郑开欢等：持续暴雨作用下排土场层状碎石土边坡稳定性 ·1207· 表1排土场各岩土层物理力学和VG模型参数 Table 1 Mechanical and VG model parameters of different soil layers 天然重度， 变形模量， 泊松比， VG模型参数 岩土层 有效内摩擦有效黏聚力，饱和渗透系数， y/(kN.m-3) E/kPa 角，p1() c'/kPa ks/(ms-1) a 碎石土(1-1) 19.6 13000 0.32 31 6.5 3.472×1040.294 0.053.1701.782 碎石土(1-2) 21.5 20000 0.34 33 9.0 2.604×10-4 0.288 0.05 3.170 1.782 碎石土(1-3) 22.6 39000 0.37 35 11.0 1.736×10-4 0.281 0.053.170 1.782 黏土(2-2) 19.0 11500 0.25 17 32.5 1.0x10-9 0.432 黏土(3-3) 19.2 12000 0.25 16 30.5 1.0×10-9 0.419 黏土岩(4-1) 23.5 44000 0.32 24 47.5 1.0×10-6 0.5040.19510.3591.896 灰岩(5-1) 25.4 3.16×107 0.34 39 400 1.0×10-9 0.4000.1889.109 2.616 表2降雨工况设计 相应的正、负压力水头施加到计算剖面中，即在排土场 Table 2 Design of the rainfall pattern 有限元模型范围内的高程0m处施加一排压力水头为 总降雨量/降雨持时/雨后历时/降雨强度/ 降雨工况 35.57m(对应的孔隙水压力为348.59kPa)的数据点， mm d d (mm'd-1) 在高程35.57m处施加一排压力水头为0m(对应的 暴雨 457 8 57.125 孔隙水压力为0kPa)的数据点，在高程42.57m处施 加一排压力水头为-2.76m(对应的孔隙水压力为 2.2.2模型边界条件 根据本排土场实际情况，参考相关文献对降 -27kPa)的数据点，在高程76m处施加一排压力水头 雨入渗模型边界条件的一般处理方法确定模型边界条 为-4.59m(对应的孔隙水压力为-45kPa)的数据 点，即可得到碎石土(1-1)、碎石土(1-2)和碎石土 件。模型底部边界设为不透水边界.模型两侧边界地 (1-3)的初始基质吸力分布，见图3. 下水位以上按零流量边界处理，地下水位以下为给定 水头边界条件，水头值等于初始地下水位.模型上部 0 边界施加正单元流量q来模拟降雨，9值等于表2中的 -30 降雨强度. 201m0 2.2.3模型初始条件 确定计算剖面初始孔隙水压力分布的理想方法是 通过实验测定不同空间分布的土体含水量，拟合研究 图3计算剖面初始孔隙水压力分布（单位：kP) 区域内节点的含水量，但实际操作比较繁琐.在缺少 Fig.3 Initial pore-water pressure of the calculation profile (unit: kPa) 实测数据的情况下，通常结合工程实际情况对其作近 似处理。通常，非饱和区基质吸力在浸润面上为零，向 2.3饱和-非饱和渗流计算结果分析 上随着岩土体含水量的降低而增大，超过最大毛细上 图4为排土场内部孔隙水压力的变化情况.降雨 升高度范围以后，基质吸力增幅较小的.土体中水的 开始以后，排土场边坡浅层含水量开始增大，由于浅层 最大毛细上升高度与土体孔隙直径有关，土体孔隙直 土体渗透系数大，降雨未在表面形成积水，因此浅层土 径越小，毛细上升高度越大，在无实测数据时通常进行 体基质吸力最小降低至0~10kPa.随着降雨的持续， 假定.本文参考文献6]取最大毛细上升高度为7m 基质吸力为0~10kPa的土体范围逐步向深部扩展，第 (对应排土场有限元模型高程42.57m),最大毛细上 8天雨停时坡顶基质吸力处于0~10kPa范围内的土 升高度范围内基质吸力增加值取为最大基质吸力的 体厚度已超过6m.雨后随着边坡浅层水分的继续下 0.6倍.将碎石土(1-1)的天然含水率4.1%和天然 渗，边坡浅层含水量逐渐减小，基质吸力开始增大，到 重度19.6kN·m3,以及水的重度9.8kN·m3带入式 第10天，边坡浅层基质吸力最高已增至20kPa. (7)中，得到其天然体积含水量日为0.079，对照其土一 图5为所选节点不同时刻孔隙水压力值.高程处 水特征曲线，相应的基质吸力约为45kPa,由于碎石土于75.5m范围内的边坡浅层节点的孔隙水压力在降 (1-1)主体部分位于坡顶，坡顶土体的基质吸力一般 雨第2天就增大到了-10kPa以上，之后随着降雨的 为边坡最大基质吸力，因此计算剖面最大基质吸力取 持续，孔隙水压力在-I0kPa以上的节点逐渐向深部 为45kPa.运用SEEP/W的“Spatial Functions(空间函 发展，降雨期间高程处于60~75.5m范围内所选节点 数)”功能，通过若干指定坐标和压力水头的数据点把 的孔隙水压力最大值达-5.3kPa.第8天和第10天郑开欢等: 持续暴雨作用下排土场层状碎石土边坡稳定性 表 1 排土场各岩土层物理力学和 VG 模型参数 Table 1 Mechanical and VG model parameters of different soil layers 岩土层 天然重度， γ /( kN·m － 3 ) 变形模量， E /kPa 泊松比， ν 有效内摩擦 角，φ' /( °) 有效黏聚力， c' /kPa 饱和渗透系数， kS /( m·s － 1 ) VG 模型参数 θs θr a n 碎石土( 1 － 1) 19. 