极端降雨条件下填土边坡防护

极端降雨条件下填土边坡防护

1降雨滑坡的累积降雨自近代中期以来，由于世界各国高度关注的发展趋势，极端降雨及其二次破坏的频繁发生引起了人们的关注。统计表明,降雨量与滑坡数量有着明显的关系。Au针对香港地区降雨滑坡统计发现,一般24h降雨量超过70mm时就会诱发滑坡,滑坡烈度随24h的降雨强度呈非线性增长。Polemio和Sdao对意大利Avigliano地区降雨与滑坡复活进行了统计分析,发现10至90d的累积降雨量与滑坡复活都有关系。Ibsen和Casagli对意大利Porretta-Vergato地区降雨滑坡统计发现,以6个月为周期,降雨量的急增和滑坡数量的急增有着直接的关系。山谷区干贮灰场是一般由初期坝和子坝组成。初期坝一般由当地材料筑建,子坝和库内灰渣均采用碾压填筑。灰坝建设过程中,随着子坝级数的增加,灰坝坝高不断增加,导致坝坡稳定性降低;库区内灰渣贮放量不断增加,导致溃坝风险增加。降雨对干灰场的稳定性至关重要,主要表现为两个方面:一是降雨会导致灰坝内孔隙水压力增加,抗剪强度降低,从而导致稳定性降低;二是降雨会使灰坝内产生饱和区,易在地震作用下发生液化。因此研究灰坝等高边坡在降雨条件下的水文响应必不可少,它是灰坝稳定计算分析及地震液化计算分析的前提。鉴于百米灰坝溃决后的高风险,有必要开展百米灰坝在极端降雨条件下的水文响应研究,从而为灰坝稳定性、地震液化范围和溃决风险评估等后续计算分析提供依据。本文以山西古交元家山灰场拟建110m高的灰坝为例,提出在水文资料缺少条件下的极端降雨确定方法,并开展极端降雨条件下的百米高灰坝的水文响应研究,分析极端降雨条件下坝坡瞬态渗流场的时空变化,讨论灰坝结构形式对水文响应过程的影响,从而为灰坝在极端降雨条件下的风险评估奠定基础。2元家山灰场古交市地处山西省太原市西部山区,属北温带大陆性气候,日照充足,昼夜温差大。年均降水量460mm,年平均蒸发量1025mm,蒸发量大于降水量,雨量集中在每年的7—9月份。元家山灰场位于古交市元家山村南侧沟内,为山谷干贮灰场。元家山灰场初期坝为碾压式黏土均质坝,坝顶高程1120.0m,坝高20m,顶宽6.0m,上游边坡为1∶2.0,下游边坡为1∶2.5。现子坝已建至四级,一至四级子坝坝高均为10m,上、下游边坡均为1∶2.0,坝顶宽21m。灰坝拟加至九级,最终加高后的灰坝坝高达110m。初步方案为五至九级子坝每级坝高10m,上游边坡1∶2.5,下游边坡1∶3.0,坝顶宽4m。元家山灰场最大断面示意图如图1所示。3普通话噪声分析3.1极端降雨条件极端降雨条件是一个定性的概念,而在工程计算中,需要一个定量的表述,从而有助于计算的顺利开展。工程计算过程中,极端降雨条件的设置主要涉及降雨强度和降雨持时两个因素。降雨条件下灰坝的渗流场计算分析是一个非稳定渗流问题,坝体的渗流场会随降雨强度、降雨持时、灰坝渗透系数等的影响而呈现不同的响应。在灰坝渗透系数一定的条件下,当降雨强度大于灰坝的饱和渗透系数时,部分雨水以坡面产流的方式排走,入渗的雨水会以饱和的形式向下扩展,入渗深度范围内的部分灰体为饱和带。在工程计算中,应当考虑降雨产流的条件和对边坡稳定最不利的降雨强度。假设库内无积水条件下,降雨全部入渗到灰库内,并且在灰坝表面和灰库表面呈饱和下渗,因此本文设定粉煤灰的饱和渗透系数47.5mm/d作为极端降雨条件下的降雨强度。当降雨强度确定后,降雨持时多用极端降雨量除以降雨强度来计算获得。如果从水文学角度出发来确定极端降雨,需对历年的降雨资料进行分析,从而确定不同重现期条件下的降雨量。但实际中,我国近来百年一遇的强降雨颇为多见,而降雨资料统计多是建国后才开展,还不足70年。这为水文统计确定极端降雨条件的可靠性和工程计算的实用性带来一定的困难。鉴于此,本文以研究区的年累积降雨量作为参考值,从考虑计算时边界条件设定的便利性,设定降雨持时为10d,这样计算出降雨饱和下渗条件下累积降雨量为475mm(略高于年均降雨量460mm)。3.2渗流场的分析图2—图4分别为库内粉煤灰、子坝和初期坝的渗透系数函数。