花崗巖殘積土邊坡強(qiáng)降雨入滲特性研究

張鑫

[摘? 要]：花崗巖殘積土邊坡在強(qiáng)降雨條件下，容易發(fā)生淺層土體溜坍、垮塌等水毀災(zāi)害，而邊坡淺層土體降雨入滲特性對其產(chǎn)生機(jī)理及過程、規(guī)模起著關(guān)鍵性作用。文章建立了坡角為50°的三維邊坡流-固耦合數(shù)值模型，完成了暴雨條件下的飽和-非飽和滲流分析，得出了強(qiáng)降雨入滲特征及基于此的邊坡穩(wěn)定特性。結(jié)果表明：隨降雨歷時(shí)的變化曲線上突變點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]：花崗巖殘積土邊坡; 強(qiáng)降雨入滲; 飽和-非飽和滲流 FLAC3D

TU45A

1 研究背景

我國華南地區(qū)分布有較廣泛的花崗巖殘積土邊坡，花崗巖殘積土顆粒間氧化物較易溶解，在降雨入滲過程中，其抗剪強(qiáng)度大幅降低。2020年8月中旬的強(qiáng)降雨導(dǎo)致我國多地遭遇50年一遇的洪水，造成多地地質(zhì)災(zāi)害。大量研究表明，降雨入滲是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的常見因素之一，隨著地表暫態(tài)飽和區(qū)的出現(xiàn)，土體自重增加，坡體穩(wěn)定性降低。

鑒于FLAC3D平臺(tái)具有強(qiáng)大的內(nèi)置FISH語言，為了充分發(fā)揮FLAC3D軟件在巖土工程分析的優(yōu)勢，近年來關(guān)于基于FLAC3D模擬飽和-非飽和入滲的研究如火如荼。蔣中明等[1]通過自編FISH語言嘗試了基于FLAC3D平臺(tái)的飽和-非飽和滲流分析;劉杰等[2]基于有限元計(jì)算模型，觀察在不同初始表層基質(zhì)吸力條件下，邊坡地下水位抬升過程。

本文基于有限差分滲流理論，研究強(qiáng)降雨條件下邊坡淺層土體的入滲特性，對花崗巖殘積土邊坡在強(qiáng)降雨條件下進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。

2 數(shù)值模型構(gòu)建原理

2.1 花崗巖殘積土邊坡入滲模型

Lumb[3]在對香港地區(qū)花崗巖殘積土邊坡失穩(wěn)的研究中首次提出濕潤鋒的定義，認(rèn)為在強(qiáng)降雨（此處特指降雨強(qiáng)度大于土體飽和滲透系數(shù)）條件下，自坡表部位最早出現(xiàn)濕潤鋒，而后濕潤鋒逐漸向坡體內(nèi)擴(kuò)展。

2.2 水力曲線模型

針對土-水特征曲線，許多學(xué)者已經(jīng)提出了多種計(jì)算模型，如：Van Genucheten模型[4]、Fendlund和Xing模型[5]。采用被廣泛應(yīng)用的Fendlund和Xing模型對本文中花崗巖殘積土的土-水特征曲線進(jìn)行模擬，即

θ=θslne+（φanm（1）

式中：θ為實(shí)時(shí)體積含水量; θs為飽和體積含水量;φ為孔隙水壓力;a、m、n為曲線擬合參數(shù)。

2.3 非飽和滲流實(shí)現(xiàn)原理

降雨入滲過程，遵循達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律，達(dá)西流動(dòng)方程如式（2）所示。

qi=-ksijwkrwxj（Pw-ρWxkgk）（2）

式中：qi為單位流量向量，ρw為流體密度，ks及kr分別為飽和及相對滲透系數(shù)。

在FLAC3D平臺(tái)中，認(rèn)為飽和度變化計(jì)算的依據(jù)是流體體積微觀改變量的積累值，而這與飽和度的定義相一致，使得基于FLAC3D平臺(tái)開展?jié)B流分析具備理論基礎(chǔ)。

在飽和滲流計(jì)算中，F(xiàn)LAC3D將節(jié)點(diǎn)上的飽和度內(nèi)置為1，滲透系數(shù)強(qiáng)制置為飽和滲透系數(shù)，下一計(jì)算時(shí)刻孔隙水壓力：

1Mpt=-qi，i+qv-αεt（3）

式中：M和p分別表示比奧模量Pa和孔隙水壓力（Pa）; qi，i表示液體通量強(qiáng)度（1/s）; qv表示流體體積源強(qiáng)度; ε表示體積應(yīng)變量; 在不考慮土顆粒的壓縮時(shí)，α取1。

基于FLAC3D平臺(tái)進(jìn)行非飽和滲流計(jì)算中，將飽和度小于1的節(jié)點(diǎn)處的孔隙水壓力強(qiáng)置為0，飽和度s的更新公式為：

snpt=1s-qi，i+qv-αεt（4）

式中：n為孔隙率，其它符號(hào)意義同前。

2.4 降雨入滲邊界條件設(shè)置

本文預(yù)設(shè)的降雨條件下，滲流計(jì)算過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測入滲區(qū)表層單元的孔隙水壓力是否大于0，如果小于0（該土體單元未飽和） ，修改入滲邊界為流量已知邊界，流量輸入值為該單元的飽和滲透系數(shù)值，如果大于0（該土體單元達(dá)到飽和），修改入滲單元孔隙壓力為0。

