人工降雨試驗(yàn)后坡面啟動(dòng)泥石流土體穩(wěn)定性驗(yàn)算

人工降雨試驗(yàn)后坡面啟動(dòng)泥石流土體穩(wěn)定性驗(yàn)算

邊坡泥石流的產(chǎn)生通常受地形單位形狀、梯度、梯度、降水和強(qiáng)度指數(shù)的影響。對特定坡體,前幾個(gè)因素基本不變,但滑面(帶)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c,φ)值依據(jù)確定方法的不同而有很大變化。目前常用的強(qiáng)度指標(biāo)確定方法有三:(1)通過室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)確定;(2)參考有關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù);(3)根據(jù)極限平衡原理進(jìn)行反算。反算法確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是坡體穩(wěn)定性計(jì)算中最常用的一種方法,但由于個(gè)別斷面資料的隨機(jī)性不能全面反映運(yùn)動(dòng)土體的強(qiáng)度指標(biāo)。強(qiáng)度指標(biāo)是影響泥石流啟動(dòng)的重要因素,因此如何正確的反映土體強(qiáng)度指標(biāo)顯得至關(guān)重要。另外,用條分法分析滲流與斜坡穩(wěn)定性時(shí),各土條水力計(jì)算有兩種方式:一種是計(jì)算土條周邊孔隙水壓力,一種是計(jì)算浮力和滲透力。一般條分法中水力是用面力表達(dá)的,故水力計(jì)算就是計(jì)算土條周邊孔隙水壓力。當(dāng)繪制了流網(wǎng)時(shí),計(jì)算土條周邊孔隙水壓力是一件容易的事。但一般邊坡很少繪制流網(wǎng),常按水深計(jì)算土條周邊孔隙水壓力,夸大了水力作用。為了解決上述問題,通過能量守恒原理和動(dòng)量定理分別建立了新的反映土體強(qiáng)度指標(biāo)和滲透力的計(jì)算模型,并通過降雨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,為該類泥石流啟動(dòng)的準(zhǔn)確評價(jià)提供了可以借鑒的方法。1人工降雨試驗(yàn)1.1研究對象及粒徑試驗(yàn)原料選擇云南東川蔣家溝支溝大凹子溝的中游,海拔1490m處的老滑坡的松散坡積物。試驗(yàn)區(qū)域選擇在坡地上,將松散土體集中堆積到一個(gè)土坡上,自然堆積形成坡頂顆粒相對較細(xì),而坡腳顆粒相對較粗的自然松散堆積物坡面,坡面松散堆積物至少30cm厚,堆積形成一個(gè)長5m寬1m的坡積土體。土體以自然休止角35°堆積在坡面上,劃定1m×5m長條土坡(圖1)為試驗(yàn)對象,周圍用防雨布覆蓋,以減少周圍徑流的影響。根據(jù)土體的配樣,堆積成圖1所示剖面的堆積體,然后在上、中、下3個(gè)點(diǎn)取土樣,分別對粗粒土進(jìn)行篩分,對細(xì)粒土(<0.1mm)采用比重計(jì)法測試,確定礫石土的顆粒組成特征(表1)。從顆粒分析的結(jié)果可以知道,總體上來看,上部土體的細(xì)顆粒含量較高,粘粒含量達(dá)到7.86%,礫石組分相對較少為42.65%。下部的松散堆積物礫石含量相對較高達(dá)到58.41%,而粘粒組分為6.37%。1.2超滲產(chǎn)流量的確定雨強(qiáng)初步確定為東川地區(qū)特大雨強(qiáng)60mm/h,試驗(yàn)土體周圍用不透水的塑料薄膜覆蓋,在試驗(yàn)土體的坡腳設(shè)有4個(gè)塑料桶,以便確定最終的超滲產(chǎn)流量。利用人工降雨系統(tǒng),就近用水泵抽水,用升壓器將水壓升高到0.2MPa,對稱安裝兩個(gè)可調(diào)節(jié)雨強(qiáng)的降雨噴頭,降雨高度距地面3m;利用水泵保持壓力,經(jīng)過一段時(shí)間后水流入滲的范圍不再變化,保持在土體一定的深度,總的降雨量減去超滲產(chǎn)流量就得到穩(wěn)定滲流量,經(jīng)計(jì)算穩(wěn)定滲流量為85.7ml/s。