付建利，路玉恒

(德州黃河河務(wù)局齊河黃河河務(wù)局，山東 德州 251100)

1 工程背景

某灌區(qū)內(nèi)天然植草路塹邊坡發(fā)生破壞，斜坡主要由兩個(gè)臺階組成，破壞發(fā)生在上部臺階。根據(jù)近期的氣象遙測系統(tǒng)，距離研究地點(diǎn)10 km的自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄了大量的融雪和降雨。此外，斜坡沿坡有排水系統(tǒng)以排出地表水流，但在邊坡失穩(wěn)發(fā)生時(shí)，由于落葉、沉積物和積雪的堵塞，觀察到排水溝處有水溢出，經(jīng)判斷是斜坡破壞的主要原因之一[1]。

2 模擬方法

本文針對此邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并建立了用于邊坡穩(wěn)定性評估的三維模型，進(jìn)行了地表徑流和土壤水流分析，僅考慮實(shí)際路塹邊坡的上部臺階和具有溝渠堵塞點(diǎn)的溝渠系統(tǒng)。模型由土壤和草層兩部分組成，草層厚度為0.2 m。土壤的干密度為968 kg/m3，有效內(nèi)聚力為1.0 kPa，有效摩擦角為32°，彈性模量為4.6 MPa，泊松比為0.3，飽和透水性為3.30×10-5m/s，飽和體積含水量為0.61 m3/m3。根據(jù)當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料測得的平均值，地下水位的初始條件設(shè)定為距地表5.0 m。地表徑流邊界條件采用流入邊界和流出邊界來模擬，在排水溝未堵塞的情況下，流入水量等于流出水量[2-5]。而在排水溝堵塞的情況時(shí)，流入水量值保持不變，流出流量值變?yōu)榱恪ＴO(shè)置溝渠系統(tǒng)的側(cè)面和底部為零流量邊界。此外，排水溝的進(jìn)水僅考慮了來自聚集區(qū)的徑流，沒有考慮來自坡頂?shù)臐B透水，坡頂設(shè)置為零流量邊界。水量定義為流入流量值，如式(1)：

Q1=(P+S)×A；Q2=αQ1

(1)

式中：Q1為流入流量值，m3/s；P為降雨量，m/s；S為融雪水量，m/s；A為計(jì)算面積，m2；Q2為流出流量值，m3/s；α為與堵塞率相關(guān)的參數(shù)，取0～1(1對應(yīng)于水從溝渠系統(tǒng)排出的情況、沒有堵塞，0對應(yīng)溝渠系統(tǒng)被堵塞并且水從側(cè)面流出的情況、完全堵塞)。

3 結(jié)果和討論

3.1 氣候條件和總流入水量

圖1為降雨量隨時(shí)間的變化，降雨主要集中在10～25 h時(shí)期，在18 h時(shí)降雨量最大，為6.72 mm/h。圖2為積雪深度隨時(shí)間的變化，積雪深度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在降雨發(fā)生后積雪深度明顯下降。圖3為總流入水量，總流入水量先增大后減小，在降雨發(fā)生后，總流入水量顯著增加，在18 h后隨著降雨量的減小以及積雪深度的持續(xù)減小反而呈現(xiàn)下降的趨勢。根據(jù)雪深和降雪量的數(shù)據(jù)估算融雪水量。從理論上講，積雪深度可以通過積雪模型來估計(jì)，使用平均氣溫來確定雨或雪的降水量。為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，通常采用氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，即測量的雪深和降雪數(shù)據(jù)來估計(jì)融雪量。通過考慮邊坡失穩(wěn)前的降雨歷史資料進(jìn)行初始滲流分析，以獲得邊坡破壞前一天時(shí)邊坡中的初始含水量分布。通過考慮地表徑流和土壤水流的耦合模型，以1 h為時(shí)間步長，對邊坡失穩(wěn)時(shí)25 h內(nèi)氣候邊界條件下的瞬態(tài)滲流進(jìn)行分析，以自重計(jì)算模型的初始平衡條件。最后，結(jié)合孔隙水壓力和含水量分布進(jìn)行邊坡破壞分析，計(jì)算邊坡的局部安全系數(shù)。

