不同土质弃渣场稳定受降雨影响分析

韩国盛， 王 超

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年来，随着众多大型基建工程的施工，施工过程中产生大量弃土，弃渣场的边坡稳定问题时有发生，雨季弃渣场边坡稳定问题尤为突出。降雨对边坡稳定的影响机制有很多，如降雨入渗，会导致弃渣场内部孔隙水压力增大，土体有效应力指标降低，抗剪强度降低；降雨入渗，会对弃渣场内部裂隙产生劈裂作用，使裂隙进一步扩大，破坏边坡完整性[1]；降雨入渗，还会导致土体内含水率增加，边坡土体容重增加，弃渣场边坡的稳定性也会降低。近年来，随着对非饱 和渗流研究的深入，对于雨水入渗对边坡稳定的影响机制有了更深一层的认识，人们认识到降雨入渗将导致土体内基质吸力的丧失，进而影响土体的抗剪强度指标。学者们开始尝试使用土水特征曲线来模拟土体内体积含水率与基质吸力之间的关系，进而研究非饱和土渗流问题。本文使用Fredlund&Xing模型拟合砂土、粉质黏土及黏土的土水特征曲线，进一步研究三种土质弃渣场在降雨作用下水力特性及稳定性变化规律。

1 非饱和土渗流理论

非饱和土中体积含水量分布受土的应力历史、颗粒尺寸、级配及黏粒含量等因素影响[2]。由非饱和土的土水特征曲线可以确定非饱和土基质吸力与体积含水量之间关系，然后根据非饱和土抗剪强度理论，可确定非饱和边坡稳定性。

1.1 非饱和土的土-水特征曲线

本文借助Fredlund&Xing模型拟合砂土、粉质黏土及黏土的土水特征曲线，其表达式为[3]：

(1)

式中：θw为体积含水率；Cφ为修正参数，本文中取1；θs为饱和体积含水率；a为进气值；m为控制残余含水量；n为基质吸力大于进气值后，水流出孔隙的速率；e为自然对数。

渗透系数变化曲线借用如下公式拟合[3]：

kw=ksSl

(2)

式中：kw为非饱和土渗透系数；ks为饱和土渗透系数；S为非饱和体积含水量与饱和体积含水量比值；l为拟合参数。

1.2 非饱和边坡抗剪强度理论

本文在对非饱和边坡进行稳定计算时采用简化Bishop法，抗剪强度公式采用Fredlund提出的非饱和土抗剪强度公式，其表达式如下所示[4]：

τ=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：τ为抗剪强度；c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；σn-ua为净法向应力；ua-uw为基质吸力；φb反映基质吸力对内摩擦角的影响。

2 降雨对边坡水力特性及稳定性影响分析

2.1 渣场基本特征

本文以引江济淮工程弃渣场为例进行计算，渣场尺寸、边界条件及网格划分如图1所示，为研究弃渣场内部孔隙水压力变化规律，在断面1上间隔2 m取特征点，并在弃渣场内取1号及2号滑面，以研究不同土质弃渣场深浅层稳定变化规律。特征点及滑面分布如图2所示。

图1 弃渣场边界条件及网格划分

图2 弃渣场内特征点及滑面分布

2.2 降雨条件及计算参数

本文用Fredlund&Xing模型拟合三种土质的土-水特征曲线，如图3所示，其中黏土、粉质黏土、砂土的饱和体积含水量分别为0.85、0.6、0.4：

图3 三种土质土-水特征曲线

本文的降雨类型选取均匀型降雨，其中前5 d为降雨期，日降雨量为72 mm，后5 d为停雨期。三种土质弃渣及地基的力学参数见表1。

表1 弃渣及地基力学参数

2.3 渣场内水力特性分析

三种土质弃渣场断面1处特征点孔隙水压力在降雨过程中的变化规律如图4～图6所示。

图4 黏土弃渣场降雨过程中孔隙水压力变化规律

图6 砂土弃渣场降雨过程中孔隙水压力变化规律

对比三种土质弃渣场在降雨过程中孔隙水压力变化规律，可以发现，黏土弃渣场内部孔隙水压力变化受降雨入渗影响最大，粉质黏土弃渣场次之，砂土弃渣场最弱。由于粘性土保水性强，弃渣场内部含水量增加较大，孔隙水压力大幅增加。同时黏性土降雨入渗的滞后性比较明显，浅层土含水量增加幅度较深层土大，降雨停止后，渣场浅层土体内的水继续入渗，因此渣场深层土体的孔隙水压力在降雨停止后仍然上升，这种现象在图中表现为变化曲线的带宽在5～10 m处仍然较宽；粉质黏土由于保水性相对较差，渣场内含水量增加较小，孔隙水压力变化幅度较小，降雨入渗滞后性没有黏土弃渣场表现明显，因此在5～10 m范围内，孔隙水压力变化曲线带宽较窄；砂土保水性最差，雨水排泄较快，因此弃渣场内部孔隙水压力变化不明显。由以上分析可知,黏土质弃渣场内部水力特性受降雨影响最明显，尤其是黏土弃渣场的浅层土体含水量增加幅度较大。

2.4 渣场稳定性变化规律分析

由于降雨过程中三种土质弃渣场内部孔隙水压力变化规律有很大区别，因此三种土质弃渣场的边坡稳定性在降雨过程中也会存在较明显差别，降雨过程中三种土质弃渣场稳定性变化规律如图7、图8所示。

图7 三种土质弃渣场滑面1稳定性变化规律

图8 三种土质弃渣场滑面2稳定性变化规律

由图7、图8可知，不同土质弃渣场，深浅层滑动面受降雨影响变化幅度不同。黏土弃渣场滑面1在降雨期安全系数由2.33降为2.12，降幅为9%，滑面2在降雨期安全系数由2.23降为2.14，降幅为4.0%；粉质黏土弃渣场滑面1在降雨期安全系数由1.87降为1.78，降幅为4.8%，滑面2在降雨期安全系数由2.14降为2.04，降幅为4.6%；砂土弃渣场滑面1在降雨期安全系数由1.71降为1.64，降幅为4.1%，滑面2在降雨期安全系数由2.29降为2.18，降幅为4.8%。

对比可知，黏土弃渣场及粉质黏土弃渣场浅层滑动面受降雨影响较深层滑动面大，砂土弃渣场浅层滑动面受降雨影响比深层滑动面小，这是由于黏土及粉质黏土保水性较强，降雨过程中浅层土体含水量变化幅度较大，而砂土保水性较差，雨水下渗快，且地基处雨水下渗慢，导致深层土体含水量增加相对大一些。总的来说，黏土弃渣场稳定性受降雨影响最大。

3 结束语

由于不同土质弃渣场土水特性存在差别，在降雨过程中弃渣场内部水力特性变化规律不同，其中黏土弃渣场受降雨影响最大，黏土质弃渣场浅层含水量增加幅度最大，内部孔隙水压力变化幅度最大，而砂土弃渣场内部水力特性受降雨影响较小。黏土弃渣场稳定性受降雨影响最大，尤其是浅层稳定受降雨影响最大，因此在工程中应格外注意黏土弃渣场的浅层滑坡破坏，并采取相应措施。