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基于ABAQUS的降雨条件下鄂东南崩岗侵蚀分析

马鹏飞 夏栋 许文年 杨威 罗婷

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基于ABAQUS的降雨条件下鄂东南崩岗侵蚀分析

    作者简介: 马鹏飞(1993-),男,山东菏泽人,硕士研究生,主要从事岩土体稳定性评价、渗流数值计算研究。E-mail: 3146063332@qq.com.
    通讯作者: 夏 栋 (E-mail:xiadong2015@ctgu.edu.cn); 
  • 基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目(41601287);长江科学院开放研究基金项目(CKWV2016387/KY)
  • 中图分类号: P642

Analysis of collapsing gully erosion mechanism in southeast Hubei under rainfall conditions based on ABAQUS software

    Corresponding author: XIA Dong, xiadong2015@ctgu.edu.cn;
  • 摘要: 以研究崩壁在地下水抬升与不同类型降雨联合作用下的失稳模式与渗流域特性为目标,基于野外勘查和相关物理分析获取的鄂东南崩岗区典型风化岩土体剖面各层次基本指标数据,尝试从崩壁渗流场与应力场两场耦合的角度,运用数值试验探讨单次降雨诱发下水力因素影响崩岗侵蚀的过程与机理。结果发现:长期小雨环境下,崩壁破坏方式属于崩壁中下部土层局部被淘空与砂土层上覆土体整体滑移相结合;短时强雨环境下则表现为坡面浅层(分层)流滑破坏。但无论何种降雨类型都存在一个促使崩壁砂土层被水蚀并退去后形成凹腔(龛)的降雨前期阶段,直到龛深达到一极限值,龛体积不再扩大,转为历时较短的崩壁失稳前的降雨后期阶段。强降雨入渗产生的渗流区域主要分布在崩壁浅层地表,引起浅层土体持续软化,剪应力明显增大。伴随降雨历时的延长,坡面浅土层出现暂态饱和区且湿润峰(零压面)逐渐向崩壁深处推移,地下水位线逐渐抬升并以出露泉方式对砂土层下部造成机械潜蚀。分析结果与野外观测现象较为一致。
  • 图 1  典型崩岗侵蚀地貌(降雨刚刚停止)

    Figure 1.  Typical collapsing gully erosion landform after rainfall

    图 2  采样点处崩壁地质纵剖面概化示意

    Figure 2.  Generalization of geological longitudinal profile of collapse wall at sampling points

    图 3  土层的土-水特征曲线[15]

    Figure 3.  Soil-water characteristic curves (SWCC)[15]

    图 4  渗透性函数曲线

    Figure 4.  Permeability functions curves

    图 5  导入软件的计算幅值曲线

    Figure 5.  Rainfall amplitude curve of imported software

    图 6  崩壁真三维整体模型及二维有限元网格剖分

    Figure 6.  True three-dimensional global model and 2D FE grid partition for collapse wall

    图 7  降雨不同时刻崩壁域内塑性应变区等值云图的动态演变(事件1)

    Figure 7.  Equivalent nephogram evolution of plastic strains zone of collapse wall for different time durations of rainfall (event 1)

    图 8  降雨环境下不同时刻的总位移矢量(事件1,单位: m)

    Figure 8.  Vectors chart of total displacement and deformation for different time durations of rainfall (event 1, unit: m)

    图 9  隐藏龛所在单元后崩壁的总位移等值云图( 事件1,单位: m)

    Figure 9.  Equivalent nephogram of total displacement of caved wall after hidden concave(hollowed) cavity (event 1, unit: m)

    图 10  各土层监控点水平位移 U 1变化规律(以向右为正)

    Figure 10.  Variation curves of U 1 of monitoring points of soil layers versus continuous rainfall duration (event 1)

    图 11  事件1降雨停止时刻崩壁流速矢量( T =164.00 h)

    Figure 11.  Current velocity vectors of collapse wall at rainfall stop point in event 1 ( T =164.00 h)

    图 12  事件2降雨不同时刻的总位移云图(单位: m)

    Figure 12.  Total displacement contours for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

    图 13  事件2不同时刻崩壁的总位移矢量(单位: m)

    Figure 13.  Total displacement vectors of collapse wall for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

    图 14  降雨事件2雨停0.77 h后的流速矢量

    Figure 14.  Vectors of the current velocity of collapse wall after rainfall stop 0.77 h (event 2)

    图 15  天然状态下崩壁剖面的稳定孔隙水压力分布与浸润面(单位: kPa)