圖1 降雨量隨時(shí)間變化規(guī)律

圖2 積雪深度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖3 總流入水量隨時(shí)間變化規(guī)律

3.2 溢流對邊坡穩(wěn)定性的影響

本研究中僅考慮裸露土壤，評估溝渠堵塞引起的溢流對邊坡穩(wěn)定性的影響，比較了邊坡失效時(shí)的表面流深度分布以及完全堵塞(α=0)和無堵塞(α=1)的情況下模擬結(jié)果。在溝渠完全堵塞的情況下，排水系統(tǒng)的溢流從邊坡表面的側(cè)面產(chǎn)生，此時(shí)降雨和融雪水無法通過排水溝順利排出。相反，溝渠中的水被完全排出時(shí)則不會堵塞溝渠。完全堵塞和無堵塞的兩種情況下邊坡的孔隙水壓力分布也呈現(xiàn)不同的結(jié)果，有溢流時(shí)，在斜坡地面以下較深的地方仍呈現(xiàn)出正向增加的孔隙水壓力。在沒有堵塞的情況下，地表淺層孔隙水壓力為正向增加，大部分深層斜坡區(qū)域仍是負(fù)孔隙水壓力。比較完全堵塞和無堵塞的情況下邊坡的局部安全系數(shù)的分布，在完全堵塞的情況下，大部分邊坡區(qū)域處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在溝渠堵塞點(diǎn)的橫截面不穩(wěn)定深度接近2.2 m。相反，在沒有堵塞的情況中，盡管坡面上出現(xiàn)了較低的局部安全系數(shù)區(qū)域，但沿坡并沒有明顯的破壞區(qū)域[6-7]。

有效飽和度、孔隙水壓力、局部安全系數(shù)和徑流速度隨時(shí)間的變化如圖4～圖7所示。由圖4、圖5可知，水的滲透會導(dǎo)致有效飽和度和孔隙水壓力的增加，從而導(dǎo)致未飽和土壤的吸水性減小，并最終降低局部安全系數(shù)，如圖6所示。由圖4可知，在α=1的情況下，排水溝渠內(nèi)無堵塞，有效飽和度相對較穩(wěn)定，在0.5～0.6范圍內(nèi)逐漸上升。在α=0的情況下，排水溝渠內(nèi)堵塞嚴(yán)重，在降雨7 h后快速上升并穩(wěn)定在1.0。由圖5可知，孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律與有效飽和度較為相似，在α=1的情況下，孔隙水壓力在-8.0～-5.0 kPa范圍內(nèi)逐漸上升，恒為負(fù)值。在α=0的情況下，排水溝渠內(nèi)堵塞嚴(yán)重，孔隙水壓力快速上升最終出現(xiàn)了正值的孔隙水壓力。由圖6可知，局部安全系數(shù)均隨時(shí)間的增加而下降，但在溢流導(dǎo)致溝渠堵塞的情況下，有效飽和度和孔隙水壓力的增加以及局部安全系數(shù)的減少更為顯著。由此可知，溝渠堵塞增加了邊坡破壞失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，溢流是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，在實(shí)際工程中應(yīng)重視溢流對邊坡穩(wěn)定性的影響。經(jīng)計(jì)算，沿坡面的邊坡臨界侵蝕速度為0.26 m/s，圖7顯示了完全堵塞情況下邊坡的徑流速度，徑流速度超過了臨界侵蝕速度，最終導(dǎo)致邊坡的侵蝕破壞，影響邊坡的穩(wěn)定性。溝渠堵塞情況下，溢流滲透到邊坡中，土壤的含水量急劇增加導(dǎo)致邊坡加速破壞。當(dāng)排水系統(tǒng)工作性能良好時(shí)，在實(shí)際情況下邊坡基本可以保持穩(wěn)定性。

圖4 有效飽和度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖6 局部安全系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖7 徑流速度隨時(shí)間變化規(guī)律

