边坡软式透水管在不同淤塞度下的排水效应数值模拟
2020-03-30樊秀峰
吕 捷,樊秀峰,2,黄 鑫
(1.福州大学 环境与资源学院, 福建 福州 350108;2.国土资源部 丘陵山地地质灾害防治重点实验室, 福建 福州 350108)
边坡工程的失稳滑塌作为全球性三大地质灾害之一,严重危及到国家财产和人们的生命安全[1-2]。降雨引起的边坡体后缘积水及坡体中地下水的变化情况是影响边坡稳定的一个重要因素[3-4]。地下水除自身对边坡产生作用外,还削弱组成边坡的岩土材料的物理力学性质[5-7]。在各种边坡变形破坏的影响因素中,降雨引起的坡体中地下水位的上升和渗流作用的变化,往往是引发滑坡的直接原因,也是最复杂和变化最频繁的影响因素[8]。地下排水系统作为边坡工程的重要组成部分,具有及时排出和疏干坡体内的地下水[9]、增强边坡岩土体抗剪强度的能力,对保持边坡稳定性具有至关重要的作用[10]。地下排水系统中的深层软式透水管,具有过滤、排水、抗压和耐腐蚀等优点,被广泛应用于近年来边坡工程的地下排水措施中[11-14],但在土质边坡中,深层软式透水管的淤塞问题,导致其排水效果明显减弱[15]。从已有的研究结果可知,含细粒较多的土坡中由于细颗粒物质在管壁的沉积,使其排水量在6个月内大幅减弱[16],已服役11年的透水管,由于淤塞其排水量已经减小为原来的15%。然而目前的理论研究中对于边坡长期运营过程中排水系统的发展演化、淤塞乃至失效过程未给予足够的重视,而透水管淤塞的发生与排泄速度有着密切的关联。本文将针对具体室内花岗岩残积土坡[17-18]模型进行数值模拟,分析软式透水管在不同淤塞程度下排水效应及其对边坡渗流场的影响。
1 试验模型与监测数据
1.1 试验模型箱的组成
本文所模拟的试验模型箱主要由四个部分组成,分别是模型箱主体、集水池、水头控制箱和供水箱(如图1所示)。模型箱主体尺寸为2.5 m×1.0 m×1.0 m,后缘水头设置为0.6 m,试验过程设计实现水流自循环流动。
1.2 边坡模型设计
边坡模型用土取自福州某工地典型残积土坡,经室内颗粒分析试验测定分类,将其定名为花岗岩残积粉质黏土。边坡主体坡高0.9 m,坡顶0.8 m,坡率为1∶1,坡前0.5 m。
图1 边坡模型箱
1.3 软式透水管及监测元件布置
边坡填筑成型后采用洛阳铲,进行软式透水管及孔隙水压力计的成孔及埋设,本次试验共布置4根软式透水管和4个孔隙水压力计。软式透水管设置于坡脚以上0.2 m处,管长为1 m,直径0.05 m,间距0.2 m,倾角为5°(编号为模型正视从左至右),埋设时对进水口用纱网进行多层保护,防止细颗粒堵塞进水口。同时外接PVC管引流到坡前的烧杯中,以便定时监测软式透水管的排泄量(如图2所示)。埋设完毕后,为避免出水口附近坡面土体发生破坏,在坡面及坡脚前缘铺设水泥砂浆护壁,后期放置砖块进行反压。同时,设置4只孔隙水压力计分别安置于4根软式透水管上方即浸润线处,每天固定时间测定坡体内部孔压值,见图3。
图2 边坡模型正视图
(a) 剖面图 (b) 侧面图
1.4 监测数据分析
(1)频传透水管淤塞度评价方法。试验过程中对不同使用周期的软式透水管进行开挖,通过测量软式透水管表面附着细颗粒的质量增加量以及评估透水管表面土工织物被细颗粒淤塞面积百分比含量两个指标作为软式透水管淤塞程度的评价标准。经测定透水管淤塞度在使用28 d与42 d后分别达到10%与20%。
(2) 边坡孔隙水压力与透水管流量监测结果。根据实验期间的孔隙水压力计的监测结果,随着淤塞程度的逐渐增加,边坡渗流场(1-1剖面,即管1所在位置)的孔隙水压力值的变化如图4所示;边坡渗流场(1-1剖面,即管1所在位置)的排泄量的变化如图5所示。由图4、图5可以看出:由于透水管淤塞程度未达到其失效状态,透水管仍可发挥排水作用,边坡孔隙水压力值随着排水过程的进行继续减小,但随着透水管淤塞度的增加,透水管壁的渗水面积减小,造成透水管总排泄量逐渐减小。