    Figure 15.  Steady pore water pressure distribution and phreatic line of collapse wall profile under natural condition (unit: kPa)

    图 16  极端降雨天气下浸润面变化(单位: kPa)

    Figure 16.  Changes of saturated surface during extreme rainfall process (unit: kPa)

    图 17  极端降雨环境下应力等值分布云(ABAQUS默认应力以拉为正,单位: kPa)

    Figure 17.  Stress equivalent distribution nephogram of collapsing gully wall in extreme rainfall environment (unit: kPa)

    图 18  极端强暴雨停止半小时后的塑性形变及位移

    Figure 18.  Plastic deformation and total displacement vectors half an hour after extreme rainstorm stopped

    表 1  崩壁各岩土层初始物理力学参数

    Table 1.  Basic physico-mechanical parameters of soil masses of collapse wall

    土层编号土壤质地Hs/mKws/
    $\left( {{\rm{mm\cdot h}}^{ - 1}} \right)$
    cs/kPan/%${\omega _*}$/%$\gamma /$
    $\left( {{\rm{kN\cdot}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
    es${\;\rho _{\rm{d}}}/$
    $\left( {{\rm{g\cdot c}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
    ds/
    $\left( {{\rm{g\cdot c}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
    Es/MPa$\nu $$\varphi /{\rm{^\circ }} $
    ①表土层黏壤土7.054.60018.6247.723.9516.1130.9121.302.4869.30.3425.7
    ②红土层1黏壤土3.413.37135.3646.022.1017.2160.8521.412.61118.50.3527.1
    ③红土层2砂质
    黏壤土
    2.3 9.30673.1945.520.4216.7380.8351.392.55020.80.3129.9
    ④砂土层砂质壤土011.66514.0548.121.2516.2480.9271.342.58221.20.3029.3
    ⑤碎屑层壤质砂土24.35340.1049.024.9818.0000.9611.442.82455.50.2836.0
     注:Hs为土层底面高程;Kws为饱和渗透系数;cs为有效黏聚力;ds为土颗粒相对密度;${\omega _*}$为天然含水率;$\gamma $为天然重度;$n$为孔隙率;es为孔隙比;${\rho_{\rm d}}$为干密度;Es为杨氏模量;$\nu $为泊松比;$ \varphi$为有效内摩擦角。
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  • [1] 刘希林. 全球视野下崩岗侵蚀地貌及其研究进展[J]. 地理科学进展,2018,37(3):342-351. (LIU Xilin. Benggang erosion landform and research progress in a global perspective[J]. Progress in Geography, 2018, 37(3): 342-351. (in Chinese)

    [2] 刘瑞华. 华南地区崩岗侵蚀灾害及其防治[J]. 水文地质工程地质,2004,31(4):54-57. (LIU Ruihua. Slope disintegration and its control in South China[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2004, 31(4): 54-57. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-3665.2004.04.009

    [3] 林敬兰, 黄炎和. 崩岗侵蚀的成因机理研究与问题[J]. 水土保持研究,2010,17(2):41-44. (LIN Jinglan, HUANG Yanhe. Review of study on formation mechanism of slope disintegration erosion and its problems[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010, 17(2): 41-44. (in Chinese)

    [4] 任兵芳, 丁树文, 吴大国, 等. 鄂东南崩岗崩壁溯源侵蚀特征研究[J]. 人民长江,2015,46(7):76-79. (REN Bingfang, DING Shuwen, WU Daguo, et al. Study of headward erosion characteristics of collapsed downland in granite region in southeast Hubei Province[J]. Yangtze River, 2015, 46(7): 76-79. (in Chinese)

    [5] 丁树文, 蔡崇法, 张光远. 鄂东南花岗地区重力侵蚀及崩岗形成规律的研究[J]. 南昌水专学报,1995(S1):50-54. (DING Shuwen, CAI Chongfa, ZHANG Guangyuan. A study on gravitational crosion and the formation of collapse mound in the granite area of Southeast Hubei[J]. Journal of Nanchang Institute of Technology, 1995(S1): 50-54. (in Chinese)

    [6] 王秋霞, 丁树文, 邓羽松, 等. 花岗岩崩岗区不同土层的侵蚀水动力学特征[J]. 土壤学报,2017,54(3):570-580. (WANG Qiuxia, DING Shuwen, DENG Yusong, et al. Hydrodynamic characteristics of erosion in different soil layers in granite collapse region[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(3): 570-580. (in Chinese)

