不同降雨條件下渠道邊坡的穩定性研究

2022-08-03 01:39:56哈斯也提依米提阿力木許克爾

黑龍江水利科技 2022年6期

哈斯也提·依米提；阿力木·許克爾

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆伊犁 835000)

0 引言

現有統計研究表明，降水是影響邊坡穩定性的關鍵因素，邊坡的失穩往往伴隨著強降水(如暴雨)的發生。降水對于邊坡的穩定性影響時目前研究的熱點，尤其是研究降水條件邊坡的入滲機理具有重要的科學意義[1]。目前大多研究集中于降水與邊坡穩定性關系，關于降水入滲與防護結構相互作用研究仍然較少，文章采用現場調查以及降雨實時監測數據聯合數值有限元開展研究，詳細的分析了不同工況下的降水條件對土體孔隙水壓和入滲規律，進一步得到了邊坡的破壞特征[2-5]。

1 研究方法

研究區春季少雨干旱，夏季多雨濕潤，根據歷史統計數據(1954-1990)，研究區1-6 月份占全年雨量的23.5%，7-9月份占全年雨量的62.4%。年降水量>600 mm以上時間占27.9%，最大日降水量可達97.5mm。為例與實際情況更為接近，文章根據研究區50a降水情況和考慮近些年極端暴雨天氣，分別模擬計算不同降水強度下的雨水入滲規律以及邊坡在不同降水條件下的穩定性，具體模擬工況如表1 所示。

文章采用PLAXIS將非飽和土滲流計算與應力計算進行耦合，建立邊坡三維模型(圖1)。

表1 邊坡計算工況表

圖1 邊坡模型典型剖面圖

模型邊界條件為：兩側法向約束，底部邊界全約束。模擬時，假定基質吸力在水面以上一定范圍內范圍內呈線性分布，為了與實際相結合，再向上則基質吸力保持不變[8]。

數值模擬中關于土體計算參數和本構模型見表2。

表2 土層計算參數表

2 理論研究基礎

2.1 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和基質吸力之間的關系。該曲線一般通過Van Genuchgen確定：

(1)

式中：ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；θr為表殘余體積含水量；θw為體積含水量；θs為飽和體積含水量；ψ為土體的基質吸力；ks為飽和滲透系數；m、n、α為待定參數；Sr和kr分別代表飽和度和相對滲透系數；其中素填土的滲透性函數與土水特征曲線如圖2所示。

(a)滲透性函數

(b)水土特征曲線

2.2 強度折減理論

文章采用目前比較成熟的強度折減理論進行計算。強度折減理論的基本思想是通過降低土體的抗剪強度(如內摩擦角和內聚力)直至邊坡發生破壞為止。通常，安全系數定義為土體的實際抗剪強度與破壞時抗剪強度的比值：

cm=c/Fr

(2)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(3)

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

3 計算結果與分析

3.1 不同降雨條件下孔隙水壓力的變化

圖3得到了不同降水強度下降水入滲深度下邊坡負孔隙水壓力的變化規律，結果表明，不同工況下的負孔隙水水壓力隨時間變化規律基本相同，但不同的降水強度在不同深度處的最大孔隙水壓了達到峰值所用的時間不同。在降水強度為50mm下，表面的達到最大孔隙水壓力需要1.1d，而增大降水強度至100mm時，僅需0.5d即可達到最大。在日降水強度分別為75mm和100mm下，孔隙水壓力由負值變為正值，即降水強度達到某一數值時，邊坡可能出現暫態積水。此時土體體積含水率迅速增加，滲透系數同時也增大。此外，不同降水條件下土體的入滲規律表明，入滲速度隨降水強度的增大而增大。在降水50mm時，10d的降水影響深度為4m，增大至100mm時，10d入滲深度達到10m。這可表明，增大降雨強度會增加雨水入滲的深度。

(a)50mm

(b)75mm

3.2 相同降雨強度下孔隙水壓力分析

圖3結果表明，降水強度不變時，雨水入滲土體的速率越來越小。在降水50mm時，雨水入滲1.0m所耗費的時間為1.1d，而入滲至2m時需耗費2.2d，入滲至3m時需要3.8d。可見隨入滲深度增大，雨水入滲相同距離所需時間邊長。這主要是由于在雨水入滲過程中，一部分雨水會被土顆粒攔截阻擋，這會導致土體的負孔隙水壓力與未降水時不同。與此同時，隨著下滲量不斷減小，負孔隙水壓力增速變小。因此，相同降水強度條件下，雨水入滲相同的時間鎖耗費的時間邊長。

3.3 不同降雨時間下邊坡的破壞分析

文章選取降水強度為100mm下的邊坡破壞形式進行分析，得到如圖4。強度折減計算結果表明，降水發生的第1d，邊坡的破壞最開始發生于表面的下級，榆次同時產生潛在滑動面，隨時降水進一步增加，變形逐漸向內部擴展，且滑面逐漸向上一級發展。至降水第3d后，邊皮形成貫通滑裂面。降水停止后，隨時時間的增加，雨水入滲深度進一步增加，滑面仍然向深部擴展，邊坡的破壞形式逐漸由淺層破壞轉變為深層破壞。究其原因主要是在隨著降水持續進行，邊坡土體含水率逐漸增大，導致土體基質吸力下降，同時降低了土體的力學參數。隨時降水和時間的增大，逐漸形成貫通滑裂面。二降水停止后，入滲深度進一步增大，下滲土體基質吸力錦衣降低，因此導致滑裂面想深處擴展貫通。

3.4 邊坡穩定性分析

圖5匯總得到采用強度折減法的邊坡穩定性系數與時間的關系。可以看出在不同日降水條件下，穩定性系數會隨時間變化規律基本相同，均是先減小后增大。相同降水工況下，雨水入滲導致邊坡土體基質吸力降低，造成邊坡的穩定性降低。在降水結束后，部分雨水通過土體孔隙排水，此時土體強度有所恢復，進一步提高了邊坡穩定性。以降水強度50mm為例，日降水75mm時邊坡的安全系數比日降水量50mm減小幅度增大了12.3%。而日降水量100mm時邊坡的安全系數比日降水量安全系數減小幅度增大了27.8%。因此，降水強度會大大影響邊坡安全系數。降水強度越大，安全系數減小越大。在降水階段，邊坡的破壞形式易發生淺表層破壞，當降水結束后，隨雨水進一步入滲，邊坡的潛在滑動門進一步向下發展，但邊坡安全系數有所增加。可見在降水階段內淺層滑坡最容易發生。