不同土質棄渣場穩定受降雨影響分析

韓國盛， 王 超

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，隨著眾多大型基建工程的施工，施工過程中產生大量棄土，棄渣場的邊坡穩定問題時有發生，雨季棄渣場邊坡穩定問題尤為突出。降雨對邊坡穩定的影響機制有很多，如降雨入滲，會導致棄渣場內部孔隙水壓力增大，土體有效應力指標降低，抗剪強度降低；降雨入滲，會對棄渣場內部裂隙產生劈裂作用，使裂隙進一步擴大，破壞邊坡完整性[1]；降雨入滲，還會導致土體內含水率增加，邊坡土體容重增加，棄渣場邊坡的穩定性也會降低。近年來，隨著對非飽 和滲流研究的深入，對于雨水入滲對邊坡穩定的影響機制有了更深一層的認識，人們認識到降雨入滲將導致土體內基質吸力的喪失，進而影響土體的抗剪強度指標。學者們開始嘗試使用土水特征曲線來模擬土體內體積含水率與基質吸力之間的關系，進而研究非飽和土滲流問題。本文使用Fredlund&Xing模型擬合砂土、粉質黏土及黏土的土水特征曲線，進一步研究三種土質棄渣場在降雨作用下水力特性及穩定性變化規律。

1 非飽和土滲流理論

非飽和土中體積含水量分布受土的應力歷史、顆粒尺寸、級配及黏粒含量等因素影響[2]。由非飽和土的土水特征曲線可以確定非飽和土基質吸力與體積含水量之間關系，然后根據非飽和土抗剪強度理論，可確定非飽和邊坡穩定性。

1.1 非飽和土的土-水特征曲線

本文借助Fredlund&Xing模型擬合砂土、粉質黏土及黏土的土水特征曲線，其表達式為[3]：

(1)

式中：θw為體積含水率；Cφ為修正參數，本文中取1；θs為飽和體積含水率；a為進氣值；m為控制殘余含水量；n為基質吸力大于進氣值后，水流出孔隙的速率；e為自然對數。

滲透系數變化曲線借用如下公式擬合[3]：

kw=ksSl

(2)

式中：kw為非飽和土滲透系數；ks為飽和土滲透系數；S為非飽和體積含水量與飽和體積含水量比值；l為擬合參數。

1.2 非飽和邊坡抗剪強度理論

本文在對非飽和邊坡進行穩定計算時采用簡化Bishop法，抗剪強度公式采用Fredlund提出的非飽和土抗剪強度公式，其表達式如下所示[4]：

τ=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：τ為抗剪強度；c′為有效黏聚力；φ′為有效內摩擦角；σn-ua為凈法向應力；ua-uw為基質吸力；φb反映基質吸力對內摩擦角的影響。

2 降雨對邊坡水力特性及穩定性影響分析

2.1 渣場基本特征

本文以引江濟淮工程棄渣場為例進行計算，渣場尺寸、邊界條件及網格劃分如圖1所示，為研究棄渣場內部孔隙水壓力變化規律，在斷面1上間隔2 m取特征點，并在棄渣場內取1號及2號滑面，以研究不同土質棄渣場深淺層穩定變化規律。特征點及滑面分布如圖2所示。

圖1 棄渣場邊界條件及網格劃分

圖2 棄渣場內特征點及滑面分布

2.2 降雨條件及計算參數

本文用Fredlund&Xing模型擬合三種土質的土-水特征曲線，如圖3所示，其中黏土、粉質黏土、砂土的飽和體積含水量分別為0.85、0.6、0.4：

圖3 三種土質土-水特征曲線

本文的降雨類型選取均勻型降雨，其中前5 d為降雨期，日降雨量為72 mm，后5 d為停雨期。三種土質棄渣及地基的力學參數見表1。

表1 棄渣及地基力學參數

2.3 渣場內水力特性分析

三種土質棄渣場斷面1處特征點孔隙水壓力在降雨過程中的變化規律如圖4～圖6所示。

圖4 黏土棄渣場降雨過程中孔隙水壓力變化規律

圖6 砂土棄渣場降雨過程中孔隙水壓力變化規律

對比三種土質棄渣場在降雨過程中孔隙水壓力變化規律，可以發現，黏土棄渣場內部孔隙水壓力變化受降雨入滲影響最大，粉質黏土棄渣場次之，砂土棄渣場最弱。由于粘性土保水性強，棄渣場內部含水量增加較大，孔隙水壓力大幅增加。同時黏性土降雨入滲的滯后性比較明顯，淺層土含水量增加幅度較深層土大，降雨停止后，渣場淺層土體內的水繼續入滲，因此渣場深層土體的孔隙水壓力在降雨停止后仍然上升，這種現象在圖中表現為變化曲線的帶寬在5～10 m處仍然較寬；粉質黏土由于保水性相對較差，渣場內含水量增加較小，孔隙水壓力變化幅度較小，降雨入滲滯后性沒有黏土棄渣場表現明顯，因此在5～10 m范圍內，孔隙水壓力變化曲線帶寬較窄；砂土保水性最差，雨水排泄較快，因此棄渣場內部孔隙水壓力變化不明顯。由以上分析可知,黏土質棄渣場內部水力特性受降雨影響最明顯，尤其是黏土棄渣場的淺層土體含水量增加幅度較大。

2.4 渣場穩定性變化規律分析

由于降雨過程中三種土質棄渣場內部孔隙水壓力變化規律有很大區別，因此三種土質棄渣場的邊坡穩定性在降雨過程中也會存在較明顯差別，降雨過程中三種土質棄渣場穩定性變化規律如圖7、圖8所示。

圖7 三種土質棄渣場滑面1穩定性變化規律

圖8 三種土質棄渣場滑面2穩定性變化規律

由圖7、圖8可知，不同土質棄渣場，深淺層滑動面受降雨影響變化幅度不同。黏土棄渣場滑面1在降雨期安全系數由2.33降為2.12，降幅為9%，滑面2在降雨期安全系數由2.23降為2.14，降幅為4.0%；粉質黏土棄渣場滑面1在降雨期安全系數由1.87降為1.78，降幅為4.8%，滑面2在降雨期安全系數由2.14降為2.04，降幅為4.6%；砂土棄渣場滑面1在降雨期安全系數由1.71降為1.64，降幅為4.1%，滑面2在降雨期安全系數由2.29降為2.18，降幅為4.8%。

對比可知，黏土棄渣場及粉質黏土棄渣場淺層滑動面受降雨影響較深層滑動面大，砂土棄渣場淺層滑動面受降雨影響比深層滑動面小，這是由于黏土及粉質黏土保水性較強，降雨過程中淺層土體含水量變化幅度較大，而砂土保水性較差，雨水下滲快，且地基處雨水下滲慢，導致深層土體含水量增加相對大一些?？偟膩碚f，黏土棄渣場穩定性受降雨影響最大。

3 結束語

由于不同土質棄渣場土水特性存在差別，在降雨過程中棄渣場內部水力特性變化規律不同，其中黏土棄渣場受降雨影響最大，黏土質棄渣場淺層含水量增加幅度最大，內部孔隙水壓力變化幅度最大，而砂土棄渣場內部水力特性受降雨影響較小。黏土棄渣場穩定性受降雨影響最大，尤其是淺層穩定受降雨影響最大，因此在工程中應格外注意黏土棄渣場的淺層滑坡破壞，并采取相應措施。