降雨入滲條件下堤防邊坡的穩定性分析

余 兵

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山 238251)

天然條件下的土質堤防邊坡一般是非飽和土體。非飽和土體中存在吸力,吸力的存在有利于邊坡的穩定。但是,在降雨作用下,隨著雨水的入滲,邊坡土體中的吸力將會減少,強度將會降低。很多學者研究了降雨入滲對土質邊坡安全系數的影響[1-2],但是,降雨入滲對土質邊坡滑動面位置的影響規律,以及邊坡表面裂隙對降雨作用下邊坡安全系數及滑面位置有何影響仍不清楚。因此,本文重點分析降雨強度、時間及坡表裂隙對邊坡安全系數及滑面位置的影響,為汛期堤防查險搶險提供理論依據。

1 降雨入滲條件下堤防邊坡的穩定性分析模型

1.1 邊坡的幾何形狀及土體參數

為便于計算分析,設定邊坡高10m,坡角20°(坡比介于1:2.5至1:3坡之間),如圖1所示。邊坡由2層土組成,上層為粉土層,下層為黏土層。邊坡中的初始水位面位置如圖1中的虛線,地下水位面以上的土體為非飽和土。邊坡表面有降雨入滲。

圖1 邊坡剖面圖

非飽和土與飽和土的主要區別是前者中存在吸力,吸力的存在會提高非飽和土的抗剪強度。根據文[3],非飽和土的強度可用式(1)表示:

τf=c'+(σ-ua)tanφ'+(ua-uw)tanφb

(1)

其中,σ為法向總應力;ua及uw分別為孔隙氣壓力及孔隙水壓力;ψ=ua-uw為基質吸力;c'及φ'分別為土體的有效黏聚力及有效內摩擦角;φb為與基質吸力ψ對應的摩擦角。當基質吸力為零時,式(1)即退化為飽和土的莫爾-庫侖強度公式。

為了描述非飽和土中吸力變化對非飽和土強度、變形及滲流特性的影響,還需要測定非飽和土的土水特征。巖土工程中常用Fredlund-Xing模型(FX)模型[4]來表示非飽和土的土水特征曲線(SWCC),其表達式如式(2):

(2)

其中,θ為體積含水率,θs為飽和體積含水率,θr為殘余體積含水率;e為自然對數的底;a、n、m為SWCC擬合參數。根據SWCC參數及飽和滲透系數Ks可以求得非飽和土的滲透系數。

對于圖1所示的邊坡進行穩定性所需的各種強度參數及水力參數如表1所列。

表1 土體的力學及水力參數

1.2 邊坡穩定性分析模型

采用專業軟件GeoStudio的slope/w模塊及seep/w模塊建立邊坡的穩定性分析模型。主要過程是:先采用seep/w模塊進行降雨作用下的滲流分析,求解邊坡土體的吸力;再將計算結果導入slope/w模塊,采用嚴格的極限平衡條分法(Mogenstern-Price法)求解邊坡的安全系數[5]。在地下水位面以上,堤身任意一點的初始吸力與該點至地下水位面的豎直距離成正比。

2 降雨條件對堤防邊坡穩定性的影響

以24h降雨量10mm～25mm、25mm～50mm及50mm～100mm分別研究降雨強度及降雨時間對邊坡穩定性的影響,數據如表2所列。

表2 降雨強度及降雨時間

2.1 降雨強度對邊坡穩定性的影響

在降雨作用下,非飽和土體中的吸力將隨著降雨入滲的增加而減小。圖2～圖3分別表示無降雨以及降雨強度為96 mm/d、降雨時間為1d時邊坡中孔隙水壓力水頭等值線圖。可見,邊坡中無降雨時,地下水位面以下的堤身土體中孔隙水壓力為正,地下水位面以上的土體中孔隙水壓力為負(即吸力為正)。降雨1d后,邊坡表面由于降雨入滲,土體的飽和度有所增加,吸力有所減小。坡表附近的吸力由-100 kPa減為-40 kPa。由圖3還可發現,邊坡中吸力的變化只發生在邊坡表面的薄層區域。這表明降雨1d后,雨水的入滲只能影響邊坡表層區域,還未來得及滲入到更深的土體中。

圖2 邊坡的孔隙水壓力分布(無降雨)

圖3 邊坡的孔隙水壓力分布(降雨96 mm/d * 1d)

3種降雨強度條件下,降雨結束時邊坡的安全系數分別為1.459、1.457及1.451,而降雨強度為24及96 mm/d對應的潛在滑動面位置基本不變。

2.2 降雨時間對堤防邊坡穩定性的影響

當降雨強度均為48mm/d時,降雨1 d、2 d及3 d后的邊坡安全系數分別為1.470、1.461及1.455。可見,邊坡的穩定性隨著降雨時間的增加而減少。

3 坡表裂隙對堤防邊坡穩定性的影響

為了分析坡表裂縫對邊坡穩定性的影響,設邊坡表面有深度為2m的豎直裂縫,裂縫層內土體的強度參數為原土層的一半,飽和滲透系數為原土層的10倍[6],其它參數同表1。與表2中6種降雨條件對應的邊坡安全系數如圖4所示。可見,坡表無裂隙時,在各種降雨條件下邊坡安全系數的降低并不明顯。但是,坡表存在裂隙時,在各種降雨條件下邊坡的安全系數均有明顯降低。其中,降雨強度為48 mm/d.達3d時,邊坡安全系數的降低最為明顯。

圖4 坡表裂隙對邊坡安全系數的影響

計算還表明,坡表裂隙不僅會影響邊坡的安全系數,而且會影響邊坡潛在滑動面的位置。隨著雨水的入滲,邊坡的安全系數會減少,潛在滑面的位置會上升。

4 結 論

通過對降雨入滲作用下土質堤防邊坡的穩定性分析,得到的結論如下:① 在相同的降雨時間內,土質堤防邊坡的安全系數隨著降雨強度的增加而減少;在相同的降雨強度下,邊坡的安全系數隨著降雨時間的增加而減少。同樣的原理,長時間浸泡在水中的堤身邊坡安全系數也會減小。② 當堤頂和邊坡表面存在裂隙時,隨著降雨強度或時間的增加,除了堤防邊坡的穩定性會降低外,邊坡中潛在滑面位置也會上升,即更容易發生淺層滑坡。③ 為保證汛期降雨條件下堤防安全,要特別注重連續降雨和長時間浸泡在水中的堤防安全防范;要及時處理堤頂坡面裂隙和積水,防止堤頂坡面水滲入堤身;發生淺層滑坡時,要查明堤頂或坡面是否存在裂隙,并作相應處理,有針對地采取搶險措施。