路堤降雨失穩預警系統參數研究

楊 帆 ，池苗苗

(1.塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000，2.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 述

路堤是廣泛用于支撐鐵路和道路的土工結構，這種結構失效會導致大量人員傷亡[1]。降雨已被確定為造成路堤不穩定和后續破壞的主要原因之一[2-3]。對路堤邊坡的破壞和失穩進行預警，及時疏散邊坡附近人員，暫停路堤支撐的鐵路或道路的運行，從而避免人員傷亡。預測降雨誘發邊坡失穩的最有效方法是基于已有邊坡破壞數據和實時降雨測量數據的統計[4]，而基于物理的路堤降雨失穩預警系統能夠對路堤的破壞和不穩定提供更準確的預警。同時，一旦由于降雨引起的不穩定性而暫停，該系統還可用于確定降雨后何時恢復運行。

本文針對人工降雨條件下儀器化模型路堤試驗結果進行分析，并將測量的孔隙水壓力和坡腳附近的含水量、地表位移及安全系數作為基于物理的路堤降雨失穩預警系統中可能使用的參數進行研究和探討。

2 試驗材料

本研究采用天然斜坡上的土壤作為試驗材料，并對該材料進行濕篩分析和比重計試驗，因其含有17.1%的細粒(粒度小于0.075 mm)，試驗材料的粒度分布曲線見圖1。測得土壤的相對密度、最大孔隙比和最小孔隙比分別為2.75、1.59和1.01。經檢測發現，土壤是非塑性的。通過標準普氏壓實試驗，獲得樣品砂的最佳重量含水量和最大干密度分別為16.5%和1.725g/cm3。根據土壤統一分類系統，土壤劃分為粉砂類。

圖1 樣品砂粒度分布曲線

2.1 土壤水分特征曲線(SWCC)

圖2為在實驗室中使用壓力傳感器獲得的土壤-水特征曲線(SWCC)。

圖2 試驗材料的SWCC

圖2中，使用干密度為1.22g/cm3的樣品，得到測試材料的干燥和潤濕 SWCC。模型斜坡采用樣品砂建造，干密度達到1.22g/cm3。由于壓力傳感器中使用陶瓷盤的進氣值為300kPa，因此測量的SWCC被限制在最大吸力200 kPa。實驗室測量的SWCC數據用以下方程進行擬合：

(1)

其中：C(ψ)為修正函數，定義如下：

(2)

其中：θ為體積含水量；ψ為吸力，kPa；ψr為殘余吸力；θs為零吸力時的體積含水量；a、n、m為擬合參數(a具有壓力單位，kPa)。

2.2 非飽和滲透率函數

使用實驗室開發的基于滲透儀的穩態方法測量非飽和土壤的滲透率函數。試驗結果表明，該裝置可以在低吸力范圍(如0～8 kPa)下，按照SWCC的干燥路徑，準確測量非飽和土的滲透率函數。

目前，已有數值模型可以利用飽和滲透系數和SWCC來預測非飽和滲透率函數。其中，應用最廣泛的是Fredlund和Xing在土水特征曲線方程基礎上提出粒度分布曲線預測方程模型?，F有研究[5-6]顯示，其擬合精度較高，參數穩定且呈規律性變化，能夠很好地反映我國土壤區域特性。在本研究中，使用SEEP/W進行滲流分析[7]時，采用Fredlund和Xing提出的方法預測非飽和滲透率函數。

2.3 非飽和抗剪強度

本文采用兩個應力狀態變量來解釋非飽和土抗剪強度的方程，公式如下：

τ=(σn-ua)tanφ′+c

(3)

c=c′+(ua-uw)tanφb

(4)

其中：τ為非飽和土的抗剪強度；c為表觀內聚力；c′為飽和土的有效黏聚力；φ′為抗剪角，在飽和條件下，假定基質吸力不變，剪切阻力角不變；φb為抗剪力與吸力的夾角；σn為破壞面上的總法向應力；ua為土壤中的氣壓；uw為孔隙水壓力；(ua-uw)為破壞面內土壤的基質吸力。在本公式中，假設τ和(ua-uw)之間的關系是線性的。