    [7] 卢冬, 胡耀国, 彭四清, 等. 应用浅层地温测量法分析崩岗侵蚀与地下水分布关系[J]. 生态环境学报,2011,20(2):208-216. (LU Dong, HU Yaoguo, PENG Siqing, et al. Application of shallow earth temperature survey in investigating the relationships of spatial distribution between the typical weathering slope collapse and groundwater[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2011, 20(2): 208-216. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2011.02.002

    [8] 林敬兰, 黄炎和, 蒋芳市, 等. 崩岗土体的渗透性能机理研究[J]. 水土保持学报,2013,27(2):53-56, 144. (LIN Jinglan, HUANG Yanhe, JIANG Fangshi, et al. Study on the mechanism of different soil layer's permeability in benggang[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(2): 53-56, 144. (in Chinese)

    [9] 张大林, 刘希林. 崩岗堆积土体渗透特性及剖面水分特征——以广东省五华县莲塘岗崩岗为例[J]. 水土保持通报,2015,35(2):251-256, 262. (ZHANG Dalin, LIU Xilin. Permeability and sectional moisture characteristics of deposits in collapse hill-An example of Liantanggang collapse hill in Wuhua County of Guangdong Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(2): 251-256, 262. (in Chinese)

    [10] 张燕, 黄炎和, 林金石, 等. 崩岗不同土层渗透差异及其影响因素研究[J]. 水土保持研究,2014,21(3):37-40, 46. (ZHANG Yan, HUANG Yanhe, LIN Jinshi, et al. Study on permeability discrepance and influence factors of different soil layers in collapsing hill[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2014, 21(3): 37-40, 46. (in Chinese)

    [11] 熊传祥, 王涛, 鲁晓兵. 降雨作用下崩岗形成细观机理模拟[J]. 山地学报,2013,31(6):710-715. (XIONG Chuanxiang, WANG Tao, LU Xiaobing. Meso-mechanical simulation of slope disintegration erosion under rainfall[J]. Journal of Mountain Science, 2013, 31(6): 710-715. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1008-2786.2013.06.009

    [12] 刘欢. 不同降雨条件对崩岗侵蚀影响与治理方法的模型试验——以福建省安溪县官桥镇为例[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2018: 20.

    LIU Huan. Different rainfall conditions on collapsing erosion effects and model tests on the control method-Take Anxi County town in Fujian Province as an example[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2018: 20. (in Chinese)
    [13] 王述红, 何坚, 杨天娇. 考虑降雨入渗的边坡稳定性数值分析[J]. 东北大学学报(自然科学版),2018,39(8):1196-1200. (WANG Shuhong, HE Jian, YANG Tianjiao. Numerical analysis on stability of slope considering rainfall infiltration[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2018, 39(8): 1196-1200. (in Chinese)

    [14]

    FREDLUND D G, RAHARDJO H. Soil mechanics for unsaturated soils[M]. New York: Wiley, 1993: 286-321.
    [15] 王维勇. 鄂东南花岗岩崩岗区土壤水分特征研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2012.

    WANG Weiyong. Study on soil moisture characteristics of granite collapsing hill in southeast of Hubei[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2012. (in Chinese)
    [16] 张晓岸. 抗滑桩边坡降雨入渗分析[D]. 湘潭: 湘潭大学, 2014: 26.

    ZHANG Xiaoan. The slope supported by anti-slide piles of rainfall infiltration analysis[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2014: 26. (in Chinese)
    [17] 费康, 张建伟. ABAQUS在岩土工程中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2010.

    FEI Kang, ZHANG Jianwei. Application of ABAQUS in geotechnical engineering[M]. Beijing: China Water and Power Press, 2010. (in Chinese)
    [18] 《工程地质手册》编委会. 工程地质手册[M]. 4版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2007: 842-843.

    Editorial Board of Manual of Engineering Geology. Manual of engineering geology[M]. 4th ed. Beijing: China Architecture and Building Press, 2007: 842-843. (in Chinese)
    [19] 刘希林, 连海清. 崩岗侵蚀地貌分布的海拔高程与坡向选择性[J]. 水土保持通报,2011,31(4):32-36, 41. (LIU Xilin, LIAN Haiqing. Distribution choices of elevation and slope orientation of collapsing hills[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2011, 31(4): 32-36, 41. (in Chinese)

    [20] 陈洪凯, 赵先涛, 唐红梅, 等. 基于浪蚀龛和土体临界高度的修正的卡丘金法及其工程应用[J]. 岩土力学,2014,35(4):1095-1100, 1109. (CHEN Hongkai, ZHAO Xiantao, TANG Hongmei, et al. Modified Kachugin method based on wave cut notch and critical height of soil and its engineering application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(4): 1095-1100, 1109. (in Chinese)

