山地填土边坡内渗水危害的量化分析

山地填土边坡内渗水危害的量化分析

由于水和雨的渗透，许多高边坡在施工后几年内崩溃。特别是在雨季,常常会垮得不可收拾,以致于不得不事后再投资几十万,甚至上百万资金花大力气整治。而这种后续的整治,除了加强坡面、坡顶等的排水外,常是在坡下部修筑抗滑桩,或重新辗压、夯实填土,或铺设加筋带等等。这实质皆是一些提高整个边坡常规设计(不考虑渗水影响)的稳定性安全系数的措施。对于坡内渗水的内在作用机理,基本上没有什么改变。那么,能否通过某些设计措施来改善坡内渗水的内在作用,降低坡内渗水的危害呢?为此,我们先在这里将《山地填土边坡内渗水危害的量化分析》(后简称《分析》)一文中的有关内容作以下两点必要的引述和明确:(1)“……在短期渗水浸泡的情况下,为保证边坡稳定,要求各控制横断面的横向滑坡圆弧有效支承长度浸泡率m应当满足的基本条件”是:m≤ηβΚ-1Κm≤ηβK−1K[《分析》文式(14)]而m=Ζ√hwhm=Zhwh−−−√[《分析》文式(10)]可见,在边坡不考虑渗水影响的稳定性安全系数K及其该安全储备“K-1”的利用系数η、渗水量Vw一定的情况下,降低坡内渗水对其稳定性危害的有效措施是:尽力降低横向滑坡圆弧最低点上的渗水高度hw及其该滑坡圆弧的有效支承长度浸泡率m、抗剪强度损失率β。至于《分析》文式(10)中的“h”,为横向滑弧最低点上的填土厚度,已为滑弧位置决定。(2)从《分析》一文的图5:“S′w—R—hw”曲线及式(6):“S′w=13Sw”可知:在横向滑坡圆弧半径R一定,弧内渗水面积S′w较小(S′w≤5～10m2)的情况下,该滑弧内的渗水高度hw与S′w近似成正比,进而hw与该滑坡区内的渗水面积Sw也近似成正比。即∵近似有hw∝S′w而S′w=13Sw∴也近似有hw∝Sw值此,本文在《分析》一文的基础上,提出以下两条降低山地填土边坡内渗水危害的设计思路。1“共铸工艺”的定义填土前,在容易引发滑坡的关键部位(详见《分析》文)设置一定范围的卵、砾石(或片石等)渗水层如图1。1.1滑弧内的渗流量ks(1)此“卵砾石渗水层”首先是可以很大地降低该范围滑坡圆弧内的渗水高度hw,进而降低其滑弧的有效支承长度浸泡率m。这是因为,在这些关键部位(本文仅讨论原地表为不透水层的情况)设置“卵砾石渗水层”后,其中的渗流速度vs显然将此原填土时的渗透速度vt大得多。因即使假设其渗水均属层流运动(这些部位,一般地表坡度i皆不很大,其i即为原地表上渗流的水头梯度),符合达西(Darcy)渗透定律:但由于一般填土的渗透系数Kt≤5～20m/d;卵、砾石的渗透系数Ks≥50～100m/d。所以也至少可大致定量地认为(实际设计时,显然要尽力提高Ks。自然当更具体、准确地估算):因此,在单位时间内的渗水量Vw一定的情况下,原填土中的渗水面积Swt与该“卵砾石渗水层”中的渗水面积Sws之比也至少大于等于5～10倍。即SwtSws=Vw/vtVw/vs=vsvt≥5~10同时,又据前文“引述(2)”知:在滑弧内渗水面积较小的一般情况下,可认为滑弧内的渗水高度hw与该滑坡区内渗水面积Sw近似成正比。所以,也就可判断原填土滑弧内的渗水高度hwt与该“卵砾石渗水层”中滑弧内的渗水高度hws之比hwthws近似地等于二者对应的渗水面积之比SwtSws,故也至少大于等于5～10倍。亦是说:∵近似地hw∝SwSwtSws≥5~10∴hwthws≈SwtSws≥5~10故可进一步地判定原填土中滑弧的有效支承长度浸泡率mt与该“卵砾石渗水层”中滑弧的有效支承长度浸泡率ms之比为:此即表明,由于该“卵砾石渗水层”的设置,该范围内横向滑坡圆弧的有效支承长度浸泡率m,至少将在原填土时的基数上缩小√5至√10倍。(2)此“卵砾石渗水层”还将在一定程度上降低该范围内滑坡圆弧被渗水浸泡时的抗剪强度损失率β。这里设置的“卵砾石渗水层”虽不可与《分析》一文中的干砌片石、卵砾石等“特殊边坡断面”等同,但由于这些“卵砾石渗水层”的设置,当其有渗水时,这些部位被浸泡后的最低抗剪强度τ′2s显然一般都将高于素填土浸泡后的最低抗剪强度τ′2t。特别是比较新填的粘性土,认为受水浸泡时τ′2=0‚β=τ2-τ′2τ2=1的情况,由于此“卵砾石渗水层”的设置,该处被渗水浸泡时的抗剪强度损失率β无疑地将随τ′2的提高而降低。一般至少使β<1。