降雨過程中裂隙對膨脹土邊坡滲流影響的簡化方法

降雨過程中裂隙對膨脹土邊坡滲流影響的簡化方法

自然條件下的膨脹土是典型的非飽和土，具有強烈的破裂和水土流失的特點。在氣候影響下，在一定深度內(nèi)，土壤表面上多次受到降水和干燥循環(huán)的影響，邊緣裂縫繼續(xù)發(fā)育，這將顯著不同于飽和膨脹土的情況。根據(jù)大量研究，降水造成斜坡坍塌的主要原因是土壤中孔壓的變化，這導(dǎo)致土壤的耐剪強度大大降低。這并不難解釋道路大壩、過去和將來的污水山坡和排水溝的坍塌、滑倒和滑坡，這通常在雨季會發(fā)生坍塌和滑坡。因此，對多孔膨脹土邊坡的降水滲透方法的研究具有重要的工程價值和意義。裂隙性是膨脹土邊坡的主要特性之一,在降雨滲流分析過程中不可忽略其影響作用.以往裂隙膨脹土邊坡滲流的分析方法主要為以下兩種方法:一是將膨脹土作為完整的均質(zhì)土,整個邊坡土體采取同一力學(xué)參數(shù)進行分析;二是采用相對復(fù)雜的裂隙統(tǒng)計方法,在模擬分析中對邊坡裂隙概化處理,對裂隙進行考慮.第一類方法顯然不符合土體實際工作狀態(tài),第二類方法雖然對裂隙進行了考慮,但是概化的結(jié)果與邊坡裂隙實際狀況還是存在差距,對滲流的影響不能準(zhǔn)確的反映.本文在前人研究的基礎(chǔ)上,分析了膨脹土邊坡(本文所指膨脹土邊坡系整個坡體均為膨脹土組成,不考慮與其他土層互層等情況)坡體裂隙對降雨滲流的影響,提出將邊坡從表面向深部依次劃分為裂隙影響層和原始層兩個亞層,來近似反映裂隙狀態(tài)下邊坡工作狀態(tài)的方法.通過現(xiàn)場試驗方法對不同土層相應(yīng)賦予力學(xué)參數(shù),同時對各亞層的深度進行了研究確定,然后根據(jù)前人所進行的膨脹土邊坡現(xiàn)場降雨試驗實例,采用MIDAS/GTS有限元分析軟件,對不同降雨持時條件下邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的分布規(guī)律進行模擬分析,并將分析結(jié)果與現(xiàn)場得出的試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析,得出本文提出的考慮裂隙方法的正確性與實用性.1裂縫對降水流量的影響1.1裂隙影響下的降雨入滲方式.氣候影響是導(dǎo)致膨脹土體開裂的主要因素.隨著膨脹土表層土體內(nèi)部水分蒸發(fā),負(fù)孔隙水壓力(基質(zhì)吸力)不斷增大,體積收縮并產(chǎn)生張拉裂隙.裂隙不僅在深度方向發(fā)展,水平方向的次生裂隙也會不斷擴展.大氣影響范圍內(nèi),裂隙發(fā)育在空間內(nèi)不斷進行,最終膨脹土邊坡被裂隙分割成大小不一的塊體,使邊坡內(nèi)部區(qū)域與外部聯(lián)通.降雨過程中,雨水首先沿寬大的裂隙入滲,進入土體內(nèi)部,然后經(jīng)由裂隙網(wǎng)絡(luò)再向四周滲透.現(xiàn)場試驗證實,風(fēng)化層的滲透性比膨脹土本身滲透性大2～4個數(shù)量級.裂隙影響下降雨入滲方式由單一的平面入滲變?yōu)榭臻g入滲,入滲的接觸面積加大,滲流速度加快.1.2邊坡表面土體滲透能力與下土體分離的關(guān)系表層大氣影響范圍內(nèi),坡體裂隙將膨脹土邊坡土體切割成大小不一的塊體,其土體特性大大區(qū)別于均質(zhì)土體,不僅強度特性要同原狀土體有所差異,其滲透能力也顯著高于下部未遭受影響的土體.這就造成了邊坡表層土體滲透能力高,而下部土體滲透能力很低的現(xiàn)象.下部土體微弱的滲透能力相對于上部土體可以認(rèn)為是不透水的,形成相對“隔水層”.在干旱季節(jié)或者雨季,此接觸面下原始層區(qū)域土體的含水量受到“隔水層”影響含水量變化很小.降雨過程中當(dāng)雨水入滲到兩區(qū)域的接觸面將暫時性積水,可能出現(xiàn)滯水現(xiàn)象(如圖1所示).