在计算降雨条件下灰坝的渗流场时,计算模型的顶部、子坝和初期坝外表面均设降雨强度为边界条件,计算模型的左右两侧设为不透水边界条件,表明在降雨入渗过程中,灰坝内不考虑其它外来补给水源。为安全起见,设定初始地下水位位于基岩顶部。3.3b-b’断面的水文响应图5为强降雨后饱和区的分布情况。从图5可以看出,强降雨后,子坝的表层及库区灰渣内均形成了一定厚度的饱和层,并且因库区灰渣饱和渗透系数大于子坝,其饱和层的厚度也大于子坝。为了更好的分析计算结果,选取图5中A-A’、B-B’、C-C’、D-D’4个典型分析断面。其中A-A’、B-B’和C-C’分别为通过最高级子坝顶部、子坝上游坝坡和库区堆渣的垂向断面,用于分析不同位置在极端降雨条件下的饱和-非饱和水文响应过程。D-D’断面为一水平断面,横跨了饱和区外子坝、子坝与库内灰渣界面和库内灰渣3个特征区,用于分析降雨后与稳定性紧密相关的孔隙水压力分布规律。图6为断面降雨入渗过程。通过图6,对比分析A-A’,B-B’和C-C’三个断面的垂向降雨入渗水文响应过程,可以看出,3个断面虽然承受了相同的降雨强度,但受位置的影响,呈现出较大的水文响应差异,甚至A-A’断面与B-B’和C-C’断面的水文响应结果大相迳庭。在降雨入渗过程中,A-A’断面浸润锋不断向下扩展,影响深度约为3m,但无正孔隙水压力产生。这与典型一维饱降雨入渗过程中浸润锋的扩展方式相同,并且孔隙水压力响应也相近。在降雨入渗过程中,B-B’断面浸润锋呈饱和状态向下扩展,但孔隙水压力响应与A-A’有较大差异。当浸润锋位于监测位置子坝上游坝坡线以上时,浸润锋过后,有正孔隙水压力产生,并且孔隙水压力的大小与浸润锋埋深成正比,比值在浸润锋抵达子坝上游坝坡线前略微增加,增幅较小。当浸润锋抵达子坝上游坝坡线后,随着降雨入渗的补给,子坝上游坝坡线以上孔隙水压力的大小与浸润锋埋深依然成正比,并且比值不断增大,但增幅降低。子坝上游坝坡线以下,随着浸润锋埋深的增加,孔隙水压力急速降低。整个降雨过程中,B-B’垂向断面在降雨结束时孔隙水压力最大,最大值位于子坝上游坝坡线处。在降雨入渗过程中,C-C’断面浸润锋呈饱和状态向下扩展,孔隙水压力响应同A-A’和B-B’断面均有较大差异。降雨入渗过程中,在浸润缝抵达最高子坝上游坡脚高程(1196m)之前,浸润锋过后,有正孔隙水压力产生,并且孔隙水压力的大小与浸润锋埋深成正比,但比值没有规律性,从而导致最大孔隙水压力的位置也不断变化。当浸润锋超最高子坝上游坡脚高程(1196m)之后,整个浸润锋过后的饱和区内孔隙水压力降为0kPa。D-D’断面为极端降雨后的水平断面孔隙水压力分布如图7所示。从图7可以看出,在水平断面上,子坝上游坝面处的孔隙水压力最大。库内灰渣距离子坝上游坝面越远,孔隙水压力越低,当达到一定距离后,孔隙水压力基本稳定。结构型式影响通过上述计算出的饱和区分布及4个计算断面的孔隙水压力响应,对比分析前人对边坡的水文响应过程的计算结果可以看出,A-A’断面的水文响应过程与均匀无限边坡的相似,而B-B’和C-C’断面的水文响应则与均匀无限边坡有较大的差异。通过B-B’断面的水文响应过程和D-D’断面的孔隙水压力水平向分布,根据均匀无限边坡浸润锋抵达相对隔水层时的水文响应,可以推测这是因为灰坝的结构型式所致。A-A’断面位于子坝,无相对隔水层,所以水文响应同均匀无限边坡相似。而经过库内灰渣的B-B’和C-C’断面在位于子坝上游坝脚以上位置的水文响应过程中,因库内子坝饱和渗透系数小于灰渣,子坝上游坝面线起到相对阻水的作用,所以导致这两个断面浸润锋过程的孔隙水压力与浸润锋的埋深成正比。该比值小于静水压力的比值。4极端条件下降雨入渗工程计算过程中,极端降雨条件的设置主要涉及降雨强度和降雨持时两个因素。鉴于我国多地水文统计年限较短、资料不全,难以预测极端降雨条件,本文依据浸润锋以饱和状态下渗时对坝坡稳定性影响最大,提出以饱和渗透系数作为降雨强度,以年平均降雨量作为单次极端降雨的降雨量来确定极端降雨条