1.3滑動(dòng)土體滑動(dòng)土體本次實(shí)驗(yàn)的土體能正常的啟動(dòng),土體呈圓弧狀發(fā)生滑動(dòng),在坡腳的滑動(dòng)速度達(dá)到0.34m/s,并在坡腳前滑動(dòng)一段距離后停止。試驗(yàn)后測得滑動(dòng)土體的滑弧長28cm,弦長25cm,寬度為17cm,弦切角為44°,滑動(dòng)體最大厚度為5cm。試驗(yàn)完畢時(shí),剖開土體,可見土體的濕潤峰不均一分布,在基腳處土體濕潤峰達(dá)到16cm深,在中部土體的濕潤峰深度為8cm,頂部土體的濕潤峰僅為4.5cm,濕潤峰以上的土體形成基腳厚頂部薄的契形體。1.4實(shí)驗(yàn)材料及試樣制備對泥石流啟動(dòng)前的土體進(jìn)行不排水三軸試驗(yàn),試驗(yàn)儀器為TSZ30-2.0應(yīng)變控制式三軸儀。實(shí)驗(yàn)用料按試驗(yàn)儀器規(guī)格,配制基本符合野外采樣點(diǎn)的礫石土原始級配的試樣,除去大于5mm的顆粒,以2～5mm粒組等替換大于5mm的礫石,并保持實(shí)驗(yàn)用礫石土的礫石含量和粘粒含量不變。試驗(yàn)結(jié)果如表2。1.5土體抗拉力驗(yàn)算土體的穩(wěn)定性分析采用條分法計(jì)算,按試驗(yàn)后滑動(dòng)土體形狀的測量數(shù)據(jù)做出滑動(dòng)體斷面圖(如圖2)。按畢肖普公式,土體穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式為:Fs=∑(clicosαi+ωitanφ-γwjsi)1tanφsinαi/Fs+cosαi∑ωisinαi.(1)Fs=∑(clicosαi+ωitanφ?γwjsi)1tanφsinαi/Fs+cosαi∑ωisinαi.(1)式中:c為土體粘聚力,li為每個(gè)土條的弧長;αi為每個(gè)土條弧形邊中點(diǎn)與弧圓心的連線和豎直線的夾角,ωi為每個(gè)土條重量;φ為土體內(nèi)摩擦角,γw為水的重度,j為水力梯度,si為每個(gè)土條的面積。土體在該滑動(dòng)面方向上,受到土體自重應(yīng)力沿坡度方向的分力,水流的滲透力,土體的內(nèi)摩擦力和水流運(yùn)動(dòng)的拖曳力。自重應(yīng)力計(jì)算時(shí)取用土體在試驗(yàn)中達(dá)到最大飽和度時(shí)的密度,試驗(yàn)中測得土體的最大密度為2.29t/m3;滲透力的計(jì)算認(rèn)為土體表面的水層的厚度相等,則水力坡降等于土坡傾角的正切值,即j=tanθ=tan35°=0.70;c和φ取值見表2;由于土體表層受到的拖曳力很小,本次穩(wěn)定性分析將不再考慮拖曳力的影響。條分法將土條沿坡度方向十等分,每個(gè)土條的寬度為2.05cm,然后按畢肖普公式(式1)計(jì)算。對式(1)采用試算法求解,即先假定一個(gè)安全系數(shù),然后按式(1)求解出Fs,不斷改變設(shè)定的Fs值,直至按式(1)求得的值與假定的值相等,求得安全系數(shù)為1.7,具體計(jì)算過程如表3。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn),該坡體的安全系數(shù)大于土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的安全系數(shù)1.0,按條分發(fā)計(jì)算該泥石流是不會(huì)啟動(dòng)的,但是在試驗(yàn)中確實(shí)發(fā)生了泥石流,其原因在于條分發(fā)的前提,是每個(gè)條塊都滿足靜力平衡條件,而坡面泥石流在啟動(dòng)前,局部土體已經(jīng)發(fā)生了蠕變,部分條塊并不滿足靜力平衡條件,由此可見傳統(tǒng)的條分發(fā)并不能用來判斷坡面泥石流的啟動(dòng),需要建立新的穩(wěn)定性計(jì)算方法。2新的穩(wěn)定計(jì)算方法2.1坡面泥石流的發(fā)生對于試驗(yàn)土體,由于含有一定量粘土顆粒(平均7%左右),在降雨初期粘土顆粒吸水膨脹后產(chǎn)生的粘聚力依然存在。