降雨條件下含裂隙坡積土邊坡的滲流特性研究

向延虎，江威

(1. 桑植縣交通建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 桑植 427100；2. 中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

隨著高速公路的修建，形成了大量裸露的坡積土邊坡坡面。坡積層由于地質(zhì)作用、風(fēng)化和人為擾動等原因易產(chǎn)生大量裂隙，在降雨時，極大地削弱了邊坡的穩(wěn)定，嚴(yán)重地?fù)p害了當(dāng)?shù)厝藗兊纳敭a(chǎn)安全[1-2]。降雨條件下，雨水通過裂隙快速滲入到邊坡內(nèi)部，使邊坡內(nèi)部孔隙水壓力和含水率快速上升，導(dǎo)致邊坡滲流場發(fā)生變化，且邊坡內(nèi)基質(zhì)吸力的喪失和下滑力的增大，會誘發(fā)邊坡失穩(wěn)[3-5]。

目前，研究降雨條件下邊坡滲流特性的手段多為試驗或數(shù)值分析[6-7]。有學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗對粉砂邊坡的滲流特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同滲流邊界條件下粉砂邊坡的滲流特性和失穩(wěn)模式均不相同[8]。在現(xiàn)有研究成果[9-11]中，由于進(jìn)行模型試驗時邊坡中的裂隙難以設(shè)定，因此，很少使用模型試驗研究裂隙對邊坡滲流的影響。在數(shù)值模擬方面，韓同春[12]等人基于雙重入滲模型，探討了裂隙土的滲流特性和含裂隙邊坡的穩(wěn)定性。陳善雄[13]等人通過建立膨脹土裂隙邊坡地質(zhì)模型，對含裂隙膨脹土邊坡的穩(wěn)定性及其特征進(jìn)行了深入的研究。但該裂隙特征研究過于單一，裂隙條數(shù)對含裂隙邊坡的滲流特性的影響研究尚不深入。因此，作者以四川某坡積土邊坡為例，擬采用數(shù)值模型分析無裂隙、單裂隙及多裂隙3 種裂隙分布的邊坡在降雨條件下的滲流特征，以期為研究裂隙各向異性對邊坡的穩(wěn)定性提供借鑒。

1 計算模型與計算方案

1.1 計算模型的建立

以四川省涼山地區(qū)一典型坡積土邊坡為例，其坡高為22 m，坡比為1:2，坡積層厚度為6 m，基于該邊坡的地質(zhì)條件建立計算模型，如圖1 所示。計算采用三節(jié)點和四節(jié)點網(wǎng)格。其網(wǎng)格單元數(shù)為4 297 個，節(jié)點數(shù)4 423 個。由于裂隙極易在坡積土表層出現(xiàn)，因此，只在坡積層范圍內(nèi)考慮裂隙分布?？紤]單裂隙時，僅在坡頂(x=10 m)設(shè)置一條裂隙；考慮多裂隙時，在坡頂(x=10 m)、坡中(x=20 m)及坡腳(x= 30 m)處分別設(shè)置一條裂隙，且裂隙的傾角為90°。為監(jiān)測坡積土邊坡內(nèi)體積含水率和孔隙水壓力的變化規(guī)律，在坡頂處設(shè)置監(jiān)測面。

圖1 邊坡數(shù)值模型Fig.1 Numerical analysis model of slope

1.2 計算原理

降雨入滲是一個飽和-非飽和滲流過程，其滲流特征服從達(dá)西定律，其偏微分方程為[14-15]：

式中：kwx,kwy分別為x,y方向上的滲透系數(shù)，m/s；H為總水頭，m；Q為滲入土體中水的滲透量，L/s；θ為體積含水率；t為滲流持續(xù)時間，s。