图4 管1所在剖面的孔隙水压力监测值
图5 管1排泄量
以实验过程中的监测数据作为依据来验证PLAXIS 3D的数值模拟结果的准确性。本文主要运用PLAXIS 3D来模拟并分析在淤塞形成过程中的边坡孔隙水压力值与软式透水管的排泄量变化情况,同时模拟并预测边坡的变形量。
2 计算模型的建立
2.1 软式透水管的建立
根据胡静提出的“空气单元法”,可将透水管视为一种渗透性很大的特殊介质,即可用一定的渗透系数来表征排水孔特殊的导水性能,在数值模拟中可当做一实体单元来进行渗流计算。“空气单元法”无需给定排水孔边界条件,直接由计算确定水头分布,其实质是把排水孔单元比作一渗透介质并赋予一定的渗透系数。渗透系数的取值,不仅取决于透水管自身渗透系数的大小,还取决于透水管渗透系数和周边介质的渗透系数的比值R[15]。本文结合前人的试验数据资料[19],将R值设置为10。
2.2 PLAXIS 3D模型的建立
2.2.1 土体建模
根据实际边坡模型,利用PLAXIS 3D有限元软件通过创建钻孔并赋予相应的土层厚度和材料属性,来实现边坡土体的建模,如图6所示。
图6 边坡土体模型的建立
2.2.2 其他结构物建模
本文对物理试验中所用的软式透水管的模拟,是用渗透系数远大于土体的实心圆柱来实现,透水管的空间几何形状为直径0.05 m,长度为1 m的圆柱体。透水管下方坡面及坡脚处的水泥护壁的模拟,通过建立不透水渗流边界来实现。坡面及坡脚处反压的砖块的模拟,通过创建大小为0.5 kN/m2竖向面荷载来实现。后缘水头边界,通过建立地下水渗流边界来实现,如图7所示。
2.2.3 参数的选取
花岗岩残积粉质黏土的材料模型选取摩尔-库仑模型,该模型是一个理想弹塑性模型,破坏判定标准采用摩尔-库仑破坏准则,可在一定程度上描述岩土材料的特性,且参数易于获取,在岩土工程中有着广泛的应用。该模型所需要的5个参数分别为弹性模量E、泊松比v、黏聚力c、有效摩擦角φ和剪胀角ψ,泊松比取经验值,其他四个参数通过三轴实验取得。
图7 结构物模型的建立
软式透水管由于土工织物内部有一圈弹簧,具有较大的抗压能力,故将其视为线弹性模型,其弹性模量和泊松比均取自供应商提供的性能指标。残积土与透水管基本参数如表1所示。
表1 计算模型材料主要参数
本文利用PLAXIS 3D软件进行计算时,对实际试验的边坡模型通水28 d和42 d后,土体中的渗流通道发育,细颗粒粒物质流失,土体的渗透系数增大,取坡体中的土做变水头渗流实验,得到渗透系数分别增大0.17倍和0.25倍;在通水的情况下,土体中的细颗粒物质及绿藻类生物在透水管外层的土工布上覆盖,造成透水管渗透系数的减少,从而使排水能力减弱。根据淤塞面积百分法测定淤塞度,取透水管的渗透系数减少5%和10%来作为通水28 d和42 d后的渗透系数。未发生淤塞时土体及透水管材料参数以及变化后的土体及透水管材料的参数如表2所示。
表2 透水管淤塞不同程度时的计算模型材料参数
3 室内试验模型计算结果
3.1 淤塞未形成时透水管工作时的排水效应
取后缘水位为60 cm时,边坡埋设一排的透水管进行排水时,取软式透水管1所在的剖面1-1,分析其孔隙水压力、渗流量和边坡变形量,研究边坡埋设单排软式透水管时的排水效应,见图8(PLAXIS 3D软件中默认压力为负值,拉力为正值)。
图8 透水管未淤塞时边坡孔压分布曲线、流量云图、边坡变形量云图
由图8可知,当透水管开始服役,淤塞还未形成时,孔压值较大,与实际测到的孔隙压力值较为接近。此时,边坡排泄量大,地下水位降低也较大。透水管整体的排泄量也较大,即总排泄量达到0.035 m3;同时可以从图上看出,在透水管接近出水口的位置,地下水的渗流量最大,渗流量随着软式透水管累积透水面积的增长而逐渐增加。边坡位移量从坡体内部逐渐向坡面发展演化,在透水管上方的坡面处位移变形量最大;模拟得到软式透水管1-1所在的剖面处,坡体的最大变形量为0.604 5×10-3m。边坡的变形量小于1 mm,此时位移量较小,表明透水管正常发挥其排水功能,地下水位有效降低,暂时不会对边坡稳定性造成威胁。