但根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),土體不均勻系數(shù)Cu越大(Cu大于20),粘粒越易被潛蝕。根據(jù)表1數(shù)據(jù),土體不均勻系數(shù)計(jì)算Cu如下:由上表可知,此試驗(yàn)土體易于發(fā)生潛蝕。隨著雨水的入滲,土體在動(dòng)水壓力作用下,坡面表層的粘粒最先被侵蝕,伴隨著侵蝕區(qū)域擴(kuò)展,粘粒在滲流的作用下的潛蝕現(xiàn)象越來越顯著,圖3是不同時(shí)刻電鏡下土體的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖3可以看出,試驗(yàn)土體的粘粒含量越來越低,潛蝕現(xiàn)象明顯。隨著粘粒的潛蝕,表層土體的粘聚力大大降低,坡面土體局部開始出現(xiàn)蠕滑,蠕滑持續(xù)時(shí)間較短,約2～3s,且具有一定動(dòng)量。在這一動(dòng)量作用下,蠕滑土體周圍的土體受到?jīng)_擊作用,促使孔隙水壓力升高,粘聚力持續(xù)降低甚至為0,此時(shí)的坡面土體進(jìn)一步破壞,就會(huì)啟動(dòng)形成泥石流。由此可見,坡面泥石流的產(chǎn)生可分為:滲透→面蝕→潛蝕→土體表面蠕滑→快速滑動(dòng)→液化產(chǎn)流共6個(gè)過程,如圖4所示:因此,試驗(yàn)中坡面表層的土體在啟動(dòng)的臨近狀態(tài),粘聚力特別低,可以看作為沒有粘性的散粒體結(jié)構(gòu)。為方便計(jì)算散粒體的內(nèi)摩擦系數(shù),將坡面泥石流啟動(dòng)土體看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn),圖5是抽象出來的坡面泥石流模型,各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下:弧EA是坡面泥石流的滑移面,在這個(gè)模型中,取單位寬度的啟動(dòng)土體EFD作為研究對象,弧EFD長度設(shè)為l,啟動(dòng)土體的質(zhì)量設(shè)為m,坡面泥石流從E點(diǎn)開始滑動(dòng),到達(dá)坡腳A點(diǎn)時(shí)速度是v。坡面泥石流從E點(diǎn)開始滑移到達(dá)A點(diǎn),水平高差為H,坡面泥石流從E點(diǎn)滑移到A點(diǎn)這一段距離中,摩擦系數(shù)設(shè)為f。根據(jù)能量守恒原理,該坡面泥石流在E點(diǎn)的能量應(yīng)該等于滑到A點(diǎn)時(shí)摩擦力對它所做的功和泥石流在A點(diǎn)的動(dòng)能。取坡面泥石流從E點(diǎn)滑移到A點(diǎn)的弧線長度為L,因此有Epl+Ekl=fmgcosθL+12mv2.(2)Epl+Ekl=fmgcosθL+12mv2.(2)式中:Epl是該坡面泥石流在E點(diǎn)開始滑動(dòng)時(shí)的勢能,等于其本身的重力與高差的乘積,即mgH;Ekl為該坡面泥石流在E點(diǎn)開始滑動(dòng)時(shí)的動(dòng)能,設(shè)其初始速度為0,則初始動(dòng)能為0;θ是斜坡的坡度。因此mgΗ=fmgcosθL+12mv2,(3)mgH=fmgcosθL+12mv2,(3)由此得f=mgΗ-12mv2mgcosθL.(4)f=mgH?12mv2mgcosθL.(4)其實(shí)在坡面泥石流爆發(fā)前,土體處于蠕滑過程中是有初始速度的,不過其加速度值極小,在這方面胡廣韜等曾對滑坡做過蠕動(dòng)加速度的測量計(jì)算,初始速度設(shè)為0對理論的精度影響不大。2.2土體滲流體的動(dòng)量定理水在松散土體中運(yùn)動(dòng)時(shí),對土體顆粒施加滲透力,滲透力的大小取決于孔隙水壓力產(chǎn)生的水力梯度,而土體中的孔壓波動(dòng)通常較大,難以在給定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)測得穩(wěn)定的值。因此有必要提出土體中計(jì)算滲透力的新方法。