分析裂隙對邊坡滲流特性的影響時，可將裂隙兩側(cè)視為邊界或者利用等效滲透系數(shù)法對裂隙進(jìn)行處理[16-17]。本研究采用等效滲透系數(shù)法，在分析過程中，將坡積土邊坡土體分為裂隙區(qū)域和原狀土區(qū)域，且將裂隙區(qū)域作為各向異性的材料。通過壓水試驗對坡積土邊坡各土層的滲透特性進(jìn)行了測定，得到坡積土層和基巖的飽和滲透系數(shù)分別為ksat1=1.26×10-7m/s 和ksat2=1×10-9m/s，裂隙土垂直裂隙方向的滲透系數(shù)kw′x=1.80×10-5m/s。在進(jìn)行裂隙滲流處理時，通常認(rèn)為裂隙土在順裂隙方向飽和滲透系數(shù)高于垂直裂隙方向飽和滲透系數(shù)1～3個數(shù)量級[18]，因此，本研究順裂隙方向滲透系數(shù)取k′y=100kw′x。同時，坡積土飽和體積含水率和殘余體積含水率通過試驗獲得，它們分別為θs=0.376 和θr=0.02。

1.3 計算參數(shù)和方案

為研究降雨條件下含裂隙坡積土邊坡的滲流特征，參照四川省涼山州北部地區(qū)的降雨量及中國氣象部門對降雨量等級的劃分，對降雨工況(降雨強度5.79×10-7m/s，降雨歷時7 d)進(jìn)行劃分：無裂隙、單裂隙和多裂隙。

2 結(jié)果與分析

2.1 裂隙對坡積土邊坡含水率的影響

1) 不同裂隙對坡積土邊坡坡頂含水率的影響

經(jīng)過計算不同裂隙分布的坡積土邊坡坡頂在降雨條件下的含水率，得到了其坡頂含水率變化規(guī)律，如圖2 所示。從圖2 中可以看出：①初始狀態(tài)時，無裂隙邊坡表面含水率為0.21。降雨1 d 后，表面含水率上升至0.375，此時達(dá)到坡積土的飽和體積含水率。隨著降雨時間的持續(xù)增長，土體的浸潤線不斷下移，飽和區(qū)深度隨之增加。停止降雨后的0～5 d 內(nèi)，邊坡表面體積含水率由0.375 逐漸下降至0.304，飽和區(qū)逐漸消散，水分緩慢向邊坡深處下滲并消散。②邊坡存在裂隙時，隨著降雨時間的持續(xù)增長，裂隙范圍的內(nèi)體積含水率也逐漸增大，且單裂隙與多裂隙的含水率隨高程的變化曲線相似。這是由于裂隙滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于其周圍土體的。降雨期間，單裂隙和多裂隙均形成了雨水快速入滲通道，導(dǎo)致雨水快速入滲至裂隙底部。無裂隙邊坡雨水入滲深度最小，且雨水在裂隙底端的集聚更易在裂隙底端產(chǎn)生暫態(tài)飽和區(qū)。

圖2 降雨作用下坡積土邊坡坡頂含水率隨高程的變化曲線Fig.2 Variation curve of slope top moisture content with elevation under the action of rainfall

2) 不同裂隙對坡積土邊坡的含水率的影響

降雨結(jié)束時，不同裂隙分布坡積土邊坡的含水率分布云圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出：①相同降雨條件下，同一埋深處裂隙周圍土體的含水率明顯高于坡內(nèi)其他位置的，表明裂隙為雨水提供了快速入滲通道，水分可通過裂隙側(cè)面和底部快速向周圍土體入滲，從而導(dǎo)致裂隙區(qū)域周圍的土體含水率迅速升高。②裂隙分布會對坡內(nèi)含水率分布造成顯著影響，由于裂隙與周圍土體滲透性的差異，雨水沿裂隙入滲后會在裂隙尖端與土體交界處集聚，造成該處含水率迅速升高，并在一定范圍內(nèi)達(dá)到飽和狀態(tài)。③裂隙區(qū)域附近靠近坡頂側(cè)的土體含水率小于靠近坡腳側(cè)的土體含水率，這與水力梯度作用造成的水分向坡下聚集有關(guān)。同理，裂隙位置越靠近坡腳，裂隙底端形成飽和區(qū)越容易擴大、下移至與地下水位連通，直至造成地下水位升高。

2.2 裂隙對坡積土邊坡孔隙水壓力的影響

1) 降雨條件下，裂隙對坡積土邊坡孔隙水壓力的影響

圖3 不同裂隙分布下坡積土邊坡的含水率分布云圖Fig.3 Cloud map of water content distribution of downhill slope with different fissure distribution

