許家臣，夏雨，宋浩然，徐杰，張慶文，徐國林，眭素剛

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，昆明 650224；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計院有限公司，昆明 650051；3.云南省巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，昆明 650051)

電石渣作為生產(chǎn)乙炔(C2H2)等有機(jī)合成材料產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，其主要成分是氫氧化鈣[1]，由于其處理成本較高，對電石渣的處理大部分直接堆放棄渣場，造成了電石渣大量堆積。云南地區(qū)電石渣存量約100萬t，且雨季集中，短時性強(qiáng)降雨頻發(fā)，易造成電石渣堆場發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞，污染周邊環(huán)境。因而研究強(qiáng)降雨條件下電石渣堆場失穩(wěn)破壞特性至關(guān)重要。

學(xué)者們針對降雨條件下邊坡、堆積體失穩(wěn)破壞特性開展了大量研究。Huang等[2]通過室內(nèi)人工降雨侵蝕模型試驗，分析各種坡度比，礫石含量和降雨強(qiáng)度對黏土礫石邊坡破壞機(jī)理的影響。穆成林等[3]以開挖高邊坡為研究對象，建立室內(nèi)模型，分析變形破壞機(jī)理，確定失穩(wěn)破壞范圍。朱建東等[4]通過室內(nèi)邊坡試驗，分析了間歇與連續(xù)兩種降雨類型下坡面被降雨侵蝕的動態(tài)過程。曾昌祿等[5]建立了室內(nèi)縮尺邊坡模型，模擬人工降雨，分析了降雨強(qiáng)度與坡比不同時邊坡入滲特性。甘建軍等[6]通過開展降雨物理模擬試驗，揭示了降雨入滲對含軟弱夾層堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響。曾玲等[7]基于熒光示蹤法，開展降雨條件下不同裂隙帶參數(shù)紅黏土邊坡室內(nèi)模型試驗，分析了坡表濕潤鋒、暫態(tài)飽和區(qū)及土體體積含水率的變化規(guī)律。邱瀟等[8]以堆積體滑坡為研究對象，得出了降雨條件下其滲流、變形及破壞規(guī)律。王樂華等[9]通過岸坡模型，研究了不同坡度與水位作用下堆積體岸坡的變形破壞規(guī)律。呂雨樺等[10]利用 Geo-studio 對非飽和土邊坡進(jìn)行了滲流—應(yīng)力耦合分析，研究了非飽和土邊坡失穩(wěn)原理及演化規(guī)律。

綜上可知，前人研究多針對巖土類邊坡，對電石渣堆場失穩(wěn)破壞特性研究并不明確，且普遍認(rèn)為雨水入滲導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低、邊坡抗剪強(qiáng)度下降是巖土類邊坡失穩(wěn)的主要原因。然而由于電石渣的粒徑極細(xì)，比表面積大，具有更強(qiáng)的黏聚力和穩(wěn)定性，且密度較一般巖土體低，隨著堆場渣體不斷堆積，造成下部渣體沉積板結(jié)，形成滲透系數(shù)極低的弱透水層。前期堆積體失穩(wěn)機(jī)理與一般巖土體類似，坡腳處出現(xiàn)部分失穩(wěn)，而中后期與一般弱透水基巖土質(zhì)斜坡會在非飽和狀態(tài)下由基質(zhì)吸力降低引起堆積體失穩(wěn)不同，只有基質(zhì)吸力降低還不足以使電石渣堆積體在非飽和狀態(tài)下失穩(wěn)，只有在坡體達(dá)到飽和，且雨水滲透到弱透水層并形成飽和滯水層后，堆場易發(fā)生淺層溢流失穩(wěn)破壞，且滑裂面接近直線，對周圍環(huán)境造成二次污染。

基于此，假設(shè)堆場下部弱透水層為基巖，運用相似比建立堆場上部堆積體縮尺模型，結(jié)合Geo-studio有限元模擬，研究了在強(qiáng)降雨條件下，電石渣堆場失穩(wěn)破壞規(guī)律，以期為電石渣堆場的穩(wěn)定性分析評價提供參考。

1 理論分析

1.1 電石渣基本性質(zhì)

