崔博等：强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 371 3模型边界及初始条件 100 Without considering pore air pressure 90 o-Considering pore air pressure (1)模型边界条件：底部设为不透水、不透气边 界，土层表面设置进气值1.8kPa24,模型两侧在初 始地下水位以上设为零流量边界条件，以下设为 60 50 定水头边界条件，水头值等于初始地下水位76.64m. 40 =0h (2)模拟的降雨：根据该地区多年降雨实测资 30 =6h =12h 料，选取最大昼夜降雨量311.7mmd1作为降雨强 20 18h 度，降雨工况设计见表3，降雨时间取6,12,18， 10 -24h =30h 24和30h -250 -200 -150.-100-50 0 表3降雨工况设计 Pore water pressure/kPa Table 3 Design of the rainfall condition 图10强降雨条件下不同时段孔隙水压力分布情况 Rainfall Rainfall intensity/Duration/ Total precipitation/ Fig.10 Distribution of pore water pressure indifferent periods condition (mm'd) h mm 由图9可知，在不考虑孔隙气压时，在降雨入渗 6 77.925 12 155.850 前期(0h≤K3h)由于高台阶排土场土体干燥导致 Rainstorm 311.7 出 233.775 其基质吸力梯度大，湿润锋下移较快，随着降雨持 24 311.700 续其成线性增加：在降雨人渗中期(3h≤<9h),主 30 389.625 要受土体自身人渗能力的影响，高台阶排土场入渗速 率逐渐减小呈稳定趋势，随着降雨时间的增长，湿润 (3)初始条件：土层负孔隙水压力由郑开欢等四 锋呈一定的非线性：在降雨入渗后期(9h≤1≤30h)当 推导的土体天然含水率、天然重度与天然体积含 湿润锋到达堆积料中部时（仁9），土体力学参数变 水量的换算公式，结合土-水特征曲线确定排土场 大使入渗速率加快，湿润锋下移变快；当湿润锋到达 边坡初始基质吸力为208kPa,孔隙气压力为大气 堆积料下部时（仁21h),土体力学参数继续增大导 压力等于0kPa 致入渗速率更快，较之前相比湿润锋深度下移更快 4计算结果分析 当考虑孔隙气压时，在降雨入渗初期(0h≤<3h), 由于高台阶排土场边坡表层饱和度较小且渗透系 4.1边坡渗流分析 数较大，气体可沿孔隙从排土场表层溢出，此时孔 通过对高台阶排土场1-1剖面进行历时30h 隙气压力近似等于大气压力，对排土场边坡影响 强降雨数值模拟，获得了1-1剖面入渗过程中湿润 很小，几乎可以忽略；但随着降雨入渗湿润锋不断 锋深度随降雨时长的变化规律和强降雨工况孔隙 下移(3h≤KI1h),孔隙的气体被不断压缩无法沿 水压的分布结果.由图9和10可以看出相同时间 土层表面溢出，使得孔隙气压力迅速增大，雨水入 考虑孔隙气压力的高台阶排土场湿润锋下移速度 渗速率降低，湿润锋下移速度变缓：随后孔隙气压 变慢、对应的孔隙水压力上升也相对变缓 力不断地排出与压缩会大致恒定在什H。,湿润锋 90 -o-Without considering pore air pressure 呈线性增加：当湿润锋到达堆积料中部时(=11h), 80 Considering pore air pressure 由于高台阶排土场力学参数的改变，破坏了孔隙 70 Bottom of the ipacking material 气压原有的平衡状态，孔隙气压在原有基础上将 60 会迅速增大直至达到新的恒定值H+H1,湿润锋 较之前相比下降变缓；当湿润锋到达堆积料下部 40 Middle of the packing material 时(=24h),孔隙气压将会在原基础上继续增大直 30 20 至达到新的恒定值H+H2,湿润锋下降速度更慢 Top of the 与不考虑孔隙气压相比较，考虑孔隙气压力时高 packing material 台阶排土场湿润锋下移变慢，有着明显的延时作 6 912151821242730 Rainfall duration,t/h 用，对雨水入渗有很大的阻碍 图9湿润锋时程曲线 另一方面，由图10可知，在强降雨工况下，随 Fig.9 Wetting front time curves 着雨水入渗湿润锋不断下移，高台阶排土场土体3    模型边界及初始条件 （1）模型边界条件：底部设为不透水、不透气边 界，土层表面设置进气值 1.8 kPa[24] ，模型两侧在初 始地下水位以上设为零流量边界条件，以下设为 定水头边界条件，水头值等于初始地下水位 76.64 m. （2）模拟的降雨：根据该地区多年降雨实测资 料，选取最大昼夜降雨量 311.7 mm·d–1 作为降雨强 度 ，降雨工况设计见表 3，降雨时间取 6， 12， 18， 24 和 30 h. 