農業(yè)灌溉對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

陳巖

農業(yè)灌溉對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響

陳巖

長春建筑學院 土木工程學院, 吉林 長春 130000

依據內蒙古烏海市新星煤礦邊坡覆綠生態(tài)恢復工程的具體情況，建立了農業(yè)灌溉作用下黃土邊坡穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值計算模型，分析了灌溉作用下邊坡位移、塑性區(qū)的重點影響區(qū)域，研究了邊坡位移和塑性區(qū)隨灌溉時間的變化規(guī)律，討論了邊坡的整體穩(wěn)定性。研究結果表明：（1）邊坡位移隨著灌溉時間的增大而增大，最大位移位于坡頂以及坡面；（2）塑性區(qū)面積隨著灌溉時間的延長而逐漸增大，且向邊坡內部發(fā)展；（3）邊坡潛在的滑動面位置與農業(yè)灌溉作用無關，但農業(yè)灌溉作用會增大邊坡失穩(wěn)的可能性。

農業(yè)灌溉; 黃土邊坡; 位移; 塑性區(qū); 穩(wěn)定性

上世紀60年代開始，灌溉成為我國黃土高原農業(yè)的重要水力基礎建設[1]。而寧夏、陜西及其北部接壤的內蒙古是我國重要的煤炭產地[2]，其中內蒙古烏海市是以煤炭為主要經濟來源的城市，分布著眾多的露天煤礦[3]。露天煤礦不可避免的對地表生態(tài)壞境產生破壞[4]，因此，在露天采煤后進行邊坡覆綠生態(tài)恢復對于生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

烏海市年降水量不足160 mm，年蒸發(fā)量達到3500 mm[5]。邊坡覆綠生態(tài)恢復水源主要為人工灌溉[6]。然而，在人工灌溉過程中水滲入黃土地層表層，土體密度增大，抗剪強度明顯降低，易造成邊坡失穩(wěn)而引發(fā)滑坡、泥石流等災害[7-8]。因此，本文針對內蒙古烏海市新星煤礦邊坡的具體地質條件，建立黃土邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值計算模型，分析農業(yè)灌溉作用對黃土邊坡土體的位移、塑性區(qū)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，找出灌溉作用下黃土邊坡的薄弱區(qū)域。本文的研究成果可為黃土邊坡農業(yè)灌溉提供理論基礎。

1 工程概況與數(shù)值模擬模型

1.1 工程概況

內蒙古烏海市新星煤礦第4排排土場邊坡位于我國“兩屏三帶”內，目前已被納入邊坡覆綠生態(tài)恢復工程中。該邊坡坡高20 m，邊坡角度為39.5°，主要土層為均質黃土，地下水位位于坡腳以下，如圖1所示。對該區(qū)域內的黃土進行取樣，通過室內實驗測得其彈性模量為17.6 MPa，泊松比為0.3，干密度為13.1 kg/m3，干燥狀態(tài)下內聚力和內摩擦角為15.3 kPa和30.5°，飽和狀態(tài)下內聚力和內摩擦角則為8.3 kPa和21.1°，滲透系數(shù)則為5×10-4cm/s。

圖 1 新星煤礦第4排排土場邊坡示意圖

1.2 數(shù)值模擬模型建立

采用巖土工程通用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立新星煤礦第4排排土場邊坡模型并進行農業(yè)灌溉前的初始應力狀態(tài)計算，得到初始灌溉前邊坡土體的飽和度分布如圖2所示。模型靜力邊界條件設置為底面固定，四周法向約束，坡面以及坡頂自由；模型水力邊界條件則設置為在兩側水位線以下施加隨深度不斷增大的靜水壓力。當進行人工灌溉模擬時，對邊坡頂面施加0.75 m/d的補給水源邊界條件，并在灌溉過程中，對邊坡土體單元飽和度進行監(jiān)測，并根據監(jiān)測值對邊坡土體的內聚力、內摩擦角和滲透系數(shù)進行自動修正，修正公式如式(1)所示。

圖 2 初始狀態(tài)下排土場邊坡的飽和度分布圖

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 農業(yè)灌溉作用下邊坡土體位移的變化規(guī)律

當邊坡頂部灌溉強度為0.75 m/d、灌溉時間為10 h時，整個邊坡土體的位移云圖如圖3所示。由于一方面，農業(yè)土體在灌溉后，其飽和度增加，質量變大，導致坡頂以下土體產生壓縮變形；另一方面土體在灌溉后其內聚力和內摩擦角減小，使得其本身的承載能力變小，導致邊坡土體易向坡底產生滑動變形。因此當灌溉時間為10 h時，整個坡頂均產生了30 mm左右的沉降，而最大沉降位置則出現(xiàn)在距坡頂邊緣約12 m左右的位置，其值為30.6 mm；坡腳處土體因受上方邊坡的滑動擠壓影響而產生了一定的隆起，隆起值為13.7 mm。從整體上，整個邊坡土體均在灌溉作用下產生了沉降，而沉降值則從坡頂往下逐漸減小，至水位面位置時，邊坡土體仍保持有5~10 mm的沉降。由圖3(b)可知，由于受坡頂灌溉作用的影響，整個邊坡土體在距坡面約30 m的范圍內均向坡外產生了一定的水平位移，而且該位移是越靠近坡腳越大，至坡腳位置時，其值達到了25.1 mm。這說明，灌溉作用對坡頂以及坡面位置土體位移的影響最大，為保證邊坡土體在灌溉作用下的安全穩(wěn)定，必要時應對坡腳進行壓載或加固處理。

