山地填土邊坡內(nèi)滲水危害的量化分析

山地填土邊坡內(nèi)滲水危害的量化分析

由于水和雨的滲透，許多高邊坡在施工后幾年內(nèi)崩潰。特別是在雨季,常常會垮得不可收拾,以致于不得不事后再投資幾十萬,甚至上百萬資金花大力氣整治。而這種后續(xù)的整治,除了加強(qiáng)坡面、坡頂?shù)鹊呐潘?常是在坡下部修筑抗滑樁,或重新輾壓、夯實填土,或鋪設(shè)加筋帶等等。這實質(zhì)皆是一些提高整個邊坡常規(guī)設(shè)計(不考慮滲水影響)的穩(wěn)定性安全系數(shù)的措施。對于坡內(nèi)滲水的內(nèi)在作用機(jī)理,基本上沒有什么改變。那么,能否通過某些設(shè)計措施來改善坡內(nèi)滲水的內(nèi)在作用,降低坡內(nèi)滲水的危害呢?為此,我們先在這里將《山地填土邊坡內(nèi)滲水危害的量化分析》(后簡稱《分析》)一文中的有關(guān)內(nèi)容作以下兩點(diǎn)必要的引述和明確:(1)“……在短期滲水浸泡的情況下,為保證邊坡穩(wěn)定,要求各控制橫斷面的橫向滑坡圓弧有效支承長度浸泡率m應(yīng)當(dāng)滿足的基本條件”是:m≤ηβΚ-1Κm≤ηβK?1K[《分析》文式(14)]而m=Ζ√hwhm=Zhwh???√[《分析》文式(10)]可見,在邊坡不考慮滲水影響的穩(wěn)定性安全系數(shù)K及其該安全儲備“K-1”的利用系數(shù)η、滲水量Vw一定的情況下,降低坡內(nèi)滲水對其穩(wěn)定性危害的有效措施是:盡力降低橫向滑坡圓弧最低點(diǎn)上的滲水高度hw及其該滑坡圓弧的有效支承長度浸泡率m、抗剪強(qiáng)度損失率β。至于《分析》文式(10)中的“h”,為橫向滑弧最低點(diǎn)上的填土厚度,已為滑弧位置決定。(2)從《分析》一文的圖5:“S′w—R—hw”曲線及式(6):“S′w=13Sw”可知:在橫向滑坡圓弧半徑R一定,弧內(nèi)滲水面積S′w較小(S′w≤5～10m2)的情況下,該滑弧內(nèi)的滲水高度hw與S′w近似成正比,進(jìn)而hw與該滑坡區(qū)內(nèi)的滲水面積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》一文的基礎(chǔ)上,提出以下兩條降低山地填土邊坡內(nèi)滲水危害的設(shè)計思路。1“共鑄工藝”的定義填土前,在容易引發(fā)滑坡的關(guān)鍵部位(詳見《分析》文)設(shè)置一定范圍的卵、礫石(或片石等)滲水層如圖1。1.1滑弧內(nèi)的滲流量ks(1)此“卵礫石滲水層”首先是可以很大地降低該范圍滑坡圓弧內(nèi)的滲水高度hw,進(jìn)而降低其滑弧的有效支承長度浸泡率m。這是因為,在這些關(guān)鍵部位(本文僅討論原地表為不透水層的情況)設(shè)置“卵礫石滲水層”后,其中的滲流速度vs顯然將此原填土?xí)r的滲透速度vt大得多。因即使假設(shè)其滲水均屬層流運(yùn)動(這些部位,一般地表坡度i皆不很大,其i即為原地表上滲流的水頭梯度),符合達(dá)西(Darcy)滲透定律:但由于一般填土的滲透系數(shù)Kt≤5～20m/d;卵、礫石的滲透系數(shù)Ks≥50～100m/d。所以也至少可大致定量地認(rèn)為(實際設(shè)計時,顯然要盡力提高Ks。自然當(dāng)更具體、準(zhǔn)確地估算):因此,在單位時間內(nèi)的滲水量Vw一定的情況下,原填土中的滲水面積Swt與該“卵礫石滲水層”中的滲水面積Sws之比也至少大于等于5～10倍。