采用數(shù)值模型，分析了降雨條件下不同裂隙分布的坡積土邊坡孔隙水壓力隨高程的分布規(guī)律，其分布曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出：①若邊坡為無裂隙坡積土邊坡時，在降雨初期，由于雨水的入滲，無裂隙邊坡表面孔隙水壓力急劇升高，且雨水入滲的影響范圍隨著降雨時間持續(xù)增長而逐漸擴大；降雨停止后，邊坡內(nèi)孔隙水壓力沿高程的分布迅速恢復(fù)至與初始狀態(tài)平行。②邊坡中存在裂隙時，其與無裂隙的孔隙水壓力分布具有明顯差異。裂隙深度范圍內(nèi)孔隙水壓力分布曲線與初始分布曲線平行，降雨1～3 d 期間邊坡孔隙水壓力的增量最大，隨后逐漸減小。③裂隙的存在促進(jìn)了邊坡深層孔隙水壓力的升高。降雨停止時，單、多裂隙邊坡高程為16 m 處的孔隙水壓力分別為-1.6 kPa和-2.02 kPa，明顯大于無裂隙邊坡同一高程處的。

圖4 降雨條件下坡積土邊坡坡頂孔隙水壓力隨高程的分布曲線Fig.4 Distribution curve of pore water pressure on the top of slope with elevation under rainfall conditions

2) 降雨結(jié)束時，裂隙對坡積土邊坡孔隙水壓力的影響

降雨結(jié)束時，不同裂隙分布的坡積土邊坡孔隙水壓力的分布情況如圖5 所示。從圖5 中可以看出：①降雨入滲時，隨著邊坡土體深度的增加，邊坡孔隙水壓力逐漸升高。②若邊坡中存在裂隙時，其孔隙水壓力的分布顯著變化。③同一高程下，裂隙上端孔隙水壓力小于周圍土體，而裂隙下端孔隙水壓力大于周圍土體。表明：降雨條件下，裂隙的高滲透性引起雨水向裂隙內(nèi)集聚，從而導(dǎo)致裂隙上端的孔隙水壓力較小。雨水通過裂隙快速下滲，在裂隙底端與土體交界處匯集，并在裂隙水頭和持續(xù)降雨的作用下向下部土體入滲，導(dǎo)致裂隙下端的孔隙水壓力的迅速升高。此外，裂隙位于坡頂時，對地下水位基本沒有造成影響，而裂隙位于坡中和坡腳時，造成地下水位大幅升高，對孔隙水壓力分布的影響更顯著。

圖5 不同裂隙分布下邊坡孔隙水壓力的分布云圖Fig.5 Distribution cloud diagram of pore water pressure in slope under different fracture anisotropy

2.3 裂隙對坡積土邊坡暫態(tài)飽和區(qū)的影響

在實際工程中，飽和度達(dá)到95%的黏性土視為完全飽和土。對于該邊坡工程，當(dāng)土體體積含水率達(dá)到0.357 時，認(rèn)為已經(jīng)完全飽和。降雨停止時，不同裂隙分布的坡積土邊坡中暫態(tài)飽和區(qū)的分布情況如圖6 所示。從圖6(a)中可以看出，降雨停止時，無裂隙邊坡表層形成了深度為1.5 m 的連續(xù)且較為均勻的暫態(tài)飽和區(qū)。從圖6(b)，(c)中可以看出：①對于裂隙邊坡而言，雨水入滲首先導(dǎo)致邊坡表層體積含水率達(dá)到飽和。同時，由于裂隙為雨水入滲提供了優(yōu)勢通道，雨水通過裂隙快速下滲至裂隙底端，造成其表層暫態(tài)飽和區(qū)出現(xiàn)斷裂。②在裂隙底端形成了較大區(qū)域的暫態(tài)飽和區(qū)，這是由于裂隙內(nèi)被雨水充滿后形成的水頭促使水分向周圍土體入滲造成的。③表層暫態(tài)飽和區(qū)分布呈現(xiàn)出坡頂較淺、坡腳較厚的形態(tài)。此外，裂隙位置越靠近坡腳，其底端形成的暫態(tài)飽和區(qū)面積也越大，且容易與地下水連通造成水位升高。暫態(tài)飽和區(qū)分布與發(fā)展的不均勻性是由重力和水力梯度造成的，位置越低，水分越容易往該處聚集，引起該處暫態(tài)飽和區(qū)的擴展。