電石渣遇水會逐漸變得黏稠，呈強(qiáng)堿性，含有一些殘留乙炔氣與S2-等有害組分，物理性質(zhì)[11]與粉質(zhì)黏土類似，但粒徑更細(xì)，為0.95～138.00 μm，顆粒分散性好，比表面積大。重度低，黏聚力強(qiáng)，內(nèi)摩擦角小，風(fēng)干后電石渣吸水性強(qiáng)，風(fēng)干含水率接近2%，持水性弱，易蒸發(fā)風(fēng)干，也易遇水成流動漿體。測得電石渣基本參數(shù)如表1所示。

經(jīng)過取樣實測距坡表1～2 m處滲透系數(shù)量級達(dá)到10-8cm/s，且越靠近坡腳電石渣固結(jié)效應(yīng)越明顯，弱透水層距坡表也越近。通過試驗得出滲透系數(shù)k與固結(jié)壓力p之間的關(guān)系如圖1所示。電石渣在常溫狀態(tài)下可以看作一種特殊類土。

表1 電石渣基本參數(shù)

圖1 滲透系數(shù)與固結(jié)壓力關(guān)系

1.2 滲流失穩(wěn)理論分析

在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，從非飽和體中取出一個基本單元，通過質(zhì)量守衡定律、達(dá)西定律得到飽和時，二維滲流方程[12]為

(1)

與非飽和時的二維滲流控制方程[12]為

(2)

1.3 流固耦合理論分析

降雨導(dǎo)致邊坡發(fā)生滲流，這是一種典型的流固耦合現(xiàn)象?；緳C(jī)理是：滲流發(fā)生過程中，孔隙水壓力的變化會導(dǎo)致土體間有效應(yīng)力的改變，這直接導(dǎo)致土體孔隙度、滲透率的改變，二者的改變又反過來影響孔隙水的流動和壓力分布從而改變滲透系數(shù)，造成一種孔壓-應(yīng)力的耦合現(xiàn)象。非飽和土體積含水率方程為

θ=β0εv+ω0(ua-uw)

(3)

(4)

式(4)中：H為體積變化量中的長。

(5)

式(5)中：R為體積變化量中的寬。

采用Geo-studio有限元分析軟件中設(shè)定孔隙氣壓力ua等于大氣壓力，因此ua=0，于是式(3)簡化為[13]

θ=β0εv-ω0uw

(6)

式中：θ為含水率；εv為土體體積應(yīng)變；ua、uw分別為孔隙氣壓力與孔隙水壓力，KPa；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比。

與有效應(yīng)力表達(dá)式與應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程共同推導(dǎo)出關(guān)于體積含水量的關(guān)系式為

(7)

式(7)中：Se為有效飽和度。

將式(7)與式(2)相結(jié)合，得出非飽和土體滲流-應(yīng)力耦合控制方程為

(8)

1.4 相似理論分析

本文模型參照昆明尋甸工業(yè)園區(qū)堆場，高6 m，寬200 m，如圖2所示。

圖2 電石渣場

相似模擬試驗立足于相似定理，通過白金漢原理建立π項組成π方程，導(dǎo)出的相似判據(jù)用于模型及試驗方案的設(shè)計。在采用相同材料的情況下，選用幾何相似比Cl作為決定其他參量的依據(jù)，分別推出密度相似比Cρ、重力加速度相似比Cg、含水率相似比Cw、內(nèi)摩擦角相似比Cφ、黏聚力相似比Cc、降雨強(qiáng)度相似比Cq、降雨歷時相似比Ct。原型：模型=10∶1，通過MLT量綱分析法[質(zhì)量(M)、長度(L)和時間(T)為MLT量綱制3個基本量]建立相似比[14-15]如表2所示。

2 試驗設(shè)計

2.1 降雨條件以及模擬降雨裝置

由于昆明地區(qū)降雨多為短時性強(qiáng)降雨，持續(xù)時間短，降雨量大。通過中國氣象局官網(wǎng)選取了昆明地區(qū)前6年最大降雨強(qiáng)度為63.4 mm/h。取前6年最大降雨強(qiáng)度平均值為41.7 mm/h。根據(jù)邊界條件相似，將實際降雨量按比例進(jìn)行縮放，降雨強(qiáng)度取21、15 mm/h，按照降雨強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，劃分為大暴雨與暴雨。試驗方案設(shè)計如表3所示。