針對傳統的直剪儀進行改進，以測量控制吸力下的非飽和抗剪強度。采用改進的直剪裝置進行飽和及非飽和固結排水試驗，得到φ′。結果表明，吸力對φ′的影響不顯著，但表觀黏聚力(c)隨著吸力的增加呈下降趨勢。

對于本研究中的穩定性分析，在小吸力范圍內(0～20 kPa)，假設c與吸力之間存在線性關系，得到φb，以用于預測降雨引起的邊坡失穩，因為邊坡在低吸力值下變得不穩定。此外，利用直剪裝置獲得的非飽和抗剪強度參數可以提供一個保守的解決方案，這有利于發布邊坡破壞警告。

3 模型試驗

本文采用不同材料、初始密度、邊界條件、降雨強度和持續時間以及邊坡角度，對儀器化路堤進行了一系列人工降雨模型試驗。本文對試驗結果進行了討論，以確定用于路堤降雨失穩預警系統的參數。

3.1 試驗使用的儀器

模型試驗中，使用的容器尺寸長2.0 m、寬0.8 m、高1.0 m，見圖3。罐壁由鋼板制成，正面由丙烯酸玻璃制成，便于觀察變形過程。

圖3 用于模型試驗的容器

在模型試驗中，使用ADR(振幅域反射計)和ECHO型土壤濕度傳感器來測量水分入滲過程中的土壤含水量。為了同時測量正負水壓，壓力傳感器改裝一個空氣進入值100 kPa的陶瓷杯。圖4為模型試驗中使用的傳感器類型。LVDT位移傳感器用于測量邊坡表面的局部位移，安裝在土壤中的測斜儀測量地基的位移。采用側面噴灌管(孔徑0.1 mm)模擬降雨(圖3)。

圖4 用于模型試驗的傳感器

3.2 模型制備

土壤邊坡是通過壓實樣品砂建造的，初始重量含水量為13.5%，邊坡傾角為45°。試驗安裝15個孔隙水壓力傳感器、15個含水量傳感器、3個測斜儀和2個LVDT位移傳感器，所有傳感器均連接到一個數據采集系統，以便在邊坡施工期間以及在降雨應用期間連續記錄數據。見圖5。

圖5 模型路堤中的傳感器位置

3.3 降雨應用

在邊坡施工完成約24h后，邊坡遭受了約40 mm/h強度的降雨。在降雨過程中，設置每2s記錄系統中所有連接傳感器的數據。使用的側面噴灌溉管系統能夠提供20～50 mm/h之間相對均勻的恒定降雨量，該降雨系統經過校準，可根據供水壓力提供不同的降雨強度。同時使用4個雨量計測量降雨強度，其中兩個位于腳趾附近，另外兩個位于路堤頂部。本研究中提到的降雨強度是通過對整個降雨持續時間和空間內的實測降雨量進行平均計算得出的。為了盡量減少降雨強度隨時間和空間的可能波動(由于風的影響)，在大多數試驗中，降雨是在上午(如上午5:30)進行的。

3.4 模型試驗結果

圖6為在40 mm/h降雨期間，模型邊坡內不同位置的孔隙水壓力、體積含水量和位移的監測時間歷程。由圖6(c)可知，降雨開始后約400s開始變形，所有變形傳感器幾乎同時響應，表明整個邊坡發生了移動。此外，在降雨開始后約 6 000 s，邊坡頂部出現裂縫。在坡腳出現局部破壞之前(降雨開始后約8 500s)，形成的裂縫進一步擴大。一旦失效，就會從腳趾處開始，迅速向上傳播。

圖6 模型試驗結果

研究發現，在變形開始之前，腳趾附近(M8和M10)的體積含水量達到最大值(38%～42%)。假設邊坡干密度不變，40%的體積含水量約等于72%的飽和度。但在施工和降雨過程中，邊坡可以致密化，從而產生更高的飽和度，對應于40%的體積含水量。

