邊坡軟式透水管在不同淤塞度下的排水效應(yīng)數(shù)值模擬

呂 捷，樊秀峰,2，黃 鑫

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350108；2.國土資源部 丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室， 福建 福州 350108)

邊坡工程的失穩(wěn)滑塌作為全球性三大地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重危及到國家財產(chǎn)和人們的生命安全[1-2]。降雨引起的邊坡體后緣積水及坡體中地下水的變化情況是影響邊坡穩(wěn)定的一個重要因素[3-4]。地下水除自身對邊坡產(chǎn)生作用外，還削弱組成邊坡的巖土材料的物理力學(xué)性質(zhì)[5-7]。在各種邊坡變形破壞的影響因素中，降雨引起的坡體中地下水位的上升和滲流作用的變化，往往是引發(fā)滑坡的直接原因，也是最復(fù)雜和變化最頻繁的影響因素[8]。地下排水系統(tǒng)作為邊坡工程的重要組成部分，具有及時排出和疏干坡體內(nèi)的地下水[9]、增強邊坡巖土體抗剪強度的能力，對保持邊坡穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用[10]。地下排水系統(tǒng)中的深層軟式透水管，具有過濾、排水、抗壓和耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于近年來邊坡工程的地下排水措施中[11-14]，但在土質(zhì)邊坡中，深層軟式透水管的淤塞問題，導(dǎo)致其排水效果明顯減弱[15]。從已有的研究結(jié)果可知，含細(xì)粒較多的土坡中由于細(xì)顆粒物質(zhì)在管壁的沉積，使其排水量在6個月內(nèi)大幅減弱[16],已服役11年的透水管，由于淤塞其排水量已經(jīng)減小為原來的15%。然而目前的理論研究中對于邊坡長期運營過程中排水系統(tǒng)的發(fā)展演化、淤塞乃至失效過程未給予足夠的重視，而透水管淤塞的發(fā)生與排泄速度有著密切的關(guān)聯(lián)。本文將針對具體室內(nèi)花崗巖殘積土坡[17-18]模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析軟式透水管在不同淤塞程度下排水效應(yīng)及其對邊坡滲流場的影響。

1 試驗?zāi)Ｐ团c監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.1 試驗?zāi)Ｐ拖涞慕M成

本文所模擬的試驗?zāi)Ｐ拖渲饕伤膫€部分組成，分別是模型箱主體、集水池、水頭控制箱和供水箱(如圖1所示)。模型箱主體尺寸為2.5 m×1.0 m×1.0 m，后緣水頭設(shè)置為0.6 m，試驗過程設(shè)計實現(xiàn)水流自循環(huán)流動。

1.2 邊坡模型設(shè)計

邊坡模型用土取自福州某工地典型殘積土坡，經(jīng)室內(nèi)顆粒分析試驗測定分類，將其定名為花崗巖殘積粉質(zhì)黏土。邊坡主體坡高0.9 m，坡頂0.8 m，坡率為1∶1，坡前0.5 m。

圖1 邊坡模型箱

1.3 軟式透水管及監(jiān)測元件布置

邊坡填筑成型后采用洛陽鏟，進(jìn)行軟式透水管及孔隙水壓力計的成孔及埋設(shè)，本次試驗共布置4根軟式透水管和4個孔隙水壓力計。軟式透水管設(shè)置于坡腳以上0.2 m處，管長為1 m，直徑0.05 m，間距0.2 m，傾角為5°(編號為模型正視從左至右)，埋設(shè)時對進(jìn)水口用紗網(wǎng)進(jìn)行多層保護(hù)，防止細(xì)顆粒堵塞進(jìn)水口。同時外接PVC管引流到坡前的燒杯中，以便定時監(jiān)測軟式透水管的排泄量(如圖2所示)。埋設(shè)完畢后，為避免出水口附近坡面土體發(fā)生破壞，在坡面及坡腳前緣鋪設(shè)水泥砂漿護(hù)壁，后期放置磚塊進(jìn)行反壓。同時，設(shè)置4只孔隙水壓力計分別安置于4根軟式透水管上方即浸潤線處，每天固定時間測定坡體內(nèi)部孔壓值，見圖3。