  • [1] 林国财谢兴华阮怀宁朱珍德卢斌徐晨城路晓刚 . 降雨入渗边坡非饱和渗流过程及稳定性变化研究. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.012
    [2] 戴永琪李宏恩刘晓青 . 里运河堤防险工险段典型失效模式分析. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.02.015
    [3] 牛晨曦张幸农应强假冬冬 . 流滑型窝崩水流运动和地形变化概化模拟试验. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.04.003
    [4] 应强张幸农罗龙洪苏长城假冬冬 . 从父子型窝塘地形变化探讨窝崩机理. 水利水运工程学报, doi: 10.12170/20190425002
    [5] 潘存鸿汪求顺潘冬子 . 钱塘江涌潮对风场响应的三维数值研究. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.06.009
    [6] 张唐瑜马丽娜张戎令王起才王天双王炳忠 . 高速铁路膨胀泥岩路基渗流及膨胀特性试验研究. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.02.007
    [7] 张龙飞杨宏伟李曜男李嘉祺吴益平 . 库水与降雨对凉水井滑坡变形及稳定性的影响. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.02.003
    [8] 周成王一冰王涵谭昌明 . 含砾土坡坡面降雨和坡脚浸泡模型试验研究. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.06.011
    [9] 王小杰姜仁贵解建仓朱记伟汪雅梅 . 渭河干流径流变化趋势及突变分析. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.02.005
    [10] 孙豹彭刚王乾峰杨紫辉 . 混凝土剪切强度影响因素敏感性分析. 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.014
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-28
  • 网络出版日期:  2020-03-25

基于ABAQUS的降雨条件下鄂东南崩岗侵蚀分析

    通讯作者: 夏栋, xiadong2015@ctgu.edu.cn
    作者简介: 马鹏飞(1993-),男,山东菏泽人,硕士研究生,主要从事岩土体稳定性评价、渗流数值计算研究。E-mail: 3146063332@qq.com
  • 1. 三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002
  • 2. 防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学),湖北 宜昌 443002
  • 3. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北 宜昌 443002
  • 4. 三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002

摘要: 以研究崩壁在地下水抬升与不同类型降雨联合作用下的失稳模式与渗流域特性为目标,基于野外勘查和相关物理分析获取的鄂东南崩岗区典型风化岩土体剖面各层次基本指标数据,尝试从崩壁渗流场与应力场两场耦合的角度,运用数值试验探讨单次降雨诱发下水力因素影响崩岗侵蚀的过程与机理。结果发现:长期小雨环境下,崩壁破坏方式属于崩壁中下部土层局部被淘空与砂土层上覆土体整体滑移相结合;短时强雨环境下则表现为坡面浅层(分层)流滑破坏。但无论何种降雨类型都存在一个促使崩壁砂土层被水蚀并退去后形成凹腔(龛)的降雨前期阶段,直到龛深达到一极限值,龛体积不再扩大,转为历时较短的崩壁失稳前的降雨后期阶段。强降雨入渗产生的渗流区域主要分布在崩壁浅层地表,引起浅层土体持续软化,剪应力明显增大。伴随降雨历时的延长,坡面浅土层出现暂态饱和区且湿润峰(零压面)逐渐向崩壁深处推移,地下水位线逐渐抬升并以出露泉方式对砂土层下部造成机械潜蚀。分析结果与野外观测现象较为一致。

English Abstract

  • 崩岗是指坡面土壤及母质,在降雨、重力和温差等叠加作用下,被剥蚀、冲刷、分解,崩坍后形成崩口崖壁地貌的侵蚀现象,分布范围南至桂粤、北至鄂东南,包括集水坡面、崩(岗)壁、崩积体、沟道及洪积扇[1],各部分间保持能量与物质流动。崩岗造成地表千疮百孔,产生巨大泥沙危害[2-3]。充沛的降雨量是崩岗特殊地貌产生的触发因素和主要驱动力,崩壁长期裸露在外,最易受降雨及强烈地表径流影响。龛是崩壁坡面因径流侵蚀而被淘空的部位[4],是崩岗向分水岭后退的重要内因,孕育在下部风化砂质土壤层。当龛出现并扩大后,其上覆土层悬空进而逐渐失稳,为崩壁土体发生一定量的塌落提供了场所和势能[4-6]。地下水分布越多的地段,崩岗侵蚀程度越发严重[7]。故而掌握降雨及地下水流动对崩岗壁土壤的弱化机制,弄清崩壁水力侵蚀特征,对揭示崩岗侵蚀机理极具研究价值和实践意义。