表3 人工降雨試驗方案

模型箱長1.5 m、寬0.5 m、高0.6 m、模型坡角為25°。采取一種自制的降雨系統(tǒng)，包括折疊帳篷，水管，簡易雨量器，螺桿自吸泵，玻璃轉(zhuǎn)子流量計以及不同孔徑的環(huán)形霧狀噴頭，通過不同孔徑噴頭、閥門扭轉(zhuǎn)角度以及玻璃轉(zhuǎn)子流量計來調(diào)節(jié)噴灑半徑、水壓力以及水流量，對降雨強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定。制作簡易雨量器，用來檢測人工降雨均勻度。噴頭布設(shè)在坡體模型中間，間隔50 cm，噴灑半徑35 cm，降雨均勻度可以達(dá)85%以上?，F(xiàn)場布置及模型分別如圖3(a)、圖3(b)所示。

2.2 監(jiān)測設(shè)備以及堆積體模型制備

監(jiān)測設(shè)備包括LY-350電阻應(yīng)變式微型滲壓計、LY-350電阻應(yīng)變式微型土壓力盒以及非接觸式應(yīng)變位移視頻測量分析儀?？紫端畨毫?W1～W5)、土壓力盒(S1～S4)埋設(shè)在堆積體中軸線上。傳感器的埋設(shè)如圖3(c)所示。

圖3 系統(tǒng)、模型及傳感器布置圖

考慮到試驗邊坡模型的尺寸效應(yīng)，試驗所用電石渣均過5 mm細(xì)篩，采用分層填筑整體削坡的方法，每層10 cm，共分6層，每層壓實完成后通過取樣器進(jìn)行隨機(jī)取樣，并稱取樣品重量，以此來確保堆積體邊坡的整體性以及均勻性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 孔隙水壓力分析

方案一孔隙水壓力時程變化如圖4(a)所示，可以看出，隨著降雨時間的增加，W1、W2、W3處孔隙水壓力上升速率出現(xiàn)了明顯差異，表現(xiàn)為坡腳最大，坡頂次之，坡中最小。W4、W5處孔隙水壓力開始增長時間隨著孔隙水壓力盒埋設(shè)深度的增加而延長，且初始增長速率也明顯變小。表明雨水入滲存在滯后性，而且隨著埋設(shè)深度的增加，入滲能力逐漸減弱。淺層孔隙水壓力始終在深層孔隙水壓力之上。

方案二孔隙水壓力時程變化如圖4(b)所示：相比于方案一，W1、W2、W3處孔隙水壓力增長速率變緩，坡體趨于飽和的時間也出現(xiàn)了延后，三者孔隙水壓力的整體趨勢依然滿足坡腳最大，坡頂次之，坡中最小。表明入滲速率與降雨強(qiáng)度成正比，降雨強(qiáng)度越強(qiáng)，入滲速率越快。

圖4 不同條件下堆積體孔隙水壓力時程變化

3.2 土壓力分析

土壓力時程變化情況如圖5所示?？梢钥闯觯翂毫φw呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢，前期沒有出現(xiàn)明顯波動，且壓力隨埋深增加而增加，隨后堆積體土壓力出現(xiàn)了較大的波動，并在重新達(dá)到平衡時，土壓力相比失穩(wěn)之前出現(xiàn)了明顯降低，這是由于堆積體坡腳飽和，流動性大幅度提升，出現(xiàn)部分失穩(wěn)現(xiàn)象。應(yīng)力得到提前釋放，坡體土壓力發(fā)生波動，隨后坡體應(yīng)力重分布，造成整體土壓力降低。隨后在降雨持續(xù)時間內(nèi)穩(wěn)定攀升，并在堆積體失穩(wěn)時，土壓力急劇上升，達(dá)到頂鋒。表明此時堆積體坡表已經(jīng)趨于飽和，坡體內(nèi)部正由剪脹狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧艨s狀態(tài)，孔隙水壓力上升，固相體積分?jǐn)?shù)小于臨界體積分?jǐn)?shù)，在不透水層處形成滯水層，最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖5 不同條件下堆積體土壓力時程變化

