曹永宏

（濂溪區(qū)水利局，江西 九江 332001）

1 引言

文章采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及降雨實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合數(shù)值有限元開展研究，詳細(xì)地分析了不同工況下的降水條件對(duì)土體孔隙水壓和入滲規(guī)律，進(jìn)一步得到了邊坡的破壞特征。

2 工程概況及研究方法

2.1 工程概況

劉家垅水庫(kù)坐落于九江市濂溪區(qū)蓮花鎮(zhèn)譚畈村，大壩所處地理位置東經(jīng)116°01'45″，北緯29°39'15″，距九江市區(qū)8.70 km，屬長(zhǎng)江流域八里湖水系沙河支流，亞熱帶潮濕天氣亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季濕熱多雨，冬季風(fēng)寒天冷。年均氣溫16.90 °C；年平均相對(duì)濕度80%；年平均蒸發(fā)量為1195 mm；多年平均最大風(fēng)速15.0 m/s，風(fēng)向多為東北風(fēng)；年均降水量為1 412.40 mm，年日照時(shí)數(shù)1 939.70 h，年無霜期227-298 d。

劉家垅水庫(kù)總庫(kù)容41×104m3，工程等別為Ⅴ等，永久性主要建筑物為5級(jí)，次要建筑物屬5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇。水庫(kù)正常蓄水位103.00 m（黃海高程，下同），設(shè)計(jì)洪水位104.50 m（P=5%），校核洪水位105.20 m（P=0.50%），總庫(kù)容41×104 m3。（均為本次設(shè)計(jì)復(fù)核成果）設(shè)計(jì)灌溉面積67 hm2，實(shí)際灌溉面積60.30 hm2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、供水等綜合效益的?、菩退畮?kù)。所研究的水利邊坡位于水庫(kù)周邊，為三級(jí)高邊坡，邊坡高為30 m，坡度均約為45°，其中第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)邊坡高度分別為6、10和14 m。研究區(qū)地處溝谷區(qū)，強(qiáng)降水多集中于夏季，并可能進(jìn)一步導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)破壞。

2.2 研究方法

研究區(qū)春季少雨干旱，夏季多雨濕潤(rùn)，根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（1954-1990年），研究區(qū)1-6 月份占全年雨量的23.50%，7-9月份占全年雨量的62.40%。年降水量大于600 mm 以上時(shí)間占27. 90%，最大日降雨量可達(dá)97.50mm。與實(shí)際情況更為接近，文章根據(jù)研究區(qū)50 年降水情況和考慮近些年極端暴雨天氣，分別模擬計(jì)算不同降水強(qiáng)度下的雨水入滲規(guī)律以及邊坡在不同降水條件下的穩(wěn)定性，具體模擬工況如表1所示。

表1 邊坡計(jì)算工況表

文章采用PLAXIS將非飽和土滲流計(jì)算與應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行耦合，建立邊坡三維模型。數(shù)值模擬中關(guān)于土體計(jì)算參數(shù)和本構(gòu)模型見表2。

表2 土層計(jì)算參數(shù)表

模型邊界條件為：兩側(cè)法向約束，底部邊界全約束。模擬時(shí)，假定基質(zhì)吸力在水面以上一定范圍內(nèi)呈線性分布，為了與實(shí)際相結(jié)合，再向上則基質(zhì)吸力保持不變。

3 理論研究基礎(chǔ)

3.1 水土特征曲線

在飽和-非飽和滲流中，水土特征曲線通常用來確定土體的滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。該曲線一般通過Van Genuchgen確定：

式（1）（2）中：為孔隙氣壓力和孔隙水壓力分別用ua和uw表示；θr和θw分別代表殘余體積含水量和體積含水量；θs為飽和體積含水量；ψ和ks分別代表土體的基質(zhì)吸力和飽和滲透系數(shù)；m、n、α為待定參數(shù)；Sr和kr分別代表飽和度和相對(duì)滲透系數(shù)；其中素填土的滲透性函數(shù)與土水特征曲線如圖1所示。

圖1 素填土的滲透性函數(shù)和土水特征曲線圖

3.2 強(qiáng)度折減理論

采用目前比較成熟的強(qiáng)度折減理論進(jìn)行計(jì)算。強(qiáng)度折減理論的基本思想是通過降低土體的抗剪強(qiáng)度（如內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力）直至邊坡發(fā)生破壞為止。通常，安全系數(shù)定義為土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與破壞時(shí)抗剪強(qiáng)度的比值：

式中：cm為土體折減后的黏聚；φm土體折減后的內(nèi)摩擦角；c為土體折減前黏聚力；φ土體折減前的內(nèi)摩擦角；Fr為邊坡的安全系數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 不同降雨條件下孔隙水壓力的變化