    对于降雨条件下崩岗不同层次土壤的水分入渗、抗冲蚀性及其稳定性评价,国内已开展了若干研究[8-10]。林敬兰等[8]指出红土层入渗性能较好,土壤水分在红土层下渗过程中易在砂土层上部汇聚并在两土层间形成相对隔水层,使雨水下渗缓慢而被滞留,加剧崩壁内部潜在滑塌面的出现。张大林等[9]研究了广东省莲塘岗崩岗剖面堆积土体的渗透特征,发现土体非均质性具有阻渗作用并在渗透过程中对其稳定性造成一定影响。张燕等[10]也认为崩壁域内存在约1 m厚弱透水层。已有研究多停留在室内人工冲刷试验,其缺陷在于试验土槽长度一般略短于野外崩壁坡长,且一般设定的降雨总历时偏短。现今,在降雨对崩岗壁土壤水分运移和崩塌影响等方面的数值研究也偏少,虽有学者[11]采用PFC3D模拟了崩岗坡体在不同雨强下的渐进破坏,但未考虑崩壁的分层组合特性,故无法呈现出龛的出现。此外现有成果多集中在对崩壁岩土性质与水力作用的变化,或单因素降水的分析上,而对前期降雨、累积降雨量、降雨历时等降雨特征是如何推动崩岗剖面的塑性区形成与坍塌等系列物理过程的研究相对匮乏[3]

    从边坡失稳理论角度看,崩岗侵蚀问题类似于边坡失稳模式[12]。通过现场采集的数据建立数值仿真模型,已在边坡稳定性的模拟研究中得到较好运用和验证[13]。为此,可利用软件模拟手段还原降雨、径流及地下水对崩岗发育与发展影响的全过程。在大范围调查基础上,以湖北省通城县崩岗侵蚀区为背景,选择一处发育典型的活动型崩岗壁纵剖面进行采样,结合相关土工试验测定,以非饱和土力学为基础,采用弹塑性有限元法着重讨论单次不同类型降雨(连绵阴雨、集中强暴雨,且考虑地下潜水)诱发条件下崩壁剖面的塑性破坏模式,并通过软件图再现出龛形成的实际情形;再以某真实强暴雨事件为算例对降雨过程中崩壁体内渗流域、应力应变动态响应进行数值计算,以此分析崩岗侵蚀作用机理,为科学评估降雨环境中崩岗当前的稳定态势、预测预报崩岗未来演替趋向提供详实依据和参考。

    • 以鄂东南通城县(29°02'N~29°24'N,113°36'E~114°04'E)为研究区,取样地位于通城县五里村崩岗典型发育区。该区域水热资源丰富,处北亚热带湿润季风气候区。全县年均温为16.7 ℃,最高39.7 ℃,最低−15.2 ℃;雨水时空分配不均,年平均降水量约1 550.0 mm,且大到暴雨集中性降雨多在4—6月,此时期总降雨量约占全年的56%,土体含水率长期高于天然状态,连续阴雨时土壤近饱和状态[5]。该区域主要有旱涝、连阴雨、大风、冰雹等灾害,水土流失总面积达38 410 hm2。崩壁剖面土壤以花岗岩母质发育的红壤为主,风化程度较高,后缘不均匀沉降致使裂隙发育,接受大气降雨。境内崩岗频发,土壤侵蚀模数大,为典型瓢形崩岗土,植被覆盖度35%,地面较为破碎。

      崩壁出露而呈现的剖面能直接体现出通城地区花岗岩风化壳的土层特征。将选取的崩壁性质相似(力学强度可取平均)的紧邻土层做适当合并后,崩壁诊断层被剖分为:①表土层,红色,结构性较好;②红土层1,红棕,紧实,块状结构;③红土层2(过渡层),粉红带棕,散粒状;④砂土层,灰白,松散;⑤碎屑层,其中,红土层较厚,碎屑层未出露。由于崩岗一般都会远离江河岸坡,区内崩岗地下水主要靠大气降水补给,部分也接受侧向供给,且埋深较浅。图1为现场拍摄的照片,可见降雨过后底部有部分地下水渗出地表,这是促使崩壁严重崩塌的另一个重要因素。土样采集点处崩岗壁的纵剖面原型可简化为图2

      图  1  典型崩岗侵蚀地貌(降雨刚刚停止)

