譚超文

(廣東益鑫源工程建設管理咨詢有限公司,廣東 江門 529000 )

1 概述

灌區(qū)是我國農業(yè)工程建設中重要區(qū)域,是水利工程中關鍵建設項目之一。灌區(qū)運行的穩(wěn)定與否直接關系著周邊地區(qū)的正常供水、灌溉效益[1-4]。然而,部分灌區(qū)氣候變化頻繁,邊坡坡度較大,導致一些灌區(qū)多處渠道邊坡發(fā)生滑塌、失穩(wěn)及損毀等現象,因此做好灌區(qū)坡道防護工程,對于我國區(qū)域農業(yè)建設和發(fā)展至關重要[5]。當前國內外學者主要采用室內試驗和現場施工方法對灌區(qū)邊坡進行研究分析。

羅龍等[6]以向家壩灌區(qū)工程南總干渠出口邊坡為例,通過研究實地勘測資料,針對隧洞出口邊坡貫通前后防護側重點,研究了洞內向外的管棚施工貫通法;哈仙[7]對供水期進行邊坡防護施工時所運用的土工模袋技術進行了研究,并運用到時實際工程中加以分析;代元鋒[8]結合遵義灌區(qū)水泊渡泵站后邊坡的處理現狀,在既有的處理基礎上進行了設計的優(yōu)化探討;田淼等[9]以漳河水庫灌區(qū)為例,分析總結渠道混凝土襯砌施工工藝流程、操作要點、施工特點;鐘一楨[10]以青年運河改造工程為例,采用水下模袋混凝土代替了鋼板樁圍堰干地施工的方案,并提出模袋混凝土的施工工藝;姚守俊[11]從黃山市豐樂灌區(qū)北干渠四切嶺的地層及巖性特征以及地質構造特征等方面入手,分析邊坡失穩(wěn)的成因及特征,提出了不同地質條件下切嶺工程失穩(wěn)的防治措施。

本文所研究的灌區(qū)邊坡,其破壞形式是典型的降雨誘發(fā)的坍塌破壞,因此主要探討了不同降雨強度下邊坡的破壞形式。首先通過有限元軟件建立了2維邊坡模型,結合滲流破壞本構模型研究了5種不同降雨強度下,邊坡的孔隙水壓力、安全系數和臨界破壞面,最后分析了適用于該工況的邊坡加固方式,研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

本次研究的灌區(qū)邊坡位于廣東省,灌區(qū)設計灌溉面積7.32萬畝,經過長期水利工程建設及土壤改良,主要骨干灌排體系已基本形成,土壤質地優(yōu)良,適宜農作物生長。由于灌區(qū)限于當時社會經濟發(fā)展水平,原建設標準偏低,造成現狀水利工程配套不完善,以小型邊坡垮塌尤為突出。本次研究的灌區(qū)邊坡主要組成部分為黏土礦物,包括蒙脫石、伊利石等,碎屑礦物主要有石英與長石,其次含有少量方解石。室內試驗測得其密度為1.83 g/m3,干密度1.38 g/m3,含水率25%,塑限含水率24%,液限含水率46%。由于受雨水沖刷,邊坡塌方較明顯,山體長時間受雨水侵蝕,邊坡應力分布發(fā)生較大變化,需要進行加固研究。

3 數值模型及荷載條件

本次建立的數值模型如圖1所示。采用有限元法進行滲流分析,模型高度D=20 m,H=10 m,平臺x1長度為30 m,坡底長度為90 m,坡角為41°。模型土體為含水量為80%的非飽和均質粘土層,計算時土壤處于非飽和狀態(tài),需要輸入體積含水量和滲透率函數的性質,形成吸力。對于降雨分析邊界條件,除坡面和坡頂外其他邊界均為零總通量,表示沒有水流過邊界,降雨強度分別為10 mm/h、30 mm/h、50 mm/h、100 mm/h、200 mm/h,最長降雨時長為24 h。在整個分析過程中,地表孔隙水壓力將保持為零,以避免在瞬態(tài)分析中降雨時出現任何積水。

圖1 邊坡模型尺寸

本次采用的數值方法的優(yōu)勢在于在滲透分析過程中結合了非飽和水力特性、復雜幾何結構、初始和邊界條件以及水文條件。分析時土體被離散成三角形節(jié)點單元,瞬態(tài)滲流的有限元公式是通過單元的空間離散化和應用加權殘差的Galerkin原理而開發(fā)的,同時滿足節(jié)點兼容性,確保了單元共享的每個節(jié)點具有相同的水頭。對于邊坡穩(wěn)定性,采用強度折減法進行計算,該方法最早由zienkiewicz等人提出,后被廣泛采用。其原理是將土體的2個摩爾庫倫參數(粘聚力c和內摩擦角φ)同時除以一個系數Fr進行折減,分別得到折減后的c′ 和 φ′,然后,再將折減后的c′ 和 φ′ 代入有限元進行試算。當計算至邊坡達到極限狀態(tài)時,對應的Fr即為邊坡的穩(wěn)定安全系數。其計算式為:

(1)

φm=tan-1(tanφ/Fr)

(2)