表 3 降雨工况设计 Table 3   Design of the rainfall condition Rainfall condition Rainfall intensity/ (mm·d−1) Duration/ h Total precipitation/ mm Rainstorm 311.7 6 77.925 12 155.850 18 233.775 24 311.700 30 389.625 （3）初始条件：土层负孔隙水压力由郑开欢等[1] 推导的土体天然含水率、天然重度与天然体积含 水量的换算公式，结合土–水特征曲线确定排土场 边坡初始基质吸力为 208 kPa，孔隙气压力为大气 压力等于 0 kPa. 4    计算结果分析 4.1    边坡渗流分析 通过对高台阶排土场 1-1 剖面进行历时 30 h 强降雨数值模拟，获得了 1-1 剖面入渗过程中湿润 锋深度随降雨时长的变化规律和强降雨工况孔隙 水压的分布结果. 由图 9 和 10 可以看出相同时间 考虑孔隙气压力的高台阶排土场湿润锋下移速度 变慢、对应的孔隙水压力上升也相对变缓. 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Wetting front, z/m Rainfall duration, t/h Without considering pore air pressure Considering pore air pressure Middle of the packing material Bottom of the packing material Top of the packing material Initial rainfall stage 图 9    湿润锋时程曲线 Fig.9    Wetting front time curves −250 −200 −150 −100 −50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Considering pore air pressure Without considering pore air pressure Height/m Pore water pressure/kPa t=0 h t=6 h t=12 h t=18 h t=24 h t=30 h 图 10    强降雨条件下不同时段孔隙水压力分布情况 Fig.10    Distribution of pore water pressure indifferent periods 由图 9 可知，在不考虑孔隙气压时，在降雨入渗 前期（0 h≤t<3 h）由于高台阶排土场土体干燥导致 其基质吸力梯度大，湿润锋下移较快，随着降雨持 续其成线性增加；在降雨入渗中期（3 h≤t<9 h），主 要受土体自身入渗能力的影响，高台阶排土场入渗速 率逐渐减小呈稳定趋势，随着降雨时间的增长，湿润 锋呈一定的非线性；在降雨入渗后期（9 h≤t≤30 h）当 湿润锋到达堆积料中部时（t=9 h），土体力学参数变 大使入渗速率加快，湿润锋下移变快；当湿润锋到达 堆积料下部时（t=21 h），土体力学参数继续增大导 致入渗速率更快，较之前相比湿润锋深度下移更快. 当考虑孔隙气压时，在降雨入渗初期（0 h≤t<3 h）， 由于高台阶排土场边坡表层饱和度较小且渗透系 数较大，气体可沿孔隙从排土场表层溢出，此时孔 隙气压力近似等于大气压力，对排土场边坡影响 很小，几乎可以忽略；但随着降雨入渗湿润锋不断 下移（3 h≤t<11 h），孔隙的气体被不断压缩无法沿 土层表面溢出，使得孔隙气压力迅速增大，雨水入 渗速率降低，湿润锋下移速度变缓；随后孔隙气压 力不断地排出与压缩会大致恒定在 H+Hc，湿润锋 呈线性增加；当湿润锋到达堆积料中部时（t=11 h）， 由于高台阶排土场力学参数的改变，破坏了孔隙 气压原有的平衡状态，孔隙气压在原有基础上将 会迅速增大直至达到新的恒定值 H1+Hc1，湿润锋 较之前相比下降变缓；当湿润锋到达堆积料下部 时（t=24 h），孔隙气压将会在原基础上继续增大直 至达到新的恒定值 H2+Hc2，湿润锋下降速度更慢. 与不考虑孔隙气压相比较，考虑孔隙气压力时高 台阶排土场湿润锋下移变慢，有着明显的延时作 用，对雨水入渗有很大的阻碍. 另一方面，由图 10 可知，在强降雨工况下，随 着雨水入渗湿润锋不断下移，高台阶排土场土体 崔    博等： 强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 · 371 ·