因此在進行膨脹土邊坡的降雨滲流分析中,兩個亞層應(yīng)該區(qū)別對待.2土體及亞層參數(shù)取值本文通過將膨脹土邊坡從表面向深部依次劃分為裂隙影響層和原始層兩個亞層,分別對兩層土體賦予不同的非飽和土物理參數(shù)來近似反映裂隙對膨脹土邊坡降雨滲流的影響.各亞層深度確定和土體參數(shù)取值方法詳述如下.2.1抗膨脹土體裂隙影響層深度的確定方法受到裂隙影響的膨脹土滲透系數(shù)將與原狀土體有著明顯的區(qū)別,這是劃分裂隙影響層和原狀土體最直接的標(biāo)志.但是實際中膨脹土的滲透系數(shù)很小,試驗耗費時間過長,因而應(yīng)該盡量減少對滲透系數(shù)的測定試驗.上文中對裂隙對膨脹土滲流的影響機理進行了分析,在地下水影響之外,兩亞層土體含水量豎向分布規(guī)律會出現(xiàn)突變,存在含水量變化特征點,而且由于裂隙的存在,膨脹土結(jié)構(gòu)性遭到破壞,造成土體強度的降低,使膨脹土邊坡下層土體強度出現(xiàn)突增的情況(如圖2、3所示).因而裂隙影響層深度可以采用測定土體含水量變化特征點和測定土體強度突變位置深度的間接方法進行確定.2.2土水特征曲線自然狀態(tài)下的膨脹土邊坡降雨入滲是一種典型的非飽和滲流問題.可以通過試驗確定土樣的飽和滲透系數(shù)和土水特征曲線,再由擬合的土水特征曲線求取非飽和膨脹土的滲透系數(shù).因此,需要在確定裂隙影響層深度he的基礎(chǔ)上分別取樣測定各亞層的飽和滲透系數(shù)以及土水特征曲線,求取各土層的非飽和滲透系數(shù).因為膨脹土具有很強的區(qū)域性,同一地區(qū)膨脹土其特性基本相同,因此當(dāng)無條件進行現(xiàn)場非飽和土體參數(shù)試驗時可以選取本地區(qū)的已有試驗數(shù)據(jù).國內(nèi)外用于土水特征曲線擬合使用最多的就是VanGenuchten提出的S形曲線模型(見式1),其參數(shù)物理意義較為明確,擬合程度高的特點,使該模型得到較為廣泛的應(yīng)用.θ=θr+θs+θr[1+(αψ)n]mθ=θr+θs+θr[1+(αψ)n]m,(1)式中:θ為體積含水量;θs為飽和體積含水量;θr為殘余體積含水量;ψ為基質(zhì)吸力;α為土壤進氣值ψb的倒數(shù);n,m反映的是含水量隨吸力變化的程度,n=1/m.3典型坡面降雨模擬試驗案例工程實例選用文獻湖北省棗陽市大崗坡二級提灌站的引水渠一典型坡面降雨模擬試驗為例,邊坡埋設(shè)孔壓和體積含水量監(jiān)測設(shè)備,用于孔隙水壓力和土體含水量監(jiān)測,邊坡尺寸、地下水位情況及監(jiān)測剖面布置如圖4所示.3.1初始條件及數(shù)值依據(jù)現(xiàn)場邊坡實際情況(如圖4所示),邊坡長28.7m,高11.0m,考慮3個監(jiān)測剖面的位置以及地下水的影響,模型長度方向要包括3個監(jiān)測剖面,深度方向要大于地下水位.因而邊坡長度方向取49.7m,邊坡下方取10m深度.依據(jù)第1節(jié)裂隙影響層劃分方法,由文獻中各深度土體含水量(如圖5所示),判斷裂隙影響層深度為1.5m.因此依據(jù)本文提出方法建立的邊坡計算剖面及有限元網(wǎng)格如圖6所示.由于文獻并未進行現(xiàn)場土體的土-水特征參數(shù)試驗,本次模擬裂隙影響層所采用的土水特征曲線參照文獻對本段渠道邊坡膨脹土的原狀土試驗數(shù)據(jù).原始層的滲透系數(shù)相對于裂隙層要降低2～4個數(shù)量級,由于滲透能力極低,對模擬結(jié)果影響很小,本文假定其滲透系數(shù)為裂隙影響層的1/100.兩亞層膨脹土的土-水特征曲線如圖7、圖8所示.初始條件下邊坡兩側(cè)地下水位存在水位差,在兩側(cè)水頭壓差作用下,邊坡內(nèi)部滲流產(chǎn)生的孔隙水壓力分布情況如圖9所示.3.2邊坡流量分析為了驗證本文提出方法的合理性,按照現(xiàn)場的試驗情況進行模擬工況設(shè)計,具體如下:(1)工況1:不考慮裂隙的影響,將整個邊坡當(dāng)做均一土質(zhì)邊坡,采用同一非飽和參數(shù)進行分析,降雨持時8天邊坡孔隙水壓力分布(如圖10所示);(2)工況2:按照本文提出方法考慮裂隙的影響.