具體計(jì)算模型如下所示,為便于理解,將恒定的入滲流量簡化成圖6所示。假設(shè)水流為不可壓縮流體,當(dāng)水在土體中的滲流穩(wěn)定時(shí),Ⅰ-Ⅰ斷面與Ⅱ-Ⅱ斷面通過的流量相等,流速不同,即s1u1=s2u2=Q。s1與s2和u1與u2分別為Ⅰ-Ⅰ斷面和Ⅱ-Ⅱ斷面的面積與流速,Q為穩(wěn)定入滲量。對于恒定總流量,可將流體看作由若干緊密相連的運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)組成的質(zhì)點(diǎn)系,在恒定入滲總量中取一微元體,質(zhì)量為dm,其動(dòng)量定理可表述為:在△t時(shí)間內(nèi),質(zhì)量為dm的微元體的動(dòng)量變化dk等于該微元體所受外力的合力f在這一時(shí)間內(nèi)所受的沖量fΔt,即dk=dm(u2-u1)=fΔt。初始時(shí)刻微元體在Ⅰ-Ⅰ位置,經(jīng)過Δt時(shí)間后,運(yùn)動(dòng)到Ⅱ-Ⅱ位置。Δt時(shí)間內(nèi)微元體的動(dòng)量變化dk等于Ⅰ-Ⅰ位置與Ⅱ-Ⅱ位置流體微元體各質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的矢量和之差,則微元體的動(dòng)量變化為dk=dmu2-dmu1=dm(u2-u1)。設(shè)各過水?dāng)嗝娴拿娣es是斷面位置x的函數(shù),即s=f(x)因各過水?dāng)嗝娴牧髁肯嗟?即su=Q,則u=Qs=Qf(x),u=Qs=Qf(x),故dt=dxu=f(x)dxQ.dt=dxu=f(x)dxQ.式中:Q為恒定入滲量,x為過水?dāng)嗝娴奈恢?。Δt=∫dt=∫0Lf(x)Qdx,f(x)Qdx,式中:L為出滲過水?dāng)嗝娴奈恢?。根?jù)動(dòng)量守恒定理:fΔt=dm(u2-u1),因此f=dm(u2-u1)Δt.f=dm(u2?u1)Δt.設(shè)土體中全部水體所受外力和為F,則F=∫f=∫u2-u1Δtdm=Μω(u2-u1)Δt,(5)u2?u1Δtdm=Mω(u2?u1)Δt,(5)其中Mω為土體中滲流水體的總質(zhì)量。設(shè)土體施加給水體的滲流阻力為j,水體的重量為Mωg,則沿X軸方向水體在Δt時(shí)間內(nèi)所受的外力的合力F=Mωgsinθ-j,則j=Μωgsinθ-Μω(u2-u1)Δt.j=Mωgsinθ?Mω(u2?u1)Δt.于是,土體受到水體的滲透力大小為j′=j=Μωgsinθ-Μω(u1-u1)Δt.(6)j′=j=Mωgsinθ?Mω(u1?u1)Δt.(6)其中:j′為水流施加給土體的滲透力。2.3土體土體表征按濕潤峰的測量數(shù)據(jù)繪出雨水入滲斷面圖(如圖7),擬合單位寬度土體濕潤斷面面積的函數(shù):s=0.0056x2+0.0063x+0.045(m2),即滲流斷面面積的函數(shù)為f(x)=s=0.0056x2+0.0063x+0.045(m2);Δt=∫dt=∫L0f(x)Qdx=104(min).水流在入滲斷面的流速u1=Qs1=1.07(mm?s-1),水流在出滲斷面的流速u2=Qs2=0.535(mm?s-1),其中e為孔隙比,試驗(yàn)土體孔隙比e=0.7,L=5m,Q=85.7ml·s-1。經(jīng)計(jì)算,濕潤峰以上土體的體積V=0.537m3,滑動(dòng)土體的體積V1=0.0085m3,土體含水量ω=0.207,由表2知土體干密度ρd=1570kg/m3,由此得濕潤峰以上土體中水的質(zhì)量Mω=Vρdω=2.76kg,則濕潤峰以上土體所受的滲透力j′=Μωgsinθ-Μω(u2-u1)Λt=15.35(Ν).假設(shè)濕潤峰以上土體所受的滲透力分布是均勻的,滲透力的大小只與土體的體積有關(guān),則滑動(dòng)土體所受的滲透力為j=j′×V1V=0.25(Ν).以單位寬度滑動(dòng)土體為研究對象,測得此時(shí)土體濕密度ρ=1.62kN/m3,則單寬滑動(dòng)土體濕重量W=ρ×V1=13.8N/m。利用式(4),(6)重新計(jì)算土坡穩(wěn)定性:Κ=Wcosθf-jWsinθ,(7)其中f=m