3.3 堆積體位移分析

方案一位移時程變化如圖6(a)所示，可以看出，坡腳位移最大，坡頂與坡中相接近，坡頂位移略大。50 min時，堆積體整體位移出現(xiàn)激增，這是由于坡腳出現(xiàn)部分失穩(wěn)，造成整體位移激增，隨后位移增長速率變緩。方案二位移時程變化如圖6(b)所示，可以看出，不同于方案一，坡頂位移最先增加，隨后坡中與坡腳幾乎同時增加，最終位移變化情況為坡頂最大，坡中次之，坡腳最小。

圖6 不同條件下堆積體位移時程變化

3.4 堆積體失穩(wěn)破壞特征

方案一大暴雨條件下堆積體失穩(wěn)破壞過程如圖7(a)所示?？梢钥闯觯瑥淖蟮接叶逊e體變化時刻分別為降雨初期、降雨歷時35 min、歷時40 min以及最后堆積體失穩(wěn)。降雨初期，坡腳處最先飽和，渣體流動性增大，抗剪強(qiáng)度降低，在雨水沖擊與渣體自重作用下坡腳處沿弱透水層發(fā)生失穩(wěn)破壞，土壓力迅速出現(xiàn)波動，位移快速增加，隨后應(yīng)力重分布，土壓力趨于穩(wěn)定，位移緩慢上升，堆積體重新恢復(fù)穩(wěn)定。隨著降雨繼續(xù)，雨水逐漸入滲，孔隙水壓力升高并逐漸趨于穩(wěn)定，此時坡體趨于飽和，抗剪強(qiáng)度降低，可由于電石渣粒度細(xì)且具有高黏聚力，基質(zhì)吸力降低不足以使其發(fā)生失穩(wěn)破壞，直至雨水入滲至弱透水層并形成滯水層，最終發(fā)生失穩(wěn)破壞，這是一種牽引失效與滯水層作用相結(jié)合的失穩(wěn)模式。

圖7 堆積體失穩(wěn)破壞特征

方案二暴雨條件下堆積體失穩(wěn)破壞過程如圖7(b)所示。可以看出，從左到右堆積體變化時刻分別為降雨初期、降雨歷時60 min、歷時68 min以及最后堆積體失穩(wěn)。相比方案一，方案二降雨強(qiáng)度降低，坡腳處僅出現(xiàn)裂縫，并逐漸擴(kuò)大，但并未發(fā)生部分失穩(wěn)，隨著降雨持續(xù)，孔隙水壓力升高，堆積體自重增加，應(yīng)力無法及時釋放，導(dǎo)致堆積體后緣處產(chǎn)生拉裂縫加快雨水入滲，上部堆積體逐漸達(dá)到飽和，孔隙水壓力趨于穩(wěn)定，基質(zhì)吸力降低，并在不透水界面逐漸形成滯水層，導(dǎo)致堆積體沿弱透水層發(fā)生漿體溢流直至滑動破壞。

4 堆場失穩(wěn)特性分析

4.1 堆場原型模擬分析

如圖8所示，選取方案一降雨強(qiáng)度，通過Geo-studio中的SEEP模塊建立穩(wěn)態(tài)滲水面作為初始條件，然后通過SIGMA模塊以SEEP模塊得到的初始孔隙水壓力作為初始條件來建立沒有外部荷載作用下的原位應(yīng)力分析。隨后繼續(xù)通過SIGMA模塊，以原位應(yīng)力分析中得出的初始應(yīng)力及孔隙水壓力作為滲流場—應(yīng)力場耦合分析的初始條件，通過迭代計算，得出降雨持續(xù)時間內(nèi)堆場邊坡原型的應(yīng)力場與滲流場的實際變化情況。以滲流場—應(yīng)力場耦合分析結(jié)果作為初始條件通過SLOPE模塊進(jìn)行堆積體失穩(wěn)破壞分析，從而得出堆場邊坡的安全系數(shù)。堆積體在強(qiáng)降雨條件下發(fā)生失穩(wěn)破壞，與一般土質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑裂面呈圓弧狀不同，電石渣堆場失穩(wěn)破壞時滑裂面接近直線狀態(tài)且只發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞。這是由于下部沉積電石渣固結(jié)性較強(qiáng)，滲透系數(shù)極低，且電石渣粒徑小，黏聚力大，難以造成圓弧狀滑裂面，只會發(fā)生渣體淺層失穩(wěn)。因此室內(nèi)試驗采取弱透水基巖設(shè)計來模擬堆場淺層失穩(wěn)破壞。