圖2 邊坡模型正視圖

(a) 剖面圖 (b) 側(cè)面圖

1.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)頻傳透水管淤塞度評價方法。試驗過程中對不同使用周期的軟式透水管進(jìn)行開挖，通過測量軟式透水管表面附著細(xì)顆粒的質(zhì)量增加量以及評估透水管表面土工織物被細(xì)顆粒淤塞面積百分比含量兩個指標(biāo)作為軟式透水管淤塞程度的評價標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)測定透水管淤塞度在使用28 d與42 d后分別達(dá)到10%與20%。

(2) 邊坡孔隙水壓力與透水管流量監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)實驗期間的孔隙水壓力計的監(jiān)測結(jié)果，隨著淤塞程度的逐漸增加，邊坡滲流場(1-1剖面，即管1所在位置)的孔隙水壓力值的變化如圖4所示；邊坡滲流場(1-1剖面，即管1所在位置)的排泄量的變化如圖5所示。由圖4、圖5可以看出：由于透水管淤塞程度未達(dá)到其失效狀態(tài)，透水管仍可發(fā)揮排水作用，邊坡孔隙水壓力值隨著排水過程的進(jìn)行繼續(xù)減小，但隨著透水管淤塞度的增加，透水管壁的滲水面積減小，造成透水管總排泄量逐漸減小。

圖4 管1所在剖面的孔隙水壓力監(jiān)測值

圖5 管1排泄量

以實驗過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為依據(jù)來驗證PLAXIS 3D的數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文主要運用PLAXIS 3D來模擬并分析在淤塞形成過程中的邊坡孔隙水壓力值與軟式透水管的排泄量變化情況，同時模擬并預(yù)測邊坡的變形量。

2 計算模型的建立

2.1 軟式透水管的建立

根據(jù)胡靜提出的“空氣單元法”，可將透水管視為一種滲透性很大的特殊介質(zhì)，即可用一定的滲透系數(shù)來表征排水孔特殊的導(dǎo)水性能，在數(shù)值模擬中可當(dāng)做一實體單元來進(jìn)行滲流計算。“空氣單元法”無需給定排水孔邊界條件，直接由計算確定水頭分布，其實質(zhì)是把排水孔單元比作一滲透介質(zhì)并賦予一定的滲透系數(shù)。滲透系數(shù)的取值，不僅取決于透水管自身滲透系數(shù)的大小，還取決于透水管滲透系數(shù)和周邊介質(zhì)的滲透系數(shù)的比值R[15]。本文結(jié)合前人的試驗數(shù)據(jù)資料[19]，將R值設(shè)置為10。

2.2 PLAXIS 3D模型的建立

2.2.1 土體建模

根據(jù)實際邊坡模型，利用PLAXIS 3D有限元軟件通過創(chuàng)建鉆孔并賦予相應(yīng)的土層厚度和材料屬性，來實現(xiàn)邊坡土體的建模，如圖6所示。

圖6 邊坡土體模型的建立

2.2.2 其他結(jié)構(gòu)物建模

本文對物理試驗中所用的軟式透水管的模擬，是用滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于土體的實心圓柱來實現(xiàn)，透水管的空間幾何形狀為直徑0.05 m，長度為1 m的圓柱體。透水管下方坡面及坡腳處的水泥護(hù)壁的模擬，通過建立不透水滲流邊界來實現(xiàn)。坡面及坡腳處反壓的磚塊的模擬，通過創(chuàng)建大小為0.5 kN/m2豎向面荷載來實現(xiàn)。后緣水頭邊界，通過建立地下水滲流邊界來實現(xiàn)，如圖7所示。

2.2.3 參數(shù)的選取

花崗巖殘積粉質(zhì)黏土的材料模型選取摩爾-庫侖模型，該模型是一個理想彈塑性模型，破壞判定標(biāo)準(zhǔn)采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，可在一定程度上描述巖土材料的特性，且參數(shù)易于獲取，在巖土工程中有著廣泛的應(yīng)用。該模型所需要的5個參數(shù)分別為彈性模量E、泊松比v、黏聚力c、有效摩擦角φ和剪脹角ψ，泊松比取經(jīng)驗值，其他四個參數(shù)通過三軸實驗取得。

