农业灌溉对黄土边坡稳定性的影响

陈岩

农业灌溉对黄土边坡稳定性的影响

陈岩

长春建筑学院 土木工程学院, 吉林 长春 130000

依据内蒙古乌海市新星煤矿边坡覆绿生态恢复工程的具体情况，建立了农业灌溉作用下黄土边坡稳定性的FLAC3D数值计算模型，分析了灌溉作用下边坡位移、塑性区的重点影响区域，研究了边坡位移和塑性区随灌溉时间的变化规律，讨论了边坡的整体稳定性。研究结果表明：（1）边坡位移随着灌溉时间的增大而增大，最大位移位于坡顶以及坡面；（2）塑性区面积随着灌溉时间的延长而逐渐增大，且向边坡内部发展；（3）边坡潜在的滑动面位置与农业灌溉作用无关，但农业灌溉作用会增大边坡失稳的可能性。

农业灌溉; 黄土边坡; 位移; 塑性区; 稳定性

上世纪60年代开始，灌溉成为我国黄土高原农业的重要水力基础建设[1]。而宁夏、陕西及其北部接壤的内蒙古是我国重要的煤炭产地[2]，其中内蒙古乌海市是以煤炭为主要经济来源的城市，分布着众多的露天煤矿[3]。露天煤矿不可避免的对地表生态坏境产生破坏[4]，因此，在露天采煤后进行边坡覆绿生态恢复对于生态环境保护具有重要意义。

乌海市年降水量不足160 mm，年蒸发量达到3500 mm[5]。边坡覆绿生态恢复水源主要为人工灌溉[6]。然而，在人工灌溉过程中水渗入黄土地层表层，土体密度增大，抗剪强度明显降低，易造成边坡失稳而引发滑坡、泥石流等灾害[7-8]。因此，本文针对内蒙古乌海市新星煤矿边坡的具体地质条件，建立黄土边坡稳定性的数值计算模型，分析农业灌溉作用对黄土边坡土体的位移、塑性区和稳定性的影响规律，找出灌溉作用下黄土边坡的薄弱区域。本文的研究成果可为黄土边坡农业灌溉提供理论基础。

1 工程概况与数值模拟模型

1.1 工程概况

内蒙古乌海市新星煤矿第4排排土场边坡位于我国“两屏三带”内，目前已被纳入边坡覆绿生态恢复工程中。该边坡坡高20 m，边坡角度为39.5°，主要土层为均质黄土，地下水位位于坡脚以下，如图1所示。对该区域内的黄土进行取样，通过室内实验测得其弹性模量为17.6 MPa，泊松比为0.3，干密度为13.1 kg/m3，干燥状态下内聚力和内摩擦角为15.3 kPa和30.5°，饱和状态下内聚力和内摩擦角则为8.3 kPa和21.1°，渗透系数则为5×10-4cm/s。

图 1 新星煤矿第4排排土场边坡示意图

1.2 数值模拟模型建立

采用岩土工程通用数值模拟软件FLAC3D建立新星煤矿第4排排土场边坡模型并进行农业灌溉前的初始应力状态计算，得到初始灌溉前边坡土体的饱和度分布如图2所示。模型静力边界条件设置为底面固定，四周法向约束，坡面以及坡顶自由；模型水力边界条件则设置为在两侧水位线以下施加随深度不断增大的静水压力。当进行人工灌溉模拟时，对边坡顶面施加0.75 m/d的补给水源边界条件，并在灌溉过程中，对边坡土体单元饱和度进行监测，并根据监测值对边坡土体的内聚力、内摩擦角和渗透系数进行自动修正，修正公式如式(1)所示。