圖8 堆場失穩(wěn)破壞特征

4.2 堆積體模型滲流位移失穩(wěn)分析

通過軟件模擬得出大暴雨與暴雨條件下堆積體在2 h時滲流變化情況，如圖9(a)、圖9(b)所示。此時大暴雨條件下堆積體入滲速率明顯大于暴雨條件下入滲速率，入滲速率與降雨強(qiáng)度成正比，且不同位置入滲速率不同，坡腳>坡頂>坡中。

堆積體在2 h時位移變化情況，如圖9(c)、圖9(d)所示。大暴雨條件下堆積體坡腳處位移大于坡頂處位移，暴雨條件下坡頂處位移大于坡腳處位移。

堆積體失穩(wěn)破壞情況如圖9(e)、圖9(f)在不同強(qiáng)降雨條件下，堆積體安全系數(shù)都小于1，說明在大暴雨與暴雨條件下堆積體都發(fā)生失穩(wěn)破壞，并且在降雨強(qiáng)度降低時，堆積體安全系數(shù)升高。堆積體失穩(wěn)破壞模式都是在形成滯水層后沿弱透水層發(fā)生失穩(wěn)破壞。

Wm1～Wm5與模型試驗中W1～W5相對應(yīng)

有限元模擬大暴雨條件下堆積體孔隙水壓力以及土壓力時程變化如圖10所示，Wm1、Wm3、Wm2處孔隙水壓力的增長速率以及峰值依次遞減，表明入滲速率是坡腳>坡頂>坡中。Wm4、Wm5處孔隙水壓力在降雨持續(xù)40 min以及65 min時開始發(fā)生突變，上升速率與峰值都出現(xiàn)明顯降低，降雨入滲滯后性明顯。Sm1、Sm3始終小于Sm2、Sm4，表明土壓力隨著埋深增加而增加，且土壓力出現(xiàn)較大波動隨后逐漸趨于穩(wěn)定，但是整體土壓力都出現(xiàn)了不同程度的降低，表明坡體應(yīng)力被提前釋放。隨后土壓力在降雨持續(xù)時間內(nèi)穩(wěn)定上升，在最后失穩(wěn)時達(dá)到頂峰。

Wm1～Wm5、Sm1～Sm4分別與模型試驗中W1～W5、S1～S4相對應(yīng)

綜上所述，室內(nèi)試驗結(jié)果與Geo-studio有限元模擬結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

通過室內(nèi)降雨試驗與Geo-studio有限元模擬相結(jié)合，得出如下結(jié)論。

(1)在降雨持續(xù)時間內(nèi)，堆積體不同位置入滲速率不同，坡腳最大，坡頂次之，坡中最小。且入滲速率與降雨強(qiáng)度成正比。同一斷面不同深度孔隙水壓力響應(yīng)時間與降雨強(qiáng)度成正比，雨強(qiáng)越強(qiáng)，響應(yīng)越敏感，且淺層孔隙水壓力一直大于深層壓力。

(2)當(dāng)堆積體出現(xiàn)部分失穩(wěn)，應(yīng)力重分布，土壓力響應(yīng)最為迅速，且深層土壓力在淺層之上。暴雨與大暴雨條件下位移響應(yīng)順序正好相反。

(3)在強(qiáng)降雨條件下，堆場在不透水層形成滯水層并發(fā)生沿不透水層滑移的淺層失穩(wěn)破壞，且滑裂面接近直線。大暴雨條件下堆場在牽引作用與滯水層效果下發(fā)生失穩(wěn)破壞，暴雨條件下主要是由于滯水層作用導(dǎo)致失穩(wěn)溢流破壞。

(4)強(qiáng)降雨條件下電石渣堆場易發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞，為防止堆場失穩(wěn)，可采用大型機(jī)械將表面壓實平整，表面松散處加防塵布，既能防止雨水入滲，也有利于雨水排出，防止形成滯水層，坡腳加強(qiáng)排水，以防堆場坡腳飽和失穩(wěn)，造成牽引失穩(wěn)破壞。