在坡腳附近測得的孔隙水壓力(P8和P10)表明，隨著坡腳附近的孔隙水壓力接近零(完全飽和)，邊坡開始移動。但在邊坡開始移動過程中，邊坡的大部分仍處于非飽和狀態。在本研究中進行的大多數模型試驗中都觀察到這一點。因此除位移外，在坡腳附近測得的孔隙水壓力或飽和度可以作為路堤失穩預警系統中使用的參數。

4 模型邊坡穩定性分析

利用SEEP/W模型試驗，對降雨過程中的瞬態滲流進行分析。從滲流分析中獲得的孔隙水壓力分布用于邊坡穩定性分析，以確定降雨過程中邊坡的安全系數。

4.1 滲流分析

圖7為有限元網格用于SEEP/W模型試驗的數值滲流分析。AF和FE邊界被認為是“無流量”邊界(Q=0)，這是因為在試驗期間不允許水流通過該邊界。邊界ABCD定義為給定降雨強度(40 mm/h)的通量邊界。將ABCD和DE定義為滲流面，以允許水從模型中滲出。根據P1、P2和P8的初始孔隙水壓力讀數確定地下水位，得出每個節點的初始孔隙水壓力。

圖7 滲流分析中使用的有限元網格

將實驗室測得的潤濕SWCC及飽和滲透率賦到SEEP/W中，采用上述提出的方法生成滲透率函數。

滲流分析時間為9 500s，增量時間為5s。分析完成后，比較邊坡中一些選定點(P1、P2、P7 和 P8)實測和模擬的孔隙水壓力時間歷程。在圖8中，觀察到實測孔隙水壓力和模擬孔隙水壓力之間存在合理一致性。

圖8 模型邊坡中某些選定位置的實測和預測孔隙水壓力比較

4.2 穩定性分析

SLOPE/W采用圖9中的幾何結構進行數值穩定性分析。ABC和DEF分別定義為試驗滑動面的入口面和出口面。以實驗室測量樣品砂的飽和及非飽和剪切強度特性為基礎進行分析。利用數值滲流分析得到的孔隙水壓力，選取一般極限平衡法(GLE)進行穩定性分析。由圖10可知，FOS(安全系數)隨著降雨時間的推移而降低。可以看出，當FOS低于1時，邊坡開始移動。圖11比較了FOS剛好低于1時從穩定性分析中獲得的臨界滑動面與通過標記移動觀察到的滑動面，這兩個滑動面幾乎吻合。

圖9 用于穩定性分析的幾何結構

圖10 隨著降雨時間的增加，FOS減少和土壤位移增加

圖11 觀察到的滑動面與通過穩定性分析獲得的滑動面比較

5 結果分析與討論

從模型試驗可以看出，在降雨開始后約6 000s，裂縫出現在頂部；8 700s后，局部破壞開始于坡腳，并迅速向上擴展；在降雨開始后約9 800s，邊坡發生完全垮塌(坍塌)。

圖10中，邊坡在降雨開始后約4 000s開始移動，即在頂部出現裂縫之前約2 000s，表明對邊坡運動的實時監測可以有效預警邊坡破壞。圖6(a)和圖6(b)中，在坡腳處測得的飽和度(孔隙水壓力和含水量)也可用于預測邊坡破壞?；谶@些參數的預警方法，可通過轉移居住在邊坡附近居民來最大限度地減少人員傷亡，但不足以安全地暫停路堤支持的運輸服務。邊坡的FOS可以早期反映邊坡的穩定性，因此基于邊坡FOS的標準可用于安全暫停作業。此外，基于FOS的標準也可用于在降雨后恢復運行。

6 結 論

1)土壤的有效摩擦角可能與吸力無關，而表觀黏聚力隨吸力的增加呈下降趨勢。

2)當坡腳附近區域飽和時，模型路堤可能發生破壞。

3)坡腳附近的飽和度和邊坡中的初始表面位移可用于預測和預警邊坡的阻礙性破壞。

4)對降雨過程中路堤的實時安全系數(FOS)進行評估，有助于對路堤支持的服務(運輸)進行有效管理。

5)為了開發基于物理的預警系統，防止降雨引起的路堤邊坡破壞，實時監測坡腳附近的地表位移和坡腳附近的飽和度(孔隙水壓力和含水量)是十分必要的。