      Figure 1.  Typical collapsing gully erosion landform after rainfall

      图  2  采样点处崩壁地质纵剖面概化示意

      Figure 2.  Generalization of geological longitudinal profile of collapse wall at sampling points

    • 根据多次野外踏查资料获取崩壁坡度及各土层相对地面的高程(图2),分别采集除了碎屑层外的代表性土样。取样时清理崩岗壁坡面凋落物,并在每层中部重复取2~4次。采样后进行编号并立即封好,及时运回实验室,以对土样采用常规土工方法进行室内物理测试。所有土层的变形参量Esv以及土层⑤的基本物理力学性能参数可根据查阅文献、工程类比法等综合取舍,基本土层材料属性的试验结果和土层⑤反演参数的选取如表1,所得参数将用于后文应力-渗流两场耦合后的崩壁破坏形式和形变程度评判及渗流计算。

      表 1  崩壁各岩土层初始物理力学参数

      Table 1.  Basic physico-mechanical parameters of soil masses of collapse wall

      土层编号土壤质地Hs/mKws/
      $\left( {{\rm{mm\cdot h}}^{ - 1}} \right)$
      cs/kPan/%${\omega _*}$/%$\gamma /$
      $\left( {{\rm{kN\cdot}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
      es${\;\rho _{\rm{d}}}/$
      $\left( {{\rm{g\cdot c}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
      ds/
      $\left( {{\rm{g\cdot c}}{{\rm{m}}^{ - 3}}} \right)$
      Es/MPa$\nu $$\varphi /{\rm{^\circ }} $
      ①表土层黏壤土7.054.60018.6247.723.9516.1130.9121.302.4869.30.3425.7
      ②红土层1黏壤土3.413.37135.3646.022.1017.2160.8521.412.61118.50.3527.1
      ③红土层2砂质
      黏壤土
      2.3 9.30673.1945.520.4216.7380.8351.392.55020.80.3129.9
      ④砂土层砂质壤土011.66514.0548.121.2516.2480.9271.342.58221.20.3029.3
      ⑤碎屑层壤质砂土24.35340.1049.024.9818.0000.9611.442.82455.50.2836.0
       注:Hs为土层底面高程;Kws为饱和渗透系数;cs为有效黏聚力;ds为土颗粒相对密度;${\omega _*}$为天然含水率;$\gamma $为天然重度;$n$为孔隙率;es为孔隙比;${\rho_{\rm d}}$为干密度;Es为杨氏模量;$\nu $为泊松比;$ \varphi$为有效内摩擦角。

      非饱和土入渗分析中有两个重要的水力特征,即表示含水率与基质吸力关系的土-水特征曲线和表征渗透系数与吸力关系的水力传导曲线[14]。因文献[15]与本文供试土样采集点相同,故地表以上崩壁各土层重塑土的土壤水分特征曲线(图3)可采用[15]中的基础数据。由图3,将地层⑤除外的各土层在不同基质吸力下的体积含水率${\theta _\omega }$采用式$\omega = {\theta _\omega }/\rho {}_{\rm{d}}$换算为对应的质量含水率$\omega $,再用式(1)计算各裸露土层在各种基质吸力势下的饱和度Sr。土层⑤未出露,很难采样,在缺乏现场试验数据的情况下,可采用式(2)[16]计算碎屑层在各种基质吸力(u a-u w)下的Sr,由计算结果在坐标纸上可绘制出流固耦合计算中采用的吸湿曲线(孔隙压力和饱和度之间关系)。崩壁体内渗透系数Kw由毛细吸力及初始含水率或饱和度共同确定,各层次的Kw与土壤水吸力之间的关系可由式(3)确定[16],通过此式得出崩岗崩壁纵剖面的渗透系数曲线,如图4

      图  3  土层的土-水特征曲线[15]

      Figure 3.  Soil-water characteristic curves (SWCC)[15]

      图  4  渗透性函数曲线

      Figure 4.  Permeability functions curves

      ABAQUS材料模块中二级选项Suboptions内部以1个渗透系数折减系数ks来考虑饱和度Sr对渗透系数Kw的影响[17]。按照图4的数据点以及ks=Kw/Kws可以算出崩壁土层在各种基质吸力(或孔压)下的ks,当然也可由式(3)直接推出ks,再根据吸湿曲线便可查出各土层在各种Sr下的ks,限于篇幅,未列出吸湿曲线和ks的计算结果。

      $ {S_{\rm{r}}} = \left( {\omega {d_{\rm{s}}}} \right)/{e_{\rm{s}}} = {\theta _\omega }/\left( {n{\rho _{\rm{w}}}} \right) $

