，對于棄土場穩(wěn)定性評價可以采用這種假定方法來計算降雨條件下棄土場邊坡穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

以貴州省YK53+750右側(cè)40 m棄土場為例，采用非飽和滲流分析方法對不同降雨條件下棄土場邊坡的滲流場進(jìn)行了分析，并探討了降雨入滲對棄土邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 在短時暴雨條件下，棄土邊坡表層的基質(zhì)吸力減小，隨著降雨的持續(xù)，邊坡表面部分區(qū)域會形成暫態(tài)飽和區(qū)；但降雨停止后，棄土邊坡表面的暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消散，基質(zhì)吸力逐漸增大，而坡體內(nèi)基質(zhì)吸力先減小后緩慢增大，雨停后邊坡的安全系數(shù)略有減小。

(2) 在連續(xù)降雨條件下，降雨能全部滲入坡體，在降雨期間邊坡表面無暫態(tài)飽和區(qū)，入滲使得坡體內(nèi)的基質(zhì)吸力減小；但降雨結(jié)束3 d后，邊坡淺表層基質(zhì)吸力逐漸增大，坡體內(nèi)的基質(zhì)吸力也緩慢增大，邊坡的安全系數(shù)略有增加，但低于短時暴雨條件下邊坡的安全系數(shù)。

(3) 降雨入滲引起棄土邊坡的基質(zhì)吸力減小、棄土的抗剪強度參數(shù)降低，從而導(dǎo)致棄土邊坡的安全系數(shù)逐漸減小和邊坡穩(wěn)定性下降。由此可見，降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響顯著。

(4) 相對于采用滲流穩(wěn)定計算，采用假定巖土體全部飽和的方法來進(jìn)行降雨條件下棄土邊坡安全系數(shù)計算，得到的邊坡安全系數(shù)小于短時暴雨和連續(xù)降雨條件下的邊坡安全系數(shù)，結(jié)果相對偏于保守，相對工程而言偏于安全，可以采用這種假定方法來評價降雨條件下棄土場邊坡的穩(wěn)定性。