降雨持時8天,降雨強度為63mm/天,將0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,…,2,2.5,3,3.5,…,8天作為各時刻輸出計算結(jié)果.降雨過程中當(dāng)降雨強度小于土體入滲率時,按定流量邊界條件處理;大于土體入滲率時,按定水頭邊界處理.取其中具有典型代表時間0.5、1.5、2、8天孔隙水壓力分布,如圖11～圖14所示,選取圖4中R2監(jiān)測剖面0.6、1.2、1.4、1.6m深度的孔隙壓力實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比分析,如圖15所示.3.3高水邊坡孔隙水壓力采用本文提出方法對實際工程的模擬,通過分析結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果對比分析,得出以下結(jié)論:(1)膨脹土邊坡降雨分析時必須考慮裂隙的影響.當(dāng)忽略坡體裂隙的影響時,通過對降雨過程中邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的模擬分析可以看出,由于不考慮裂隙時土體滲透系數(shù)很小,因而降雨過程對邊坡的影響很小,孔隙水壓力僅在邊坡表層變化明顯,邊坡內(nèi)部幾乎不受影響,如圖10所示.而實際狀態(tài)中,監(jiān)測剖面R2的孔隙水壓力變化實測曲線如圖15所示,隨著降雨的進行,邊坡不同深度孔隙水壓力不斷增大,忽略裂隙影響的模擬結(jié)果顯然與邊坡降雨過程的實際情況不符.因此在進行膨脹土邊坡降雨入滲分析時必須考慮裂隙的影響作用.由于裂隙的存在,滲流影響范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于將膨脹土視為均一土質(zhì)邊坡時的情況.(2)降雨過程中,孔隙水壓力并不是一直處于緩慢增長的過程,而是在降雨1.5天左右存在一個突變(如圖15所示),然后孔隙壓力趨于平穩(wěn)階段,分析其原因可能為裂隙影響層土體接近飽和狀態(tài)時,由于下部土層近似于不透水層,造成孔隙水壓力的激增,而后隨著邊坡內(nèi)部水分的運移,孔隙壓力到達一個相對平衡的狀態(tài).通過模擬分析與現(xiàn)場實測的邊坡內(nèi)部孔隙水壓力對比表明,模擬得出的孔隙水壓力在降雨過程中除R2-1.6處模擬得出的孔隙水壓力與實測結(jié)果差別較大外,其余兩者結(jié)果一致,說明提出的方法是合理的.分析出現(xiàn)差別的原因是此監(jiān)測位置距離地下水較近,而數(shù)據(jù)模擬地下水的影響未必能與現(xiàn)場實際情況一致,因此模擬得到結(jié)果與實際存在一定的差異.(3)隨著降雨的持續(xù),雨水不斷入滲,膨脹土邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的變化過程如圖11～圖14所示,深度上孔隙水壓力的分布并不服從靜水壓力分布,而是在一定范圍內(nèi)以兩亞層接觸面成近似對稱狀態(tài).分析任意時刻邊坡內(nèi)部兩亞層接觸面區(qū)域水流速度較大,見圖15,說明提出方法能夠反映由于上下兩個亞層滲透系數(shù)相差太大,上層滲流在接觸面處積聚形成滯水層滲流的現(xiàn)象.這在現(xiàn)場實測中也得到了驗證.4裂隙膨脹土邊坡降雨滲流影響的方法與實例本文嘗試提出一種將膨脹土邊坡按裂隙影響深度進行分層,然后根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗結(jié)合的方法確定各亞層飽和-非飽