      (1)

      $ {S_{\rm{r}}} = S{}_{\rm i} + \left( {{S_{\rm n}} - {S_{\rm i}}} \right){a_{\rm{s}}}/[{a_{\rm{s}}} + \left( {{b_{\rm{s}}} \times {{\left( {{u_{\rm{a}}} - {u_{\rm{w}}}} \right)}^{{c_{\rm{s}}}}}} \right)] $

      (2)

      $ K_{\mathrm{w}}=a_{\mathrm{w}} K_{\mathrm{ws}}/ \left[ {{a_{\rm{w}}} + \left( {{b_{\rm{w}}} \times {{\left( {{u_{\rm{a}}} - {u_{\rm{w}}}} \right)}^{{c_{\rm{w}}}}}} \right)} \right]\ $

      (3)

      式中:$ {\rho _{\rm{w}}}$为纯水在4 ℃下的密度,取为$1.0\;{\rm{g}} / {\rm{c}}{{\rm{m}}^{ 3}}$n=es/(1+es);Si为残余饱和度,取为0.08;Sn为最大饱和度,取1;ua为边坡土体进气值,由于坡面空隙与大气连通,故ua简单地取0;uw为土体中的负孔隙水压力;asbscsawbwcw为材料系数,分别按文献[1618]取值为1,5×10-5,3.5,1 000,0.1和1.7。

    • 为对比不同类型降雨环境下崩岗失稳的方式,并能较完备地模拟长期小雨下崩壁坍塌全过程,同时兼顾计算机运行能力,特设置两种累计降雨总量相等的虚降雨事件,即事件1:降雨总时164.00 h且雨强q1为6 mm/h;事件2:降雨时长22.88 h且雨强q2为43 mm/h。在探讨降雨下崩壁域内渗透水压分布和应力状态的动态时空变化时,为使结果更具实际意义,依托文献[15]对通城县多年降雨实时监控数据并结合有关网络报道,另选取1次典型真实强降雨过程(命为事件3),即2011年6月10日一场极端大暴雨(3.00 h降雨量达197.0 mm,6.00 h局部累计雨量达309.0 mm)。假设虚事件1与事件2的qi (i=1, 2)恒定,真实事件3所采用的雨强幅值曲线考虑了雨后的0.50 h,如图5。暂不考虑植物根系生理作用对渗流计算的影响。地下水促进了崩岗下层岩土的风化作用[19],崩岗发育也会受到地下流水渗流的影响,在进行饱和-非饱和计算时应尽可能考虑这些因素,以更好地贴近实际情况。但地下水位受水文地质及气象等因素而表现出依时性,故为模拟出地下水对下部砂土层的潜蚀效果,现假定初始地下潜水水平,其位置见图2

      图  5  导入软件的计算幅值曲线

      Figure 5.  Rainfall amplitude curve of imported software

    • 崩壁真实地形是三维围椅状地理实体,因多数崩壁对称,可适当简化,按平面应变问题处理,且所得结果是实践可用的。选取图6(a)中主轴剖面aef(不计厚度)为分析对象,建立崩壁失稳前的二维概化数值模型并在ABAQUS/standard界面下运行。整个计算域共生成节点数目780个,单元720个(图6(b)),与运用三维模型计算(需剖分单元上万)相比,大大节约了计算机内存和迭代求解时间。

      图  6  崩壁真三维整体模型及二维有限元网格剖分

      Figure 6.  True three-dimensional global model and 2D FE grid partition for collapse wall

      概化模型网格用孔压/位移耦合的CPE4P平面应变等参单元进行离散,土骨架利用有效应力定义的弹塑性本构模型并基于经典摩尔-库仑屈服准则来描述土体应力应变关系。为消除边界效应的影响,将崩壁坡脚点左延5.0 m、坡顶点右延10.0 m、砂土层底面下延5.0 m作为分析范围。边界条件为:AI面(其位置见图6(b),下文依此类推)全固定约束,AC面、FI面设置水平变形量为零的简支边界,且位于水下的AB面和HI面还需施加静水压边界[10×(4.5-y)](y为沿$ \overrightarrow {AC}$方向与原点A的距离)。坡脚外CD地表面是水分流失的边界,因此设为自由排水面,其余边界均不渗透。崩壁除施加重力载荷外,DE面、EF面还承受随幅值曲线变化的法向流体压力。假设崩壁各层介质均质等厚、各向同性且应力及变形连续。