圖7 結(jié)構(gòu)物模型的建立

軟式透水管由于土工織物內(nèi)部有一圈彈簧，具有較大的抗壓能力，故將其視為線彈性模型，其彈性模量和泊松比均取自供應(yīng)商提供的性能指標(biāo)。殘積土與透水管基本參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型材料主要參數(shù)

本文利用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行計算時，對實際試驗的邊坡模型通水28 d和42 d后，土體中的滲流通道發(fā)育，細(xì)顆粒粒物質(zhì)流失，土體的滲透系數(shù)增大，取坡體中的土做變水頭滲流實驗，得到滲透系數(shù)分別增大0.17倍和0.25倍；在通水的情況下，土體中的細(xì)顆粒物質(zhì)及綠藻類生物在透水管外層的土工布上覆蓋，造成透水管滲透系數(shù)的減少，從而使排水能力減弱。根據(jù)淤塞面積百分法測定淤塞度，取透水管的滲透系數(shù)減少5%和10%來作為通水28 d和42 d后的滲透系數(shù)。未發(fā)生淤塞時土體及透水管材料參數(shù)以及變化后的土體及透水管材料的參數(shù)如表2所示。

表2 透水管淤塞不同程度時的計算模型材料參數(shù)

3 室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ陀嬎憬Y(jié)果

3.1 淤塞未形成時透水管工作時的排水效應(yīng)

取后緣水位為60 cm時，邊坡埋設(shè)一排的透水管進(jìn)行排水時，取軟式透水管1所在的剖面1-1，分析其孔隙水壓力、滲流量和邊坡變形量，研究邊坡埋設(shè)單排軟式透水管時的排水效應(yīng)，見圖8(PLAXIS 3D軟件中默認(rèn)壓力為負(fù)值，拉力為正值)。

圖8 透水管未淤塞時邊坡孔壓分布曲線、流量云圖、邊坡變形量云圖

由圖8可知，當(dāng)透水管開始服役，淤塞還未形成時，孔壓值較大，與實際測到的孔隙壓力值較為接近。此時，邊坡排泄量大，地下水位降低也較大。透水管整體的排泄量也較大，即總排泄量達(dá)到0.035 m3；同時可以從圖上看出，在透水管接近出水口的位置，地下水的滲流量最大，滲流量隨著軟式透水管累積透水面積的增長而逐漸增加。邊坡位移量從坡體內(nèi)部逐漸向坡面發(fā)展演化，在透水管上方的坡面處位移變形量最大；模擬得到軟式透水管1-1所在的剖面處，坡體的最大變形量為0.604 5×10-3m。邊坡的變形量小于1 mm，此時位移量較小，表明透水管正常發(fā)揮其排水功能，地下水位有效降低，暫時不會對邊坡穩(wěn)定性造成威脅。

3.2 淤塞達(dá)到10%時透水管工作時的排水效應(yīng)

取后緣水位為60 cm，邊坡埋設(shè)單排透水管進(jìn)行排水時，取軟式透水管所在的剖面1-1，分析其孔隙水壓力、滲流量和邊坡變形量，研究邊坡埋設(shè)單排軟式透水管時的排水效應(yīng)，見圖9。

圖9 透水管淤塞10%時邊坡孔壓分布曲線、流量云圖、邊坡變形量云圖

由圖9可以看出，當(dāng)透水管淤塞度達(dá)到10%后，孔壓相比未淤塞時有所下降，這是由于透水管外層土工布空隙被細(xì)顆粒和藻類所覆蓋,導(dǎo)致其導(dǎo)水能力降低，所以地下水位下降程度小于未淤塞時的透水管工況，孔壓也有所降低。透水管的最大排水量明顯降低，透水管整體的排泄量也有一定程度的下降。同樣，在透水管接近出水口的位置，地下水的滲流量最大，滲流量隨著軟式透水管累積透水面積的增長而逐漸增加。計算得到的軟式透水管所在的1-1剖面的邊坡最大變形量為0.59×10-3m，相比未淤塞時的變形量有所降低。同樣地，在淤塞達(dá)到10%后的工況下，邊坡位移量從坡體內(nèi)部逐漸向坡面發(fā)展演化，且最大變形量位置位于軟式透水管的出水口處上方坡面處。