圖2 得到了不同降水強(qiáng)度下降水入滲深度下邊坡負(fù)孔隙水壓力的變化規(guī)律，結(jié)果表明，不同工況下的負(fù)孔隙水水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律基本相同，但不同的降水強(qiáng)度在不同深度處的最大孔隙水壓了達(dá)到峰值所用的時(shí)間不同。在降水強(qiáng)度為50 mm下，表面達(dá)到最大孔隙水壓力需要1.10 d，而增大降水強(qiáng)度至100 mm時(shí)，僅需半天即可達(dá)到最大。在日降水強(qiáng)度分別為75 mm和100 mm 下，孔隙水壓力由負(fù)值變?yōu)檎?，即降水?qiáng)度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，邊坡可能出現(xiàn)暫態(tài)積水。此時(shí)土體體積含水率迅速增加，滲透系數(shù)同時(shí)也增大。此外，不同降水條件下土體的入滲規(guī)律表明，入滲速度隨降水強(qiáng)度的增大而增大。在降水50 mm 時(shí)，10 d 的降水影響深度為4 m，增大至100 mm 時(shí)，10 d 入滲深度達(dá)到10 m。這可表明，增大降雨強(qiáng)度會(huì)增加雨水入滲的深度。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下孔壓變化圖

4.2 相同降雨強(qiáng)度下孔隙水壓力分析

圖3 結(jié)果表明，降水強(qiáng)度不變時(shí)，雨水入滲土體的速率越來越小。在降水50 mm 時(shí)，雨水入滲1.00 m 所耗費(fèi)的時(shí)間為1.10 d，而入滲至2 m 時(shí)需耗費(fèi)2.20 d，入滲至3 m 時(shí)需要3.80 d?？梢婋S入滲深度增大，雨水入滲相同距離所需時(shí)間變長(zhǎng)。這主要是由于在雨水入滲過程中，一部分雨水會(huì)被土顆粒攔截阻擋，這會(huì)導(dǎo)致土體的負(fù)孔隙水壓力與未降水時(shí)不同。與此同時(shí)，隨著下滲量不斷減小，負(fù)孔隙水壓力增速變小。因此，相同降水強(qiáng)度條件下，雨水入滲相同的時(shí)間所耗費(fèi)的時(shí)間變長(zhǎng)。

4.3 不同降雨時(shí)間下邊坡的破壞分析

選取降水強(qiáng)度為100 mm下的邊坡破壞形式進(jìn)行分析，強(qiáng)度折減計(jì)算結(jié)果表明，降水發(fā)生的第一天，邊坡的破壞最開始發(fā)生于表面的下級(jí)，與此同時(shí)產(chǎn)生潛在滑動(dòng)面，隨著降水進(jìn)一步增加，變形逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，且滑面逐漸向上一級(jí)發(fā)展。至降水第3 d后，邊皮形成貫通滑裂面。降水停止后，隨著時(shí)間增加，雨水入滲深度進(jìn)一步增加，滑面仍然向深部擴(kuò)展，邊坡的破壞形式逐漸由淺層破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樯顚悠茐?。究其原因主要是在隨著降水持續(xù)進(jìn)行，邊坡土體含水率逐漸增大，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力下降，同時(shí)降低了土體的力學(xué)參數(shù)。隨著降水和時(shí)間的增大，逐漸形成貫通滑裂面。降水停止后，入滲深度進(jìn)一步增大，下滲土體基質(zhì)吸力錦衣降低，因此導(dǎo)致滑裂面向深處擴(kuò)展貫通。

4.4 邊坡穩(wěn)定性分析

圖3匯總得到采用強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系?？梢钥闯鲈诓煌战邓畻l件下，穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化規(guī)律基本相同，均是先減小后增大。相同降水工況下，雨水入滲導(dǎo)致邊坡土體基質(zhì)吸力降低，造成邊坡的穩(wěn)定性降低。在降水結(jié)束后，部分雨水通過土體孔隙排水，此時(shí)土體強(qiáng)度有所恢復(fù)，進(jìn)一步提高了邊坡穩(wěn)定性。以降水強(qiáng)度50 mm為例，日降水75 mm時(shí)邊坡的安全系數(shù)比日降水量50 mm減小幅度增大了12.30%。而日降水量100 mm時(shí)邊坡的安全系數(shù)比日降水量安全系數(shù)減小幅度增大了27.80%。因此，降水強(qiáng)度會(huì)大大影響邊坡安全系數(shù)。降水強(qiáng)度越大，安全系數(shù)減小越大。在降水階段，邊坡的破壞形式易發(fā)生淺表層破壞，當(dāng)降水結(jié)束后，隨雨水進(jìn)一步入滲，邊坡的潛在滑動(dòng)門進(jìn)一步向下發(fā)展，但邊坡安全系數(shù)有所增加?？梢娫诮邓A段內(nèi)淺層滑坡最容易發(fā)生。

圖3 天然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)變化圖

5 結(jié)論

降水強(qiáng)度與雨水入滲深度為非線性關(guān)系，一般強(qiáng)度越大，入滲速度和深度也越大。在距邊坡表面3～5 m 內(nèi)淺層土體的基質(zhì)吸力降低速度越快，最容易發(fā)生失穩(wěn)；降雨結(jié)束后，隨著土體內(nèi)的雨水被部分排水，邊坡表明的土體基質(zhì)吸力有所恢復(fù)，邊坡的穩(wěn)定性有所增大。

降水入滲主要影響土體的基質(zhì)吸力和強(qiáng)度參數(shù)，與之對(duì)應(yīng)的邊坡破壞形式主要是由淺層向深層逐漸擴(kuò)展貫通。此外，降水過程中邊坡失穩(wěn)的主要部位為表面土體，隨降水結(jié)束后，由于雨水下滲，滑動(dòng)面向下發(fā)展，但由于雨水排除導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性有所增加。