3.2 淤塞达到10%时透水管工作时的排水效应
取后缘水位为60 cm,边坡埋设单排透水管进行排水时,取软式透水管所在的剖面1-1,分析其孔隙水压力、渗流量和边坡变形量,研究边坡埋设单排软式透水管时的排水效应,见图9。
图9 透水管淤塞10%时边坡孔压分布曲线、流量云图、边坡变形量云图
由图9可以看出,当透水管淤塞度达到10%后,孔压相比未淤塞时有所下降,这是由于透水管外层土工布空隙被细颗粒和藻类所覆盖,导致其导水能力降低,所以地下水位下降程度小于未淤塞时的透水管工况,孔压也有所降低。透水管的最大排水量明显降低,透水管整体的排泄量也有一定程度的下降。同样,在透水管接近出水口的位置,地下水的渗流量最大,渗流量随着软式透水管累积透水面积的增长而逐渐增加。计算得到的软式透水管所在的1-1剖面的边坡最大变形量为0.59×10-3m,相比未淤塞时的变形量有所降低。同样地,在淤塞达到10%后的工况下,边坡位移量从坡体内部逐渐向坡面发展演化,且最大变形量位置位于软式透水管的出水口处上方坡面处。
3.3 淤塞达到20%时透水管工作时的排水效应
取后缘水位为60 cm,边坡埋设单排透水管进行排水,当软式透水管服役了近1.5个月,表面土工织物淤塞面积达到了20%,取软式透水管所在剖面1-1,分析其孔隙水压力、渗流量和边坡变形量,研究边坡埋设一排软式透水管时的排水效应,见图10。
图10 透水管淤塞20%时边坡孔压分布曲线、流量云图、边坡变形量云图
由图10可知,当淤塞程度达到20%时,地下水渗流的最大值略有增加,这是由于随着淤塞度的增大,细颗粒逐渐被带走或覆盖在透水管外层的土工布上,只剩粗颗粒骨架,形成了渗流通道,导致边坡某处的渗流量较大;但总渗流量较淤塞度为10%时下降了14%,边坡整体的排泄量下降,在透水管出水口的位置排泄量最大。另一方面,坡体孔压值仍在下降,计算得到的软式透水管所在的1-1剖面的边坡最大变形量为0.59×10-3m,与淤塞度为10%时的边坡变形量相近。
3.4 综合分析
运用PLAXIS 3D数值模拟所得的孔隙水压力和透水管淤塞程度的关系可以看出随着透水管淤塞程度的增加,边坡坡体的孔隙水压力逐渐减小。由于淤塞程度不大,透水管壁未完全被淤塞物覆盖,仍可有效发挥其排水功能,边坡内的水体继续向管内渗流并排泄,因此坡体内孔压值随排水的进行逐渐减小,该模拟结果与实验监测所得数据大致接近(如图4所示)。
透水管的总排泄量随着透水管淤塞程度的增加而减少,这是由于土体内的细颗粒物质在透水管表面附着,导致透水管的导水能力下降,因此透水管在淤塞开始形成至淤塞度达到10%时,排泄量大幅下降,而后随着淤塞度增加,总排泄量减少的幅度有所下降,但排泄量大体是呈下降趋势。该模拟结果与实验监测所得数据大体接近(如图5所示)。
随着透水管淤塞程度的增加,边坡变形量的变化不大。这是由于室内边坡模型尺寸较小,坡体两边有约束,透水管埋设的坡面有水泥砂浆封堵(模型中的面荷载)所以在试验过程中边坡变形量基本不变,均小于1 mm。
4 结 论
本文基于室内模型边坡试验,运用PLAXIS 3D有限元软件,对埋设有软式透水管的花岗岩残积砂质黏土边坡进行不同淤塞程度下的排水效应研究,所得结果如下:
(1) 渗流量随着软式透水管累积透水面积的增长而逐渐增加,透水管出水口的流量最大。随着透水管淤塞程度的增加,透水管的导水能力逐渐降低,即边坡坡体与透水管的总渗流量逐渐减少。
(2) 边坡变形量从坡体内部逐渐向坡面发展演化,在透水管上方的坡面处位移变形量最大。随透水管淤塞程度的增加,三种工况下的边坡变形量均小于1 mm,边坡内部渗流场的孔隙水压力值有所降低。
总之,透水管在较小程度的淤塞情况下仍可发挥部分排水功能,地下水位有效降低,坡体不会产生较大位移量。