图 2 初始状态下排土场边坡的饱和度分布图

2 数值模拟结果分析

2.1 农业灌溉作用下边坡土体位移的变化规律

当边坡顶部灌溉强度为0.75 m/d、灌溉时间为10 h时，整个边坡土体的位移云图如图3所示。由于一方面，农业土体在灌溉后，其饱和度增加，质量变大，导致坡顶以下土体产生压缩变形；另一方面土体在灌溉后其内聚力和内摩擦角减小，使得其本身的承载能力变小，导致边坡土体易向坡底产生滑动变形。因此当灌溉时间为10 h时，整个坡顶均产生了30 mm左右的沉降，而最大沉降位置则出现在距坡顶边缘约12 m左右的位置，其值为30.6 mm；坡脚处土体因受上方边坡的滑动挤压影响而产生了一定的隆起，隆起值为13.7 mm。从整体上，整个边坡土体均在灌溉作用下产生了沉降，而沉降值则从坡顶往下逐渐减小，至水位面位置时，边坡土体仍保持有5~10 mm的沉降。由图3(b)可知，由于受坡顶灌溉作用的影响，整个边坡土体在距坡面约30 m的范围内均向坡外产生了一定的水平位移，而且该位移是越靠近坡脚越大，至坡脚位置时，其值达到了25.1 mm。这说明，灌溉作用对坡顶以及坡面位置土体位移的影响最大，为保证边坡土体在灌溉作用下的安全稳定，必要时应对坡脚进行压载或加固处理。

(a) 竖向位移 Vertical displacement (b) 水平位移 Horizontal displacement

图4给出了不同灌溉时间下边坡土体的位移分布曲线。可以看出，当灌溉时间为2 h时，边坡顶部土体开始发生沉降，沉降值在距坡顶边缘最远处最大，约为5 mm；随着灌溉时间的延长，坡顶水流逐步下渗，导致边坡顶部各处沉降值均逐渐增大且增大速度约为3 mm/h；当灌溉时间为10 h时，边坡顶部平均沉降达到30 mm，但此时距坡顶边缘约12 m的地表却由于边坡体的滑动开始出现迅速增长的征兆。而坡面土体位移则在灌溉2 h内，由于土体浅层饱和度的增加，致使边坡内部出现内力不均匀分布并逐渐向坡脚处传递，导致坡面土体发生较大的水平位移，尤其是坡脚位置处；随着灌溉时间的增长，坡面土体水平位移也逐渐增长，但增大的速率是越靠近坡脚越大，这说明，灌溉时间越长，边坡越不稳定，且最先从坡脚处开始失稳破坏。

(a) 坡顶地表 The earth’s surface (b) 坡面 Slope

2.2 灌溉作用下边坡土体塑性区的变化规律

不同灌溉时间下边坡土体的塑性区变化云图如图5所示，图中深色表示已发生塑性屈服，浅色则表示未屈服。当灌溉时间为2 h时，由于坡顶处土体饱和度变化，导致土体内不均匀应力向坡脚处转移，因此，灌溉作用下坡脚处土体和坡顶处中部土体首先出现塑性区。随着灌溉时间的延长，坡顶处水流逐渐下渗，坡内土体不均匀应力也逐渐增大，导致边坡内部在坡脚与坡顶中部连线的位置开始出现塑性区并逐渐向坡脚处扩展汇聚。当灌溉时间为10 h时，边坡内部土体在坡顶中部与坡脚之间产生的塑性区基本上已经贯通成型，这为边坡土体的滑动直接创造了有利条件，此时边坡处于一个极易发生失稳的状态。

(a) 2 h (b) 4 h

(c) 6 h (d) 8 h

(e) 10 h

2.3 灌溉作用对边坡整体稳定性的影响分析

图6是灌溉前后边坡土体潜在滑动面的分布图。由图可以看出，灌溉后与灌溉前边坡土体潜在滑动面的位置基本一致，都是从坡顶距坡顶边缘约12 m左右的位置开始以一个“勺子状”的椭圆面向坡脚处发生滑动。这也说明，边坡潜在的滑动面位置只与边坡角度以及土体本身的力学性质有关，而与灌溉作用无关；灌溉作用只是增加了边坡土体沿着该滑动面发生失稳破坏的几率。由图7不同灌溉时间下边坡整体稳定性系数的变化曲线可知，当灌溉时间由0 h增长至10 h时，边坡土体的整体稳定系数由初始状态下的1.17降至了1.07，这意味着，如灌溉时间继续增长，则边坡土体必然会在某个时间点上发生失稳破坏。