1.2kt—此“卵砾石渗水层”外形尺寸的确定这里,可据原填土中测算的渗水横断面积Sw的大小,分以下两类情况而定:(1)当其按预计渗水量Vw据达西渗透定律测算的填土内渗水横断面积Sw较小(此暂取Sw≤3m2)时,可近似地取Sw值即为该“卵砾石渗水层”的横断面积A值。同时,将断面A的形状设定为《分析》一文的所谓最不利分布状态图形。即:横向滑坡圆弧的最低段恰好就通过其中心点和两个上角点的扁平矩形。因此,我们欲设置的“卵砾石渗水层”之横断面积A、厚度D、横向宽度B及纵向长度L便可按如下步骤确定:1)当其据预计渗水量Vw测算的填土内渗水横断面积式中Vw——可能的滑坡区主轴(可按《分析》文确定)方向上的预计渗水量(m3/d);i——可能的滑坡区主轴方向渗水的水头梯度。对于本文所讨论的原地表为不透水层,地表坡度皆不很大的关键部位,此i值即为滑坡区主轴方向的原地表坡度;i′——可能的滑坡区内原填土中发生渗流的起始水头梯度;Kt——可能的滑坡区内原填土的渗透系数(m/d)。Kt、i′值均可查取于有关资料或由实验确定。2)确定该“卵砾石渗水层”的横断面积3)将该“卵砾石渗水层”的横断面形状设定为填土中渗水“最不利分布”的“扁平矩形”而确定其厚度。取厚度hw——可能的横向滑坡圆弧最低点上的渗水高度。可由横向滑弧内的渗水面积S′(=13Sw)及其按《分析》文估定的横向滑坡圆弧半径R查《分析》文的“图5”而确定。4)确定该“卵砾石渗水层”横断面的横向宽度于此,值得指出的是:D、B值皆不宜过小。D值过小,填土可能完全堵塞其渗水孔隙,使其渗水层丧失其应有的渗水功能;B值过小,可能因实际渗水路线的估计偏差,造成渗水在我们设定的渗水层范围之外的情形。故D、B值均有待讨论一个最小的尺寸限制。目前,先可暂取D≥0.4m,B≥5～8m。5)确定该“卵砾石渗水层”的纵坡方向长度L此宜据可能的纵向滑坡圆弧图上的关键部位区段长度,用作图法确定。如图1中L1和L2。显然,图1中的L1和L2即可能的纵向滑弧与原地表大致相切的长度。实设中,也当据现场勘测情况而适当取长些。(2)当其按预计渗水量Vw据达西渗透定律测算的填土内渗水横断面积Sw较大(此暂取Sw>3m2)时,可适当考虑“卵砾石渗水层”将很大地提高其渗水速度,减小其渗水面积的作用,取该“卵砾石渗水层”的横断面积式中Ks——欲设置的“卵砾石渗水层”的渗透系数(m/d);Kt——欲设置“卵砾石渗水层”处原填土的渗透系数(m/d);vws——水在“卵砾石渗水层”中的渗流速度(m/d);vwt——水在欲设置“卵砾石渗水层”处原填土中的渗透速度(m/d)。然后,即可按前述(1)类情况的其余各具体步骤确定其该“卵砾石渗水层”的厚度D、宽度B和长度L。同理于前,这里的D、B、L值更不可太小。2“盲沟”的定义填土前,在容易引发滑坡的关键部位设置1～3道竖矩形的导流盲沟,如图2。2.1向滑坡圆弧内的渗透率hw此举的目的是力图更经济、有效地降低该范围内可能的横向滑坡圆弧内的渗水高度hw。理论上,可力图让全部渗水从窄而深的盲沟中导走,使滑弧内的渗水高度hw接近于零,从而使滑弧的有效支承长度浸泡率m亦趋近于零。2.2“盲沟”的大小决定(1)盲沟道数nkmim首先是设定盲沟道数n,一般可取n=1～3。然后,即可直接据其预计的渗水量Vw按达西定律如下估算各盲沟的横断面积A1。令nA1≥Vwvm=VwΚmim即得A1≥Vw/nKmim(5)式中n——设定的盲沟道数。宜据现场地形取定;im——设计盲沟的水头梯度;Km——设计盲沟的渗透系数(m/d);Vw——可能的滑坡区主轴(可按《分析》文确定)方向上的预计渗水量(m3/d);vm——设计盲沟内的渗水流速(m/d)。由于在一般情况下,填土边坡内不可避免的渗水量Vw总是较小(大量的施工用水、雨水等均可设法在坡外排走),而盲沟的“渗透系数”K值又可相当大,所以按式(5)所算的A1值一般都较小(可不超过0.3～0.5m2),只要原地表非坚硬岩石等,是经济可行。(2)导地树立“卵砾石”说一般,可同于前述“卵砾石渗水层”纵坡方向长度L的确定。简而言之,即可用图解法取可能的纵向滑弧与原地表大致相切的长度。这里值得格外指出的是:对于整个纵向滑弧与原地表基本一致的特殊情况(特别是对潜在的深层顺沟滑移),此导流盲沟宜顺原地形而因势利导地通长布置。分析上述设计思路可知,此设计能否成功地改善坡内渗水的内在作用,有效地降低其可能的横向滑弧内的渗水高度hw、有