降雨条件下体积含水率对堆积体边坡渗流特性的影响研究

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１５／２３（５）０８２７０８ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１５．０５．００３降雨条件下体积含水率对堆积体边坡渗流特性的影响研究张书华①　张海龙②　赵中华③（①三峡大学科技学院　宜昌　４４３００２）（②雅砻江流域水电开发有限公司　成都　６１００５１）（③湖北清江水电开发有限公司　宜昌　４４３００２）摘　要　锦屏水电站对外交通专用公路Ｋ４８＋７２２～８００段滑坡受降雨影响明显，其深层稳定性关系到工程安全。本文依据实验数据，采用ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ方法拟合出滑坡体材料的土水特征曲线，以体积含水率反应土体初始湿润状态，研究了降雨条件下边坡压力水头的演化规律，体积含水率对压力水头以及边坡稳定性的影响。结果表明，降雨初期，坡体表面以及滑面处压力水头先增大，并向坡体内部逐渐扩展。雨停一段时间后，坡体表面以及前缘区压力水头逐渐消散，滑面后缘局部地区压力水头会有所升高，压力水头随着体积含水率的增大而增大。体积含水率较小时，在一定的时间内，边坡的稳定性系数先保持稳定，后缓慢降低；当体积含水率较大时，雨停一定时间后边坡的稳定性系数会出现上升的趋势。关键词　体积含水率　ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ方法　压力水头　边坡稳定性　锦屏水电站中图分类号：Ｕ４１５１　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１４－０６－２０；收到修改稿日期：２０１５－０４－２１．基金项目：国家自然科学基金（４１３７２２９７）资助．第一作者简介：张书华（１９８４－），女，硕士，讲师，主要从事土建类专业教学及研究工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＷＡＴＥＲＣＯＮＴＥＮＴＯＮＳＥＥＰＡＧＥＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳＯＦＳＬＯＰＥＤＥＰＯＳＩＴＵＮＤＥＲＲＡＩＮＦＡＬＬＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳＺＨＡＮＧＳｈｕｈｕａ①　ＺＨＡＮＧＨａｉｌｏｎｇ②　ＺＨＡＯＺｈｏｎｇｈｕａ③（①ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ　４４３００２）（②ＹａｌｏｎｇＲｉｖｅｒＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５１）（③ＨｕｂｅｉＱｉｎｇｊｉａｎｇＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．Ｙｉｃｈａｎｇ　４４３００２）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＴｈｅｈｉｇｈｗａｙｓｌｏｐｅｏｆＫ４８＋７２２～８００ｉｎＪｉｎｐｉｎｇｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｉｓｇｒｅａｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｒａｉｎｆａｌｌ．Ｔｈｅｄｅｅｐｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｓｌｏｐｅｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｆｉｔｔｈｅＳＷＣＣｓｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅｓｏｉｌｓ．Ｔｈｅｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｍｏｉｓｔｓｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｉｌ．Ｔｈｅｎｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｒｕｌｅｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄａｎｄｓｌｏｐｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒｒａｉｎｆａｌｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄａｔｔｈｅｓｌｏｐｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｓｌｉｐｉｎｃｒｅａｓｅｓｇｒａｄｕａｌｌｙａｔｅａｒｌｙｒａｉｎｓ．