即SwtSws=Vw/vtVw/vs=vsvt≥5~10同時,又據(jù)前文“引述(2)”知:在滑弧內(nèi)滲水面積較小的一般情況下,可認(rèn)為滑弧內(nèi)的滲水高度hw與該滑坡區(qū)內(nèi)滲水面積Sw近似成正比。所以,也就可判斷原填土滑弧內(nèi)的滲水高度hwt與該“卵礫石滲水層”中滑弧內(nèi)的滲水高度hws之比hwthws近似地等于二者對應(yīng)的滲水面積之比SwtSws,故也至少大于等于5～10倍。亦是說:∵近似地hw∝SwSwtSws≥5~10∴hwthws≈SwtSws≥5~10故可進(jìn)一步地判定原填土中滑弧的有效支承長度浸泡率mt與該“卵礫石滲水層”中滑弧的有效支承長度浸泡率ms之比為:此即表明,由于該“卵礫石滲水層”的設(shè)置,該范圍內(nèi)橫向滑坡圓弧的有效支承長度浸泡率m,至少將在原填土?xí)r的基數(shù)上縮小√5至√10倍。(2)此“卵礫石滲水層”還將在一定程度上降低該范圍內(nèi)滑坡圓弧被滲水浸泡時的抗剪強(qiáng)度損失率β。這里設(shè)置的“卵礫石滲水層”雖不可與《分析》一文中的干砌片石、卵礫石等“特殊邊坡斷面”等同,但由于這些“卵礫石滲水層”的設(shè)置,當(dāng)其有滲水時,這些部位被浸泡后的最低抗剪強(qiáng)度τ′2s顯然一般都將高于素填土浸泡后的最低抗剪強(qiáng)度τ′2t。特別是比較新填的粘性土,認(rèn)為受水浸泡時τ′2=0?β=τ2-τ′2τ2=1的情況,由于此“卵礫石滲水層”的設(shè)置,該處被滲水浸泡時的抗剪強(qiáng)度損失率β無疑地將隨τ′2的提高而降低。一般至少使β<1。1.2kt—此“卵礫石滲水層”外形尺寸的確定這里,可據(jù)原填土中測算的滲水橫斷面積Sw的大小,分以下兩類情況而定:(1)當(dāng)其按預(yù)計滲水量Vw據(jù)達(dá)西滲透定律測算的填土內(nèi)滲水橫斷面積Sw較小(此暫取Sw≤3m2)時,可近似地取Sw值即為該“卵礫石滲水層”的橫斷面積A值。同時,將斷面A的形狀設(shè)定為《分析》一文的所謂最不利分布狀態(tài)圖形。即:橫向滑坡圓弧的最低段恰好就通過其中心點(diǎn)和兩個上角點(diǎn)的扁平矩形。因此,我們欲設(shè)置的“卵礫石滲水層”之橫斷面積A、厚度D、橫向?qū)挾菳及縱向長度L便可按如下步驟確定:1)當(dāng)其據(jù)預(yù)計滲水量Vw測算的填土內(nèi)滲水橫斷面積式中Vw——可能的滑坡區(qū)主軸(可按《分析》文確定)方向上的預(yù)計滲水量(m3/d);i——可能的滑坡區(qū)主軸方向滲水的水頭梯度。對于本文所討論的原地表為不透水層,地表坡度皆不很大的關(guān)鍵部位,此i值即為滑坡區(qū)主軸方向的原地表坡度;i′——可能的滑坡區(qū)內(nèi)原填土中發(fā)生滲流的起始水頭梯度;Kt——可能的滑坡區(qū)內(nèi)原填土的滲透系數(shù)(m/d)。Kt、i′值均可查取于有關(guān)資料或由實驗確定。2)確定該“卵礫石滲水層”的橫斷面積3)將該“卵礫石滲水層”的橫斷面形狀設(shè)定為填土中滲水“最不利分布”的“扁平矩形”而確定其厚度。取厚度hw——可能的橫向滑坡圓弧最低點(diǎn)上的滲水高度?？捎蓹M向滑弧內(nèi)的滲水面積S′(=13Sw)及其按《分析》文估定的橫向滑坡圓弧半徑R查《分析》文的“圖5”而確定。4)確定該“卵礫石滲水層”橫斷面的橫向?qū)挾扔诖?值得指出的是:D、B值皆不宜過小。