圖6 降雨停止時邊坡中暫態(tài)飽和區(qū)的分布Fig.6 Distribution of transient saturation zone in slope at the end of rainfall

不同裂隙分布的坡積土邊坡在降雨入滲作用下的暫態(tài)飽和區(qū)分布各不相同，其暫態(tài)飽和區(qū)面積的變化速率也有顯著的區(qū)別。通過數(shù)值分析，得到不同裂隙分布的坡積土邊坡暫態(tài)飽和區(qū)面積隨降雨歷時的變化曲線，如圖7 所示。從圖7 中可以看出，隨著降雨的持續(xù)，無裂隙、單裂隙及多裂隙坡積土邊坡的暫態(tài)飽和區(qū)面積均隨降雨歷時的增加而呈現(xiàn)出指數(shù)型增長。飽和區(qū)面積在降雨停止時刻分別達(dá)到73.91 m2(無裂隙)、71.65 m2(單裂隙)和85.43 m2(多裂隙)。降雨停止后，不同裂隙分布的坡積土邊坡中暫態(tài)飽和區(qū)的消散速率從大到小為無裂隙、單裂隙和多裂隙。其原因在于：降雨初期無裂隙邊坡表面形成連續(xù)的飽和區(qū)域，而裂隙邊坡由于裂隙的存在，裂隙附近表層區(qū)域未達(dá)到飽和，裂隙下端暫態(tài)飽和區(qū)也未成型，因此無裂隙邊坡暫態(tài)飽和區(qū)面積略大。隨著雨水持續(xù)下滲，裂隙下端開始出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，該飽和區(qū)在裂隙水頭及雨水的補給下不斷擴大下滲，甚至下移至與地下水位連通，造成飽和區(qū)面積顯著增大。在降雨停止后，由于多裂隙邊坡的坡腳處暫態(tài)飽和區(qū)與地下水位連通，故其坡腳處形成的大面積暫態(tài)飽和區(qū)的消散速率最慢。

圖7 暫態(tài)飽和區(qū)面積隨降雨歷時的變化曲線Fig.7 Variation curve of transient saturation area with rainfall duration

3 結(jié)論

通過對降雨條件下無裂隙、單裂隙及多裂隙的坡積土邊坡的滲流特性進(jìn)行研究，得到的結(jié)論為：

1) 雨水入滲首先會導(dǎo)致邊坡表層含水率迅速升高。隨著降雨時間的持續(xù)，邊坡內(nèi)部受雨水影響范圍逐漸擴大。裂隙導(dǎo)致坡積土邊坡內(nèi)部含水率的分布規(guī)律發(fā)生明顯變化，裂隙滲透性遠(yuǎn)大于其周圍土體的，從而導(dǎo)致雨水可沿裂隙直接入滲至邊坡深處，對邊坡滲流場產(chǎn)生巨大的影響。

2) 降雨初期，裂隙的高滲透性使得雨水通過裂隙快速到達(dá)邊坡深處，表現(xiàn)為裂隙區(qū)域內(nèi)孔隙水壓力線性分布，裂隙區(qū)域以下孔隙水壓力增量變大。隨著降雨持續(xù)，裂隙內(nèi)的滲流主要由雨水控制，孔隙水壓力增量逐漸減小。裂隙區(qū)域以下土體由于受到裂隙水的入滲，其孔隙水壓力的變化幅度大于無裂隙邊坡的。

3) 無裂隙邊坡表面形成了連續(xù)且較為均勻的暫態(tài)飽和區(qū)。而在含有裂隙的邊坡中，由于裂隙的存在，使表層暫態(tài)飽和區(qū)出現(xiàn)斷裂。此外，不僅在邊坡表面，而且在裂隙底端會形成暫態(tài)飽和區(qū)。該飽和區(qū)會隨著降雨的持續(xù)逐漸擴大，下移直至與地下水連通，造成地下水位升高，該現(xiàn)象也使得降雨停止后飽和區(qū)的消散速率變慢。