Ｔｈｅｎｔｈｅａｒｅａｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄｃａｎｅｘｐｅｎｄｔｏｗａｒｄｔｈｅｉｎｓｉｄｅｏｆｓｌｏｐｅｂｏｄｙ．Ｆｏｒａｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅａｆｔｅｒｒａｉｎｆａｌｌ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｉｎｆｅｒｉｏｒｒｅｇｉｏｎｄｉｓｓｉｐａｔｅｓ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄｏｆｐａｒｔｉａｌｔｒａｉｌｉｎｇａｒｅａｏｆｓｌｉｐｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄｗｏｕｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ．Ａｎｄｗｈｅｎｔｈｅｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｓｌｉｔｔｌｅ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｓｌｏｐｅｃａｎｋｅｅｐｕｎｃｈａｎｇｉｎｇｆｏｒａｃｅｒｔａｉｎｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｎｓｌｏｗｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅｃａｎｈａｖｅａｎｕｐｗａｒｄｔｒｅｎｄａｆｔｅｒｒａｉｎｆａｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ，ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，Ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｅａｄ，Ｓｌｏｐｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，Ｊｉｎｐｉｎｇｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ０　引　言　　边坡渗流过程是一个固、液、气三相体相互作用、相互影响的过程，作用机理十分复杂。Ｓｈｉｍａｄａ（１９９５）利用刚体弹簧模型，基于Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法，考虑土性以及降雨强度对边坡的影响，模拟了某边坡的渗流情况；Ｓｕｎｅｔａｌ．（１９９５）发展了两相流－应力耦合理论，分析了空气压力对边坡渗流的影响；吴宏伟等（１９９９）考虑基质吸力的影响，使用延伸的摩尔－库仑破坏准则研究了降雨与滑坡失稳之间的关系；陈善雄等（２００１）基于临界平衡法，探讨了饱和度与非饱和土渗流特性之间的规律。在研究土体边坡的渗流特性的时候，往往关注降雨强度（林鸿州等，２００９；罗平平等，２０１１；张玉等，２０１３）、前期降雨量（李德心等，２０１１；唐栋等，２０１３）、库水位变化（刘红岩等，２００７；徐文杰等，２００９）等因素导致的渗流特性的不同，而很少关注土体初始湿润状态对边坡渗流特性的影响。锦屏水电站对外交通专用公路Ｋ４８＋７２２～８００段滑坡地处四川西部高原气候区域，每年５月至１０月为雨季，降雨集中，降雨量大，全年９０％～９５％的雨量集中在该季，其他月份降雨量则较少。不同月份边坡土体的初始湿润状态不一致，当同样强度的降雨发生在不同月份时，其边坡表现出的渗流特性会有较大的差异，其稳定性也会有所不同，因而有必要研究土体初始湿润状态对边坡渗流特性的影响。本文基于ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ方法获取了滑坡体材料的土水特征曲线，研究了降雨条件下坡体内部压力水头的演化规律，利用体积含水率反应土体初始湿润状态，研究了体积含水率对压力水头以及边坡稳定性的影响，对实际工程治理提供重要的参考价值。１　工程概况１１　地形地貌与地层岩性　　锦屏水电站对外专用交通公路Ｋ４８＋７２２～８００段滑坡区位于雅砻江左岸羊房沟斜坡中部地带，在南东侧方向存在着上麻哈沟，岩体较为发育。斜坡剖面呈凸形坡形态，上缓下陡，总体走向Ｎ５０°～６０°Ｗ。边坡由覆盖层和基岩组成。根据野外地质调查，覆盖层为第四系残坡积物（Ｑｅｌ＋ｄｌ４），主要由砾质粉土、砾质黏土、碎石土构成，厚度变化较大；基岩主要由燕山期侵入岩（γＫ２５）以及三叠系白果湾组（Ｔ３ｂｇ）构成。燕山期侵入岩为中细粒结构，颜色为浅灰色，由细粒状花岗斑岩、石英闪长岩组成，具有较强的抗风化性能，多位于滑坡前缘及中部区域；三叠系白果湾组（Ｔ３ｂｇ）由石英砂岩、灰色夹炭质板岩组成，抵抗风化的能力较差，主要位于滑坡的后缘以及中部地区。