基于非飽和滲流的干灰場邊坡穩定分析

2018-01-21 10:03:30饒俊勇彭德剛李模軍

電力勘測設計 2017年6期

饒俊勇，彭德剛，李模軍

(西南電力設計院有限公司，四川成都 610021)

1 干灰場邊坡穩定分析現狀

對于干灰場邊坡的滲流和穩定計算，規范中沒有明確規定，傳統計算方法是參照水灰場，在滲流計算基礎上用邊坡穩定計算確定邊坡的穩定系數。其中滲流計算多采用穩態飽和滲流，即忽略了非飽和區滲流作用，并參照水灰場，假定上游有穩定的滲流邊界，即穩定的積水水位。但實際上，干灰場灰面上不能形成穩定水位。比如分析一個典型的降雨匯水過程：當降雨量從小到大，大到一定程度，灰場匯水及雨水量大于灰場的排洪能力時，在灰面上積水并且水位升高，隨時間的延續和降雨量的減小，進入灰場的水量小于排水系統排水能力，該水位又逐漸下降，直至全部排出灰場。因一次降雨過程時間并不長，灰面上的積水過程時間也比較短，故傳統算法中上游(及灰面)滲流邊界是穩定水位的假設和實際情況有較大的偏差，計算結果誤導設計。

多位學者研究的結論是采用飽和—非飽和滲流模型代替傳統的飽和滲流模型才符合工程實際。對于干灰場，正常運行時受灰場內潛水滲流作用(該問題有爭議，很多人認為灰場底部鋪設防滲膜，灰場內不會有地下水，但實際中發現灰場下的確存在一定深度的潛水。文中不探討這個問題，對分析趨勢沒影響)；在降雨時，表面降雨入滲會影響灰場的滲流場，使原來的非飽和區飽和度提高，甚至抬高潛水地下水位。而且由于降雨的作用，使非飽和區飽和度提高，基質吸力下降，致使灰場邊坡的穩定性降低，故一般認為降雨條件下邊坡更危險。

本文以加拿大GEO-STUDIO軟件為平臺，利用非飽和滲流理論分析干灰場邊坡在降雨情況下穩定。

2 非飽和計算條件

非飽和滲流理論，涉及粉煤灰的水土特征曲線(含水率—基質吸力曲線)、粉煤灰的非飽和滲透系數—含水率曲線、灰面降雨入滲條件等，和傳統的飽和滲流理論有很大區別，對灰場滲流計算和穩定計算有較大影響。

2.1 粉煤灰的水土特征曲線

土是固液氣三相混合體，在非飽和土中，定義基質吸力為空氣壓力(σa)和水壓力(σw)的差值，即(σa－σw)。基質吸力在很大程度上依賴于土中孔隙水的體積含水率：當體積含水率在飽和含水率以下時，體積含水率越高，基質吸力越小，接近飽和含水率時，基質吸力接近于零；反之，體積含水率越低，基質吸力越大。當體積含水率為飽和含水率時，空隙水壓力為靜水壓力，基質吸力為零；在飽和區，體積含水率隨著正的孔隙水壓力增大而增大，但變化很小，即其斜率很小。基質吸力—土的體積含水率之間的關系曲線稱為土水特征曲線，其為土體基本特性之一。

2.2 粉煤灰的滲透系數—孔隙水壓力曲線

滲透系數—孔隙水壓力曲線是另外一個非飽和土體的基本特性.在非飽和區(即負孔隙水壓區)，滲透系數隨基質吸力增大而減小。這主要是由于在飽和土中，所有顆粒之間的孔隙都充滿了水，水的滲流路徑就是顆粒間的孔隙，沒其他阻礙。一旦空氣進入(土體變為非飽和)，空氣占用部分孔隙，相對與水流動而言，空氣填充的孔隙就成為非傳導的管道，水的滲流路徑變得更加曲折，也就導致了土傳導水的能力(滲透系數)減小。當基質吸力越大時，更多的孔隙也就被空氣所充填，滲透系數也就進一步減小。