6 13000 0. 32 31 6. 5 3. 472 × 10 － 4 0. 294 0. 05 3. 170 1. 782 碎石土( 1 － 2) 21. 5 20000 0. 34 33 9. 0 2. 604 × 10 － 4 0. 288 0. 05 3. 170 1. 782 碎石土( 1 － 3) 22. 6 39000 0. 37 35 11. 0 1. 736 × 10 － 4 0. 281 0. 05 3. 170 1. 782 黏土( 2 － 2) 19. 0 11500 0. 25 17 32. 5 1. 0 × 10 － 9 0. 432 ― ― ― 黏土( 3 － 3) 19. 2 12000 0. 25 16 30. 5 1. 0 × 10 － 9 0. 419 ― ― ― 黏土岩( 4 － 1) 23. 5 44000 0. 32 24 47. 5 1. 0 × 10 － 6 0. 504 0. 195 10. 359 1. 896 灰岩( 5 － 1) 25. 4 3. 16 × 107 0. 34 39 400 1. 0 × 10 － 9 0. 400 0. 188 9. 109 2. 616 表 2 降雨工况设计 Table 2 Design of the rainfall pattern 降雨工况 总降雨量/ mm 降雨持时/ d 雨后历时/ d 降雨强度/ ( mm·d － 1 ) 暴雨 457 8 2 57. 125 2. 2. 2 模型边界条件 根据本排土场实际情况，参考相关文献［11--14］对降 雨入渗模型边界条件的一般处理方法确定模型边界条 件． 模型底部边界设为不透水边界． 模型两侧边界地 下水位以上按零流量边界处理，地下水位以下为给定 水头边界条件，水头值等于初始地下水位． 模型上部 边界施加正单元流量 q 来模拟降雨，q 值等于表2 中的 降雨强度． 2. 2. 3 模型初始条件 确定计算剖面初始孔隙水压力分布的理想方法是 通过实验测定不同空间分布的土体含水量，拟合研究 区域内节点的含水量，但实际操作比较繁琐． 在缺少 实测数据的情况下，通常结合工程实际情况对其作近 似处理． 通常，非饱和区基质吸力在浸润面上为零，向 上随着岩土体含水量的降低而增大，超过最大毛细上 升高度范围以后，基质吸力增幅较小［15］． 土体中水的 最大毛细上升高度与土体孔隙直径有关，土体孔隙直 径越小，毛细上升高度越大，在无实测数据时通常进行 假定． 本文参考文献［16］取最大毛细上升高度为 7 m ( 对应排土场有限元模型高程 42. 57 m) ，最大毛细上 升高度范围内基质吸力增加值取为最大基质吸力的 0. 6 倍． 将碎石土( 1 － 1) 的天然含水率 4. 1% 和天然 重度 19. 6 kN·m － 3 ，以及水的重度 9. 8 kN·m － 3 带入式 ( 7) 中，得到其天然体积含水量 θ 为 0. 079，对照其土-- 水特征曲线，相应的基质吸力约为 45 kPa，由于碎石土 ( 1 － 1) 主体部分位于坡顶，坡顶土体的基质吸力一般 为边坡最大基质吸力，因此计算剖面最大基质吸力取 为 45 kPa． 运用 SEEP /W 的“Spatial Functions ( 空间函 数) ”功能，通过若干指定坐标和压力水头的数据点把 相应的正、负压力水头施加到计算剖面中，即在排土场 有限元模型范围内的高程 0 m 处施加一排压力水头为 35. 57 m ( 对应的孔隙水压力为 348. 59 kPa) 的数据点， 在高程 35. 57 m 处施加一排压力水头为 0 m ( 对应的 孔隙水压力为 0 kPa) 的数据点，在高程 42. 57 m 处施 加一排压力水头为 － 2. 76 m ( 对应的孔隙水压力为 － 27 kPa) 的数据点，在高程 76 m 处施加一排压力水头 为 － 4. 59 m ( 对应的孔隙水压力为 － 45 kPa) 的数据 点，即可得到碎石土( 1 － 1) 、碎石土( 1 － 2) 和碎石土 ( 1 － 3) 的初始基质吸力分布，见图 3． 图 3 计算剖面初始孔隙水压力分布( 单位: kPa) Fig． 3 Initial pore-water pressure of the calculation profile ( unit: kPa) 2. 3 饱和--非饱和渗流计算结果分析 图 4 为排土场内部孔隙水压力的变化情况． 降雨 开始以后，排土场边坡浅层含水量开始增大，由于浅层 土体渗透系数大，降雨未在表面形成积水，因此浅层土 体基质吸力最小降低至 0 ～ 10 kPa． 随着降雨的持续， 基质吸力为 0 ～ 10 kPa 的土体范围逐步向深部扩展，第 8 天雨停时坡顶基质吸力处于 0 ～ 10 kPa 范围内的土 体厚度已超过 6 m． 雨后随着边坡浅层水分的继续下 渗，边坡浅层含水量逐渐减小，基质吸力开始增大，到 第 10 天，边坡浅层基质吸力最高已增至 20 kPa． 图 5 为所选节点不同时刻孔隙水压力值． 高程处 于 75. 5 m 范围内的边坡浅层节点的孔隙水压力在降 雨第 2 天就增大到了 － 10 kPa 以上，之后随着降雨的 持续，孔隙水压力在 － 10 kPa 以上的节点逐渐向深部 发展，降雨期间高程处于 60 ～ 75. 5 m 范围内所选节点 的孔隙水压力最大值达 － 5. 3 kPa． 第 8 天和第 10 天 ·1207·