(a) 灌溉前 Before irrigation （b）灌溉10 h后 Irrigation after 10 h

图 7 不同灌溉时间下边坡整体稳定性系数的变化曲线

3 结论

（1）在农业灌溉作用下，边坡位移随着灌溉时间的增大而增大；最大位移位于坡顶以及坡面位置，为保证边坡土体在灌溉作用下的安全稳定，应对坡脚进行压载或加固处理；

（2）农业灌溉作用下坡脚处土体和坡顶处中部土体首先出现塑性区，随着灌溉时间的延长，塑性区面积逐渐增大，且逐渐向边坡内部发展；

（3）边坡潜在的滑动面位置只与边坡角度以及土体本身的力学性质有关，而与灌溉作用无关；农业灌溉作用只是增加了边坡土体沿着该滑动面发生失稳破坏的几率。

[1] 赵纪飞,黄嘉悦,侯晓坤,等.灌溉诱发的黑方台黄土滑坡泥流机理分析[J].灾害学,2017,32(4):60-66

[2] 宁正伟,苏复义,蔡云飞,等.西北地区侏罗系煤层气资源前景研究[J].天然气工业,2003(3):11-15

[3] 郑雷.高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽放长钻孔间距优化[J].现代矿业,2017(4):189-190

[4] 郭婉臻,夏楠,塔西甫拉提·特依拜,等.基于AOD数据的新疆大型露天煤炭开采区PM2.5和PM10反演[J].农业工 程学报,2017,33(19):216-222

[5] 赵旭春,王澄海,张永生,等.两种干旱指标在乌海地区干旱分析中的应用比较研究[J].气象科学,2007,27(b12):162-168

[6] 郭玉文,王淑红,张玉龙,等.黄土高原灌溉农田土壤团粒与碳酸钙关系研究[J].深圳大学学报(理工版),2008,25(3):314-319

[7] 邱驰,黄建坤,胡雨村,等.灌溉对西北干旱荒漠区排土场边坡稳定的影响——以乌海市新星煤矿为例[J].浙江大学 学报(工学版),2019,53(8):1-11

[8] 李佳.非饱和原状黄土垂直边坡土压力及坡顶浸水渗透规律的试验研究[D].兰州:兰州理工大学,2009

Influence of an Agricultural Irrigation on the Stability of Loess Slope

CHEN Yan

130607,

According to slope green ecological restoration engineering of Xinxing coal mine, Wuhai city, Inner Mongolia. FLAC3Dnumerical calculation model of the loess slope stability is established under the action of irrigation. The key areas of slope displacement and plastic zone are analyzed under the action of irrigation. The slope displacement and plastic zone changing rule with the irrigation time are studied. The whole slope stability evaluation is completed. The results show that :(1) The slope displacement increases with the increase of irrigation time, and the maximum displacement is located at the top of the slope and the slope surface. (2) The plastic zone area gradually increases with the extension of irrigation time, and develops to the interior of the slope. (3) The potential sliding surface position of the slope has nothing to do with the irrigation effect, but the irrigation effect will increase the possibility of slope instability.

Agricultural irrigation; loess slope; displacement; plastic zone; stability

S275TU444

A

1000-2324(2019)04-0571-04

2018-08-05

2018-09-12

吉林省教育厅课题:碳纤维加热线混凝土在路面除冰中的技术研究(吉教科合字[2016]第540号)

陈岩(1981-),女,硕士,吉副教授,主要研究方向为结构工程、农业地质环境. E-mail:chenyan810715@163.com