2.3 降雨入滲條件

非飽和入滲過程中，降雨的水分有多少能夠進入土坡內部，在計算中仍然存在較大的疑問，而進入土坡內部雨量的多少是對穩定性產生直接影響的重要因素。因此，降雨入滲量的問題仍被認為是非飽和滲流中的關鍵問題之一。

計算中按照：以表層粉煤灰的飽和滲透系數為判別依據，灰場表面及斜坡處即入滲邊界，取為流量邊界或給定水頭邊界。如果雨強小于粉煤灰的飽和滲透系數，按流量邊界處理，大小為降雨強度，如果雨強大于粉煤灰的飽和滲透系數，一部分雨水沿坡面流失，會在坡面形成一薄層水膜，此時可按給定水頭邊界處理。

2.4 土層強度特性

目前工程實際中對邊坡穩定分析仍廣泛采用剛體極限平衡法。為了反映降雨作用的影響，Fredlund 的抗剪強度理論強調負孔隙水壓力對抗剪強度的影響，目前得到巖土界的廣泛認可，公式如下：

式中：τf為非飽和土抗剪強度；C，φ分別為有效凝聚力和有效內摩擦角；σn為法向應力；σa為空氣壓力；σw為水壓力；φb為隨吸力變化的內摩擦角。

從式中可以看出，非飽和土的抗剪強度除了與c、φ及法向應力有關外，還與基質吸力有關。當土體飽和時，可以認為基質吸力等于零，退化為傳統的摩爾—庫侖公式，故上式又稱延伸的摩爾—庫侖定律。降雨時，土體飽和度和孔隙水壓力上升，基質吸力減小，抗剪強度明顯減小，從理論上解釋了降雨條件下滑坡產生的機理。根據上述公式，按照條分法的思想，建立整個滑動土體力及力矩平衡方程，得到極限平衡法安全系數的計算公式。

2.5 降雨時程曲線

根據水文記錄，四川旺蒼地區24小時最大降雨量260 mm，最長降雨持續時間16天，累積降雨170 mm。廣西南寧24小時最大降雨量198 mm，最長降雨持續時間24天，累積降雨384 mm。印尼芝拉扎地區，24小時最大降雨量443.8 mm(100年一遇)，缺乏一次持續降雨時間記錄。本計算依據印尼及國內南方地區降雨資料，初步擬定降雨條件：每天降雨150 mm，降雨持續10天。模擬一次超強降雨過程，一般降雨很難達到如此強度和持續時間。

3 計算結論

3.1 滲流場變化

依據擬定的降雨條件及估算的粉煤灰水土特征曲線、含水率—滲透系數曲線、入滲條件，以某工程干灰場邊坡為算例進行計算。該干灰場邊坡位于粘土地基上，由初期粘土壩和5級子壩構成，子壩均為粉煤灰修建。滲流計算結果見圖1和圖2，其中圖1為降雨剛開始時的滲流場，圖2為強降雨10天后的滲流場。由圖可見，在初始水位差作用下，灰場內形成滲流場，浸潤線為單一浸潤線，在浸潤線以上為非飽和區，灰場下部為飽和區，即灰場上部為負孔隙水壓力區；由孔隙水壓力等勢線分布可見，灰場上部負孔隙水壓力區內負孔隙水壓力較大。隨著降雨持續時間延長，灰場上部負孔隙水壓力逐漸減小，較大負孔隙水壓力區范圍逐漸減小，甚至在灰場頂面出現了暫態飽和區；此時，2條主要的浸潤線將灰場從上到下分為飽和區，非飽和區，飽和區，其中最上面飽和區是隨降雨及滲流時間變化的，是暫態飽和區。降雨第10天時，灰場上部的浸潤線基本和坡面平行，飽和區形狀基本與坡面形狀類似；飽和區在坡頂處最薄，向灰場內逐漸加厚，向坡腳也逐漸加厚，最厚處厚約1.5 m。但在坡腳處及第1級子壩壩頂處，出現了非飽和區。