3.3 淤塞達(dá)到20%時透水管工作時的排水效應(yīng)

取后緣水位為60 cm，邊坡埋設(shè)單排透水管進(jìn)行排水，當(dāng)軟式透水管服役了近1.5個月，表面土工織物淤塞面積達(dá)到了20%，取軟式透水管所在剖面1-1，分析其孔隙水壓力、滲流量和邊坡變形量，研究邊坡埋設(shè)一排軟式透水管時的排水效應(yīng)，見圖10。

圖10 透水管淤塞20%時邊坡孔壓分布曲線、流量云圖、邊坡變形量云圖

由圖10可知，當(dāng)淤塞程度達(dá)到20%時，地下水滲流的最大值略有增加，這是由于隨著淤塞度的增大，細(xì)顆粒逐漸被帶走或覆蓋在透水管外層的土工布上，只剩粗顆粒骨架，形成了滲流通道，導(dǎo)致邊坡某處的滲流量較大；但總滲流量較淤塞度為10%時下降了14%，邊坡整體的排泄量下降，在透水管出水口的位置排泄量最大。另一方面，坡體孔壓值仍在下降，計算得到的軟式透水管所在的1-1剖面的邊坡最大變形量為0.59×10-3m，與淤塞度為10%時的邊坡變形量相近。

3.4 綜合分析

運用PLAXIS 3D數(shù)值模擬所得的孔隙水壓力和透水管淤塞程度的關(guān)系可以看出隨著透水管淤塞程度的增加，邊坡坡體的孔隙水壓力逐漸減小。由于淤塞程度不大，透水管壁未完全被淤塞物覆蓋，仍可有效發(fā)揮其排水功能，邊坡內(nèi)的水體繼續(xù)向管內(nèi)滲流并排泄，因此坡體內(nèi)孔壓值隨排水的進(jìn)行逐漸減小，該模擬結(jié)果與實驗監(jiān)測所得數(shù)據(jù)大致接近(如圖4所示)。

透水管的總排泄量隨著透水管淤塞程度的增加而減少，這是由于土體內(nèi)的細(xì)顆粒物質(zhì)在透水管表面附著，導(dǎo)致透水管的導(dǎo)水能力下降，因此透水管在淤塞開始形成至淤塞度達(dá)到10%時，排泄量大幅下降，而后隨著淤塞度增加，總排泄量減少的幅度有所下降，但排泄量大體是呈下降趨勢。該模擬結(jié)果與實驗監(jiān)測所得數(shù)據(jù)大體接近(如圖5所示)。

隨著透水管淤塞程度的增加，邊坡變形量的變化不大。這是由于室內(nèi)邊坡模型尺寸較小，坡體兩邊有約束，透水管埋設(shè)的坡面有水泥砂漿封堵(模型中的面荷載)所以在試驗過程中邊坡變形量基本不變，均小于1 mm。

4 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)模型邊坡試驗，運用PLAXIS 3D有限元軟件，對埋設(shè)有軟式透水管的花崗巖殘積砂質(zhì)黏土邊坡進(jìn)行不同淤塞程度下的排水效應(yīng)研究，所得結(jié)果如下：

(1) 滲流量隨著軟式透水管累積透水面積的增長而逐漸增加，透水管出水口的流量最大。隨著透水管淤塞程度的增加，透水管的導(dǎo)水能力逐漸降低，即邊坡坡體與透水管的總滲流量逐漸減少。

(2) 邊坡變形量從坡體內(nèi)部逐漸向坡面發(fā)展演化，在透水管上方的坡面處位移變形量最大。隨透水管淤塞程度的增加，三種工況下的邊坡變形量均小于1 mm，邊坡內(nèi)部滲流場的孔隙水壓力值有所降低。

總之,透水管在較小程度的淤塞情況下仍可發(fā)揮部分排水功能，地下水位有效降低，坡體不會產(chǎn)生較大位移量。