3 算例

吳俊杰等[6]提出了關(guān)于初始狀態(tài)基質(zhì)吸力分布的5種假設(shè)，如圖1所示，其中高度d為地下水面以上的豎向高度。

本文所建立的邊坡入滲物理模型如圖2所示，考慮到邊坡表面以及邊坡頂部區(qū)域是降雨入滲的集中作用位置，加之雨水沖刷、侵蝕邊坡的破壞作用是研究邊坡在降雨條件下穩(wěn)定性的重要工作內(nèi)容，基于此，在坡面設(shè)置a1、b1、c1 3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，地表監(jiān)測點(diǎn)下2 m范圍內(nèi)設(shè)置等間距的2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，邊坡共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。將坡面、坡腳及坡頂設(shè)置為入滲邊界，其他邊界均為不透水邊界。

所建立孔壓場的基質(zhì)吸力先呈現(xiàn)線性變化而后達(dá)到一定高度后保持不變，符合曲線④表征長期為降雨邊坡基質(zhì)吸力分布情況。初始滲流場分布如圖3所示。

初始滲流場建立后，首先進(jìn)行彈性本構(gòu)模型定義下的初始應(yīng)力場計(jì)算，將位移和速度清零后，將其本構(gòu)模型修改為Mohr-Coulomb模型后進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。在降雨過程中，對邊坡進(jìn)行進(jìn)行滲流計(jì)算及力學(xué)計(jì)算開具體降雨工況設(shè)置為0.012 8 m·h-1，連續(xù)降雨48 h。

參考文獻(xiàn)[7]相關(guān)數(shù)據(jù)，本文所采用花崗巖殘積土及土-水特征模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.1 滲流場變化分析

降雨結(jié)束的滲流場分布如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，在降雨入滲過程中，邊坡上的暫態(tài)飽和區(qū)最初會(huì)發(fā)生在表層附近的土體中，暫態(tài)飽和區(qū)范圍逐漸向向內(nèi)部擴(kuò)展，且最終導(dǎo)致坡腳處的暫態(tài)飽和區(qū)范圍相比邊坡其他位置更大。邊坡預(yù)設(shè)監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨降雨歷時(shí)變化如圖5所示，由圖可知，邊坡坡面頂部、中部、底部各監(jiān)測點(diǎn)負(fù)孔隙水壓力均逐漸呈消散趨勢，不同位置的特征點(diǎn)負(fù)孔壓對于降雨的響應(yīng)也是不同的。坡腳處特征點(diǎn)孔壓變化較劇烈，坡面中部次之，坡頂處變化最慢。

3.2 穩(wěn)定系數(shù)變化分析

穩(wěn)定系數(shù)隨降雨歷時(shí)變化如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)在降雨后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均由初始條件的1.731下降到1.414，下降幅度為0.317，在降雨結(jié)束后邊坡已經(jīng)處于相對不穩(wěn)定的狀態(tài)。邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化過程呈現(xiàn)變化先快后慢的趨勢，隨后變化較平緩，在13 h處發(fā)生突變，再次開始快速降低，邊坡平緩階段持續(xù)時(shí)間較短，這也印證了邊坡降雨失穩(wěn)階段主要發(fā)生在降雨后期，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[8]結(jié)論相同。

3.3 位移場變化分析

前文對降雨作用下的邊坡滲流場變化進(jìn)行了詳細(xì)分析，隨著土體孔隙壓力及飽和度的變化，土體力學(xué)特性也隨之改變。降雨結(jié)束的位移場分布如圖7所示，坡腳處水平位移及豎直位移都較為密集，意味著在此處已經(jīng)發(fā)生了明顯的滑移，坡面中部沉降量更大，在邊坡防護(hù)工作中，應(yīng)做好坡腳處排水設(shè)施的日常維護(hù)工作。

4 結(jié)論

（1）邊坡上各監(jiān)測點(diǎn)孔隙壓力變化呈現(xiàn)的相似的入滲規(guī)律，坡腳處監(jiān)測點(diǎn)孔壓變化的加速最為劇烈。

（2）在降雨入滲過程，穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢;降低趨勢呈現(xiàn)先快后慢趨于平緩再迅速降低的特點(diǎn)，出現(xiàn)突變點(diǎn)的時(shí)

間在13 h附近。

（3）在實(shí)際工程支護(hù)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)注意坡腳的排水處理設(shè)施的日常維護(hù)工作。

本文對花崗巖殘積土邊坡的降雨入滲過程進(jìn)行模擬，對花崗巖殘積土降雨特性進(jìn)行的研究為今后該方向研究和工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣中明， 熊小虎， 曾鈴 基于FLAC～（3D）平臺(tái)的邊坡非飽和降雨入滲分析[J]. 巖土力學(xué)， 2014.35（3）：855-861.

[2] 劉杰， 曾鈴， 付宏淵， 等. 土質(zhì)邊坡降雨入滲深度及飽和區(qū)變化規(guī)律[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2019， 50（2）：452-459.

[3] LUMB P. Effect of rain storms on slope stability [C]/ /Proceedings of the Symposium on Hong Kong Soils. Hong Kong， 1962： 537-552

[4] VANAPALLI S K， FREDLUND D G， PUFAHL D E， et al. Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1996， 33（3）：379-392.

[5] FREDLUND D G， XING. A Equations for the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1994， 31（4）：521-532.

[6] 吳俊杰， 王成華， 李廣信. 非飽和土基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定的影響[J]. 巖土力學(xué)， 2004， 25（5）：732-736.

[7] ZHANG L L， ZHANG L M， TANG W H. Rainfall-induced slope failure considering variability of soil properties[J]. Géotechnique， 2015， 55（2）：183-188.

[8] 楊惺. 降雨條件下梅州花崗巖殘積土邊坡滲流及穩(wěn)定性分析[D]. 廣州： 華南理工大學(xué). 2019.