3.3 草層對邊坡穩(wěn)定性的影響

地表草層在邊坡穩(wěn)定性分析中起著重要作用，利用植物根系等進(jìn)行生態(tài)防護(hù)是環(huán)境友好的邊坡防護(hù)方案之一，可以增加降雨引起的淺層土壤邊坡的穩(wěn)定性。與裸露土相比，植被土具有明顯不同的滲透性能和力學(xué)性能。相較于裸露土，在植被土壤中有更高的持水能力和更低的滲透系數(shù)。同時(shí)，植被根系具有固定土壤顆粒的作用，減弱邊坡表面侵蝕程度，植被根系穿過潛在的破壞面可提高邊坡穩(wěn)定性。有學(xué)者進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)對比草地和裸露土壤的飽和滲透系數(shù)的區(qū)別，圖8為不同根系體積比的草地和裸露土壤的飽和滲透系數(shù)比值[8]。由圖8可知，在根系體積比為0.002 m3/m3時(shí)，飽和滲透系數(shù)比值為1.03。飽和滲透系數(shù)比值隨根系體積比的增加而逐漸降低。

圖8 不同根系體積比下飽和滲透系數(shù)比值變化規(guī)律

由圖8可以看出，隨著根系體積比的增加，由于更多的根系堵塞了土壤孔隙，草地土壤的滲透性減小。本研究中的邊坡破壞發(fā)生在10月底，考慮到春季的草類植物的生長，假定草齡為8個(gè)月。根據(jù)圖8的草層飽和滲透系數(shù)，為評價(jià)Ks(正負(fù)樣本分隔程度的評價(jià)指標(biāo))值的影響，在考慮草齡效應(yīng)的情況下，在模擬中采用0.25和0.50的比例。根據(jù)草齡校準(zhǔn)草層的有效內(nèi)聚力，4個(gè)月草層的有效內(nèi)聚力為4.2 kPa，8個(gè)月草層的有效內(nèi)聚力為8.1 kPa，曼寧系數(shù)值取為0.3 s/m1/3。為了簡化，其他參數(shù)設(shè)置與裸露土相似。所有模擬都是在溝渠堵塞條件下進(jìn)行的。

分析有草層的邊坡孔隙水壓力和局部安全系數(shù)的分布，與僅考慮裸露土壤的情況相比，草層有效地阻礙了滲透，并減少了濕潤土層的深度。相應(yīng)地，破壞規(guī)模顯著減小，模擬結(jié)果證明了草層對邊坡具有保護(hù)作用。在理論上，不同草齡均具有一定的保護(hù)作用。當(dāng)采用0.25的比率時(shí)，模擬滑面比實(shí)際滑面淺。由于根部腐爛導(dǎo)致大孔隙的形成，在一定程度上導(dǎo)致滲透性的增加?？紤]到破壞時(shí)間在秋季，部分根系可能會腐爛，導(dǎo)致根系體積比降低，從而增加飽和滲透系數(shù)比?？紤]根腐效應(yīng)時(shí)，模擬的破壞深度為1.5 m，大致達(dá)到實(shí)際滑面，但此時(shí)忽略了溢流引起的侵蝕效應(yīng)。

4 結(jié) 論

(1)溝渠堵塞引起的徑流外溢對邊坡穩(wěn)定性有不利影響，在溢流導(dǎo)致溝渠堵塞的情況下，有效飽和度和孔隙水壓力的增加以及局部安全系數(shù)的減少更為顯著。堵塞情況下邊坡的徑流速度超過了臨界侵蝕速度，最終導(dǎo)致邊坡的侵蝕破壞。溢流是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

(2)草層通過限制地表入滲和增強(qiáng)土壤強(qiáng)度，可以增加降雨引起的淺層土壤邊坡的穩(wěn)定性。飽和滲透系數(shù)比值隨根系體積比的增加而逐漸降低。同時(shí)，草層的性質(zhì)受到草齡和根部腐爛等多種因素的影響，可能會產(chǎn)生相反的影響。

(3)通過考慮土壤、草層等不同材料對滲透和徑流的影響，本研究可以為強(qiáng)降水條件下的邊坡穩(wěn)定性和防護(hù)方法提供有價(jià)值的信息。