D值過小,填土可能完全堵塞其滲水孔隙,使其滲水層喪失其應(yīng)有的滲水功能;B值過小,可能因?qū)嶋H滲水路線的估計偏差,造成滲水在我們設(shè)定的滲水層范圍之外的情形。故D、B值均有待討論一個最小的尺寸限制。目前,先可暫取D≥0.4m,B≥5～8m。5)確定該“卵礫石滲水層”的縱坡方向長度L此宜據(jù)可能的縱向滑坡圓弧圖上的關(guān)鍵部位區(qū)段長度,用作圖法確定。如圖1中L1和L2。顯然,圖1中的L1和L2即可能的縱向滑弧與原地表大致相切的長度。實設(shè)中,也當(dāng)據(jù)現(xiàn)場勘測情況而適當(dāng)取長些。(2)當(dāng)其按預(yù)計滲水量Vw據(jù)達(dá)西滲透定律測算的填土內(nèi)滲水橫斷面積Sw較大(此暫取Sw>3m2)時,可適當(dāng)考慮“卵礫石滲水層”將很大地提高其滲水速度,減小其滲水面積的作用,取該“卵礫石滲水層”的橫斷面積式中Ks——欲設(shè)置的“卵礫石滲水層”的滲透系數(shù)(m/d);Kt——欲設(shè)置“卵礫石滲水層”處原填土的滲透系數(shù)(m/d);vws——水在“卵礫石滲水層”中的滲流速度(m/d);vwt——水在欲設(shè)置“卵礫石滲水層”處原填土中的滲透速度(m/d)。然后,即可按前述(1)類情況的其余各具體步驟確定其該“卵礫石滲水層”的厚度D、寬度B和長度L。同理于前,這里的D、B、L值更不可太小。2“盲溝”的定義填土前,在容易引發(fā)滑坡的關(guān)鍵部位設(shè)置1～3道豎矩形的導(dǎo)流盲溝,如圖2。2.1向滑坡圓弧內(nèi)的滲透率hw此舉的目的是力圖更經(jīng)濟(jì)、有效地降低該范圍內(nèi)可能的橫向滑坡圓弧內(nèi)的滲水高度hw。理論上,可力圖讓全部滲水從窄而深的盲溝中導(dǎo)走,使滑弧內(nèi)的滲水高度hw接近于零,從而使滑弧的有效支承長度浸泡率m亦趨近于零。2.2“盲溝”的大小決定(1)盲溝道數(shù)nkmim首先是設(shè)定盲溝道數(shù)n,一般可取n=1～3。然后,即可直接據(jù)其預(yù)計的滲水量Vw按達(dá)西定律如下估算各盲溝的橫斷面積A1。令nA1≥Vwvm=VwΚmim即得A1≥Vw/nKmim(5)式中n——設(shè)定的盲溝道數(shù)。宜據(jù)現(xiàn)場地形取定;im——設(shè)計盲溝的水頭梯度;Km——設(shè)計盲溝的滲透系數(shù)(m/d);Vw——可能的滑坡區(qū)主軸(可按《分析》文確定)方向上的預(yù)計滲水量(m3/d);vm——設(shè)計盲溝內(nèi)的滲水流速(m/d)。由于在一般情況下,填土邊坡內(nèi)不可避免的滲水量Vw總是較小(大量的施工用水、雨水等均可設(shè)法在坡外排走),而盲溝的“滲透系數(shù)”K值又可相當(dāng)大,所以按式(5)所算的A1值一般都較小(可不超過0.3～0.5m2),只要原地表非堅硬巖石等,是經(jīng)濟(jì)可行。(2)導(dǎo)地樹立“卵礫石”說一般,可同于前述“卵礫石滲水層”縱坡方向長度L的確定。簡而言之,即可用圖解法取可能的縱向滑弧與原地表大致相切的長度。這里值得格外指出的是:對于整個縱向滑弧與原地表基本一致的特殊情況(特別是對潛在的深層順溝滑移),此導(dǎo)流盲溝宜順原地形而因勢利導(dǎo)地通長布置。分析上述設(shè)計思路可知,此設(shè)計能否成功地改善坡內(nèi)滲水的內(nèi)在作用,有效地降低其可能的橫向滑弧內(nèi)的滲水高度hw、有