１２　地质构造及物理特性　　依据调查统计结果，白果湾组（Ｔ３ｂｇ）板岩中主要发育①层面裂隙和②ＮＷＷ向倾ＳＥ的陡倾裂隙两组裂隙（图１）。根据现场踏勘以及钻孔揭露出的情况，白果湾组（Ｔ３ｂｇ）板岩在地表出露，呈鳞片状，风化程度高。坡面卸荷沿着陡倾裂隙垂向发育，强卸荷区域范围为５～１０ｍ，该区域内的岩体在总体上呈现出碎裂、松弛的结构特征。在调查过程中发现，锦屏水电站对外交通专用公路Ｋ４８＋７２２～８００段滑坡区基本形成两条主滑面即以Ｌ１０为代表的浅层滑面以及以Ｌ２为代表的深层滑面（图１）。１３　水文地质条件　　根据钻孔勘查结果，研究区内常态情况下不存８２８ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　工程地质学报　２０１５图１　典型地质剖面图Ｆｉｇ．１　Ｔｙｐｉｃａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｆｉｌｅ在统一的地下水系统，由于炭质板岩和接触带土的阻水作用，地下水含水系统不发达，地下水位较低。在雨季，有部分上层滞水存在于滑坡的残坡积层以及强风化层基岩中。２０１０年８月１０日，西昌市冕宁县腊窝乡普降暴雨，８月３１日腊窝乡村路路基出现明显滑动裂缝，业主方对该处边坡的深层稳定性表示了担忧，因而有必要研究降雨条件下该处边坡的深层稳定性。２　ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ方法获取渗透系数　　边坡土体在降雨的过程中，经历了一个由非饱和到饱和的过程，因而本文中，采用了饱和－非饱和方法对该处边坡的渗流特性进行了研究。在饱和－非饱和渗流分析中，土水特征曲线的确定是一个非常关键的环节。常用测定方法分为两种，实验测试法以及经验拟合法。实验测试法中，由于常常含有对原状土的扰动，且不同取土位置处的样品所测的渗透系数有时相差多达两个数量级，因而具有一定的局限性。而经验拟合法往往借助数学函数对实验数据进行一定的修正，能够很好地处理实验数据的离散性，反应实验数据的变化趋势。确定土水特征曲线常用的经验拟合法有改进的Ｋｏｖａｎｃｓ粒径方法（Ａｕｂｅｒｔｉｎｅｔａｌ．，２００３）、ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ方法（ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ，１９８０）等。由于Ｋｏｖａｎｃｓ粒径方法需要完整的粒径分布曲线，且确定较为麻烦，ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ方法控制参数较多，需要较多的试算，因而本文采取了一种新方法，即ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ（Ｆｒｅｄｌｕｎｄｅｔａｌ．，１９９４）方法来确定土水特征曲线。ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ方法是一种闭合解方法。控制方程如下：Θｗ＝ＣΨΘｓｌｎｅ＋Ψａ()ｎ[]{}ｍ（１）ａ＝Ψｉｍ＝３６７ｌｎΘｓΘｉ()ｎ＝１３１ｍ＋１ｍΘｓ３．７２ｓΨｉ（２）式中，Θｗ为体积含水量；ＣΨ为修正系数，在高基质吸力时允许含水量继续减小，是一个变化的函数；ＣΨ≤１为简化研究，在本文中取固定值为０９５；Θｓ９２８２３（５）　张书华等：降雨条件下体积含水率对堆积体边坡渗流特性的影响研究为饱和体积含水量；Ψ为负孔隙水压力；Ψｉ为土水特征曲线拐点处的基质吸力；ｓ为土水特征曲线拐点斜率；ａ、ｍ、ｎ为拟合参数，其中ａ为土水特征曲线拐点处的基质吸力（ｋＰａ）；ｍ为残余含水量；ｎ为土水特征曲线的斜率。３　数值模型构建３１　计算模型　　根据区域工程地质条件，取典型地质剖面３－３′，建数值概化模型（图２）。模型采用饱和－非饱和渗流本构模型，其中，ｘ方向的范围为０～１２８ｍ，ｙ方向的范围为１６８５ｍ～１７７０ｍ。整个模型分为３层，分别为残坡积层、强风化层、弱风化层，滑面采用指定滑面的方式即Ｌ２深层滑面。模型共划分７０６个节点，６８７个单元。图２　典型地质剖面图数值概化模型Ｆｉｇ．２　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｍｏｄｅｌｏｆｔｙｐｉｃａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｆｉｌｅ３２　计算参数　　残坡积层的土水特征曲线借助室内试验数据利用ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ方法拟合而来，其他层的土水特征曲线由工程类比取得，其取值参数（表１）。书书书表１　土－水特征曲线ＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇ方法取值参数Ｔａｂｌｅ１　ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｖａｌｕｅｓｏｆＳＷＣＣｂｙＦｒｅｄｌｕｎｄＸｉｎｇｍｅｔｈｏｄ材料参数饱和体积含水率Θｓ