基于非饱和渗流的干灰场边坡稳定分析

2018-01-21 10:03饶俊勇彭德刚李模军

电力勘测设计 2017年6期

饶俊勇，彭德刚，李模军

(西南电力设计院有限公司，四川成都 610021)

1 干灰场边坡稳定分析现状

对于干灰场边坡的渗流和稳定计算，规范中没有明确规定，传统计算方法是参照水灰场，在渗流计算基础上用边坡稳定计算确定边坡的稳定系数。其中渗流计算多采用稳态饱和渗流，即忽略了非饱和区渗流作用，并参照水灰场，假定上游有稳定的渗流边界，即稳定的积水水位。但实际上，干灰场灰面上不能形成稳定水位。比如分析一个典型的降雨汇水过程：当降雨量从小到大，大到一定程度，灰场汇水及雨水量大于灰场的排洪能力时，在灰面上积水并且水位升高，随时间的延续和降雨量的减小，进入灰场的水量小于排水系统排水能力，该水位又逐渐下降，直至全部排出灰场。因一次降雨过程时间并不长，灰面上的积水过程时间也比较短，故传统算法中上游(及灰面)渗流边界是稳定水位的假设和实际情况有较大的偏差，计算结果误导设计。

多位学者研究的结论是采用饱和—非饱和渗流模型代替传统的饱和渗流模型才符合工程实际。对于干灰场，正常运行时受灰场内潜水渗流作用(该问题有争议，很多人认为灰场底部铺设防渗膜，灰场内不会有地下水，但实际中发现灰场下的确存在一定深度的潜水。文中不探讨这个问题，对分析趋势没影响)；在降雨时，表面降雨入渗会影响灰场的渗流场，使原来的非饱和区饱和度提高，甚至抬高潜水地下水位。而且由于降雨的作用，使非饱和区饱和度提高，基质吸力下降，致使灰场边坡的稳定性降低，故一般认为降雨条件下边坡更危险。

本文以加拿大GEO-STUDIO软件为平台，利用非饱和渗流理论分析干灰场边坡在降雨情况下稳定。

2 非饱和计算条件

非饱和渗流理论，涉及粉煤灰的水土特征曲线(含水率—基质吸力曲线)、粉煤灰的非饱和渗透系数—含水率曲线、灰面降雨入渗条件等，和传统的饱和渗流理论有很大区别，对灰场渗流计算和稳定计算有较大影响。

2.1 粉煤灰的水土特征曲线

土是固液气三相混合体，在非饱和土中，定义基质吸力为空气压力(σa)和水压力(σw)的差值，即(σa－σw)。基质吸力在很大程度上依赖于土中孔隙水的体积含水率：当体积含水率在饱和含水率以下时，体积含水率越高，基质吸力越小，接近饱和含水率时，基质吸力接近于零；反之，体积含水率越低，基质吸力越大。当体积含水率为饱和含水率时，空隙水压力为静水压力，基质吸力为零；在饱和区，体积含水率随着正的孔隙水压力增大而增大，但变化很小，即其斜率很小。基质吸力—土的体积含水率之间的关系曲线称为土水特征曲线，其为土体基本特性之一。

2.2 粉煤灰的渗透系数—孔隙水压力曲线

渗透系数—孔隙水压力曲线是另外一个非饱和土体的基本特性.在非饱和区(即负孔隙水压区)，渗透系数随基质吸力增大而减小。这主要是由于在饱和土中，所有颗粒之间的孔隙都充满了水，水的渗流路径就是颗粒间的孔隙，没其他阻碍。一旦空气进入(土体变为非饱和)，空气占用部分孔隙，相对与水流动而言，空气填充的孔隙就成为非传导的管道，水的渗流路径变得更加曲折，也就导致了土传导水的能力(渗透系数)减小。当基质吸力越大时，更多的孔隙也就被空气所充填，渗透系数也就进一步减小。

2.3 降雨入渗条件

非饱和入渗过程中，降雨的水分有多少能够进入土坡内部，在计算中仍然存在较大的疑问，而进入土坡内部雨量的多少是对稳定性产生直接影响的重要因素。因此，降雨入渗量的问题仍被认为是非饱和渗流中的关键问题之一。

计算中按照：以表层粉煤灰的饱和渗透系数为判别依据，灰场表面及斜坡处即入渗边界，取为流量边界或给定水头边界。如果雨强小于粉煤灰的饱和渗透系数，按流量边界处理，大小为降雨强度，如果雨强大于粉煤灰的饱和渗透系数，一部分雨水沿坡面流失，会在坡面形成一薄层水膜，此时可按给定水头边界处理。

2.4 土层强度特性

目前工程实际中对边坡稳定分析仍广泛采用刚体极限平衡法。为了反映降雨作用的影响，Fredlund 的抗剪强度理论强调负孔隙水压力对抗剪强度的影响，目前得到岩土界的广泛认可，公式如下：

式中：τf为非饱和土抗剪强度；C，φ分别为有效凝聚力和有效内摩擦角；σn为法向应力；σa为空气压力；σw为水压力；φb为随吸力变化的内摩擦角。

从式中可以看出，非饱和土的抗剪强度除了与c、φ及法向应力有关外，还与基质吸力有关。当土体饱和时，可以认为基质吸力等于零，退化为传统的摩尔—库仑公式，故上式又称延伸的摩尔—库仑定律。降雨时，土体饱和度和孔隙水压力上升，基质吸力减小，抗剪强度明显减小，从理论上解释了降雨条件下滑坡产生的机理。根据上述公式，按照条分法的思想，建立整个滑动土体力及力矩平衡方程，得到极限平衡法安全系数的计算公式。

2.5 降雨时程曲线

根据水文记录，四川旺苍地区24小时最大降雨量260 mm，最长降雨持续时间16天，累积降雨170 mm。广西南宁24小时最大降雨量198 mm，最长降雨持续时间24天，累积降雨384 mm。印尼芝拉扎地区，24小时最大降雨量443.8 mm(100年一遇)，缺乏一次持续降雨时间记录。本计算依据印尼及国内南方地区降雨资料，初步拟定降雨条件：每天降雨150 mm，降雨持续10天。模拟一次超强降雨过程，一般降雨很难达到如此强度和持续时间。

3 计算结论

3.1 渗流场变化

依据拟定的降雨条件及估算的粉煤灰水土特征曲线、含水率—渗透系数曲线、入渗条件，以某工程干灰场边坡为算例进行计算。该干灰场边坡位于粘土地基上，由初期粘土坝和5级子坝构成，子坝均为粉煤灰修建。渗流计算结果见图1和图2，其中图1为降雨刚开始时的渗流场，图2为强降雨10天后的渗流场。由图可见，在初始水位差作用下，灰场内形成渗流场，浸润线为单一浸润线，在浸润线以上为非饱和区，灰场下部为饱和区，即灰场上部为负孔隙水压力区；由孔隙水压力等势线分布可见，灰场上部负孔隙水压力区内负孔隙水压力较大。随着降雨持续时间延长，灰场上部负孔隙水压力逐渐减小，较大负孔隙水压力区范围逐渐减小，甚至在灰场顶面出现了暂态饱和区；此时，2条主要的浸润线将灰场从上到下分为饱和区，非饱和区，饱和区，其中最上面饱和区是随降雨及渗流时间变化的，是暂态饱和区。降雨第10天时，灰场上部的浸润线基本和坡面平行，饱和区形状基本与坡面形状类似；饱和区在坡顶处最薄，向灰场内逐渐加厚，向坡脚也逐渐加厚，最厚处厚约1.5 m。但在坡脚处及第1级子坝坝顶处，出现了非饱和区。