式中:c和φ是材料所能夠提供的最大黏聚力和內摩擦角;cm和φm是材料實際發(fā)揮的黏聚力和內摩擦角;Fr為折減系數。

4 數值結果分析

圖2給出了降雨入滲24 h和48 h后,不同降雨強度下監(jiān)測斷面的孔隙水壓力分布。由圖可知,當降雨時長為24 h時,在10 mm/h的降雨強度下,邊坡最大吸力為37 kpa,為負壓,而在所有其他降雨強度下,邊坡具有明顯的飽和特征,在整個邊坡斷面均存在正孔隙壓力。而當降雨時長為48 h時,邊坡斷面孔隙水壓力具有明顯的靜水壓力特征,不同降雨強度下邊坡孔隙水壓力隨邊坡深度成線性相關。在10 mm/h降雨強度下,最大孔隙水壓力為57 kPa,而其他強度下觀察到35 kPa的土壤吸力。

圖2 24 h和48 h不同降雨強度下監(jiān)測斷面的孔隙水壓力分布

圖3給出了不同降雨強度下邊坡安全系數隨時間的變化。由圖可知,總體上邊坡安全系數隨降雨時間的增大而降低,在降雨24 h達到最低,下降率取決于降雨強度的大小。當降雨強度為10 mm/h,邊坡的穩(wěn)定性未發(fā)生較大變化,安全系數穩(wěn)定在2.4左右;當降雨強度為30 mm/h,邊坡安全系數在24 h時降低至1.6,48 h增大至1.8;當降雨強度為50 mm/h,邊坡安全系數在24 h時降低至1.5,48 h增大至1.7;當降雨強度為50 mm/h、100 mm/h和150 mm/h時,邊坡穩(wěn)定性變化趨勢相近,降雨24 h后的最小安全系數為1.45,隨著降雨的停止,邊坡迅速恢復了安全系數。降雨強度為50、100和200 mm/h時,邊坡的最小安全系數相似, 50 mm/h為降雨閾值強度,超過該閾值對邊坡的最小安全系數沒有影響,因為已達到邊坡最大滲透能力。降雨導致的斜坡穩(wěn)定性降低可以歸因于降雨強度的增加而導致的水位升高。根據計算結果,隨著降雨強度的增加,水位逐漸升高,當降雨強度大于10 mm/h時,地下水位上升并接近斜坡表面,同時減小了土體的抗剪強度和基質吸力,從而使邊坡更加容易產生下滑的趨勢。

圖4給出了降雨48 h后不同降雨強度下的邊坡臨界滑動面。24 h后降雨停止,導致水位下降,吸力增加,所有的滑動表面都有一個基本的破壞機制,即降雨強度低于10 mm/h時,邊坡破壞面位于最深層。值得一提的是,降雨入滲24 h后邊坡最深層破壞面仍然出現在10 mm/h的降雨強度中,據觀察,降雨強度50 mm/、100 mm/h和200 mm/h對邊坡破壞面的影響非常相似,即降雨強度超過50 mm/h對均質邊坡的穩(wěn)定性沒有任何顯著影響。

圖3 安全系數隨降雨強度的變化

圖4 降雨48 h后不同降雨強度下的邊坡臨界滑動面

5 邊坡加固分析

通過對現場邊坡破壞形式和數值模擬結果得出,本次研究區(qū)域的邊坡破壞主要是降雨引發(fā)的土壤滲透流失破壞,建議土工格柵加固更適合當前工程概況。在加固斜坡時,將輕度至中度硬度的土工合成織物水平嵌入斜坡一定距離,形成緊密分布的網格。該網絡層可為邊坡表面提供較好的穩(wěn)定性,以保護其免受淺平面破壞的影響。土工織布加固邊坡時首先在加固時去除不合格的材料和碎屑,根據施工圖確定單個土坑標高,以階梯方式挖掘或填充并壓實合適的墊層材料至所需標高。然后,根據施工圖放置鋼筋,確定鋼筋嵌入、標高和方向。確保土工合成材料加固沒有皺紋和褶皺,并使用土釘拉動,禁止沿與坡面平行的方向拼接,在放置下一層鋼筋、鋼絲模板和填充物之前,確保填充物按照施工圖所示進行壓實。

6 結語

本文主要探討了不同降雨強度下灌區(qū)邊坡的破壞形式。首先通過有限元軟件建立了2維邊坡模型,結合滲流破壞本構模型研究了5種不同降雨強度下,邊坡的孔隙水壓力、安全系數和臨界破壞面,最后分析了適用于該工況的邊坡加固方式。研究成果表明,當降雨時長為24 h時,在10 mm/h的降雨強度下,邊坡最大吸力為37 kpa,為負壓,而在所有其他降雨強度下,邊坡具有明顯的飽和特征,在整個邊坡斷面均存在正孔隙壓力。而當降雨時長為48 h時,邊坡斷面孔隙水壓力具有明顯的靜水壓力特征,不同降雨強度下邊坡孔隙水壓力隨邊坡深度成線性相關。此外,總體上邊坡安全系數隨降雨時間的增大而降低,在降雨24 h達到最低,下降率取決于降雨強度的大小,50 mm/h為降雨閾值強度,超過該閾值對邊坡的最小安全系數沒有影響。