(a) 豎向位移 Vertical displacement (b) 水平位移 Horizontal displacement

圖4給出了不同灌溉時間下邊坡土體的位移分布曲線。可以看出，當灌溉時間為2 h時，邊坡頂部土體開始發(fā)生沉降，沉降值在距坡頂邊緣最遠處最大，約為5 mm；隨著灌溉時間的延長，坡頂水流逐步下滲，導致邊坡頂部各處沉降值均逐漸增大且增大速度約為3 mm/h；當灌溉時間為10 h時，邊坡頂部平均沉降達到30 mm，但此時距坡頂邊緣約12 m的地表卻由于邊坡體的滑動開始出現(xiàn)迅速增長的征兆。而坡面土體位移則在灌溉2 h內，由于土體淺層飽和度的增加，致使邊坡內部出現(xiàn)內力不均勻分布并逐漸向坡腳處傳遞，導致坡面土體發(fā)生較大的水平位移，尤其是坡腳位置處；隨著灌溉時間的增長，坡面土體水平位移也逐漸增長，但增大的速率是越靠近坡腳越大，這說明，灌溉時間越長，邊坡越不穩(wěn)定，且最先從坡腳處開始失穩(wěn)破壞。

(a) 坡頂?shù)乇?The earth’s surface (b) 坡面 Slope

2.2 灌溉作用下邊坡土體塑性區(qū)的變化規(guī)律

不同灌溉時間下邊坡土體的塑性區(qū)變化云圖如圖5所示，圖中深色表示已發(fā)生塑性屈服，淺色則表示未屈服。當灌溉時間為2 h時，由于坡頂處土體飽和度變化，導致土體內不均勻應力向坡腳處轉移，因此，灌溉作用下坡腳處土體和坡頂處中部土體首先出現(xiàn)塑性區(qū)。隨著灌溉時間的延長，坡頂處水流逐漸下滲，坡內土體不均勻應力也逐漸增大，導致邊坡內部在坡腳與坡頂中部連線的位置開始出現(xiàn)塑性區(qū)并逐漸向坡腳處擴展匯聚。當灌溉時間為10 h時，邊坡內部土體在坡頂中部與坡腳之間產生的塑性區(qū)基本上已經貫通成型，這為邊坡土體的滑動直接創(chuàng)造了有利條件，此時邊坡處于一個極易發(fā)生失穩(wěn)的狀態(tài)。

(a) 2 h (b) 4 h

(c) 6 h (d) 8 h

(e) 10 h

2.3 灌溉作用對邊坡整體穩(wěn)定性的影響分析

圖6是灌溉前后邊坡土體潛在滑動面的分布圖。由圖可以看出，灌溉后與灌溉前邊坡土體潛在滑動面的位置基本一致，都是從坡頂距坡頂邊緣約12 m左右的位置開始以一個“勺子狀”的橢圓面向坡腳處發(fā)生滑動。這也說明，邊坡潛在的滑動面位置只與邊坡角度以及土體本身的力學性質有關，而與灌溉作用無關；灌溉作用只是增加了邊坡土體沿著該滑動面發(fā)生失穩(wěn)破壞的幾率。由圖7不同灌溉時間下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線可知，當灌溉時間由0 h增長至10 h時，邊坡土體的整體穩(wěn)定系數(shù)由初始狀態(tài)下的1.17降至了1.07，這意味著，如灌溉時間繼續(xù)增長，則邊坡土體必然會在某個時間點上發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(a) 灌溉前 Before irrigation （b）灌溉10 h后 Irrigation after 10 h

圖 7 不同灌溉時間下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線

3 結論

（1）在農業(yè)灌溉作用下，邊坡位移隨著灌溉時間的增大而增大；最大位移位于坡頂以及坡面位置，為保證邊坡土體在灌溉作用下的安全穩(wěn)定，應對坡腳進行壓載或加固處理；

（2）農業(yè)灌溉作用下坡腳處土體和坡頂處中部土體首先出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著灌溉時間的延長，塑性區(qū)面積逐漸增大，且逐漸向邊坡內部發(fā)展；

（3）邊坡潛在的滑動面位置只與邊坡角度以及土體本身的力學性質有關，而與灌溉作用無關；農業(yè)灌溉作用只是增加了邊坡土體沿著該滑動面發(fā)生失穩(wěn)破壞的幾率。

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Influence of an Agricultural Irrigation on the Stability of Loess Slope

CHEN Yan

130607,

According to slope green ecological restoration engineering of Xinxing coal mine, Wuhai city, Inner Mongolia. FLAC3Dnumerical calculation model of the loess slope stability is established under the action of irrigation. The key areas of slope displacement and plastic zone are analyzed under the action of irrigation. The slope displacement and plastic zone changing rule with the irrigation time are studied. The whole slope stability evaluation is completed. The results show that :(1) The slope displacement increases with the increase of irrigation time, and the maximum displacement is located at the top of the slope and the slope surface. (2) The plastic zone area gradually increases with the extension of irrigation time, and develops to the interior of the slope. (3) The potential sliding surface position of the slope has nothing to do with the irrigation effect, but the irrigation effect will increase the possibility of slope instability.

Agricultural irrigation; loess slope; displacement; plastic zone; stability

S275TU444

A

1000-2324(2019)04-0571-04

2018-08-05

2018-09-12

吉林省教育廳課題:碳纖維加熱線混凝土在路面除冰中的技術研究(吉教科合字[2016]第540號)

陳巖(1981-),女,碩士,吉副教授,主要研究方向為結構工程、農業(yè)地質環(huán)境. E-mail:chenyan810715@163.com