    • 图7,崩壁在经历长时小雨后(如梅雨季阴雨连绵1周是可能的),其失稳方式属于局部被淘空与深部整体滑移(塌)相结合。具体破坏细节如下:降雨时刻T=116.80 h时,砂土层中上部浅层才开始因强度不足而出现塑性破坏区,可预见,此时水流已淘蚀掉部分砂土壤,但塑性区并未从坡脚点D开始发展,故得知自然界中龛并非正好从坡脚开始发育;T=151.30 h后塑性区加速向EF面扩展;降雨累计时间T达到155.00 h时,破坏区范围已形成一连通面,此时崩壁已完全失稳(表现出整体滑塌);T=164.00 h(约1周)时,破坏区向土体更深部发展。观察图7(d)7(f),长期降雨下潜在滑面并非呈标准的对数螺旋状,在红土层2下部出现一较长且近似水平的塑性带,表明砂土层与红土层界面易相对错动(图8(b))。究其原因,花岗岩黏土矿物在不同层位间含量的差异会影响风化土体稳定性,当矿物成分在两风化层中含量相差很大时,其界面常为易滑面。据输出不同帧时的等值云显示,在T=116.80 h前崩壁未出现可视塑性区,而当侵蚀龛形成后,龛上部浅层红黏壤土失去有效支撑(图8(a)),随降雨时期延长,崩壁破坏区加速发展,最终整体崩塌,故前期降雨(约T=0~153.00 h)使龛形成并扩大的累积效应是诱发崩壁上部崩陷的必要条件。

      图  7  降雨不同时刻崩壁域内塑性应变区等值云图的动态演变(事件1)

      Figure 7.  Equivalent nephogram evolution of plastic strains zone of collapse wall for different time durations of rainfall (event 1)

      图  8  降雨环境下不同时刻的总位移矢量(事件1,单位: m)

      Figure 8.  Vectors chart of total displacement and deformation for different time durations of rainfall (event 1, unit: m)

      图8(a)中在水蚀作用下已坍落的砂土层高斯积分土体单元(即位矢箭头最大的单元)用Abaqus显示组功能移除掉,并把位移矢量绘制成云图(图9(a)),可更直观地了解龛形成的位置。且隐藏后位移最大单元(即龛所在位置已坍塌的土体单元)已由砂土层转移到龛上覆临空土体的最左下处,意味着龛正上方土体临近崩落。随降雨持续到一定时间,龛体积扩大速率减缓,最终形成一凹进深度约0.6~1.0 m、高约1.4 m(由图可目测)的侵蚀龛(图9(b)),且龛所占位置的大部分位于砂土层中上部,少部分位于红土层2(过渡层)下部,此时龛发育速率dv/dT→0,崩壁剖面由浅层破坏迅速转为深层整体破坏。

      图  9  隐藏龛所在单元后崩壁的总位移等值云图( 事件1,单位: m)

      Figure 9.  Equivalent nephogram of total displacement of caved wall after hidden concave(hollowed) cavity (event 1, unit: m)

      DE面各土层分别选一拾取点,作出各代表点的水平位移U1与降雨时刻T之间算子关系,如图10。视U1急剧增长的拐点为各土层崩塌时刻,可明显看出崩壁在降雨期间的破坏总的来说是由下自上分层进行的,由于坡脚位移较大且最早发生,故此崩壁类似于牵引式滑坡。龛上覆土层失稳有明显滞后性,是因为只有龛规模扩展到一定程度时,红土层和表土层才会滑移或崩落。图11给出了T=164.0 h时的流速分布,可见,连续小雨下,通过EF面入渗的雨水大致呈竖向运动,而潜水面以下地下水呈水平运动,还有一部分雨水通过红土层下部弱透水层的“天窗”沿Y负向流入砂土层下部富水层;坡脚外雨水以出露下降泉的方式从地表斜向上排泄。倘若这种地下泉水流量足够大,就会对崩岗底部(甚至碎屑层)砂质壤土产生向上的动水压力,造成机械潜蚀,带走土中细颗粒,从而使得砂土层下部土壤更加松软,加速形成空腔,龛规模进一步加大,直到龛上覆红黏土层强度无法承受吸湿后的自重而失稳。

      图  10  各土层监控点水平位移 U 1变化规律(以向右为正)

      Figure 10.  Variation curves of U 1 of monitoring points of soil layers versus continuous rainfall duration (event 1)

      图  11  事件1降雨停止时刻崩壁流速矢量( T =164.00 h)

      Figure 11.  Current velocity vectors of collapse wall at rainfall stop point in event 1 ( T =164.00 h)

    • 图12给出了崩壁域内总位移(仅列最具代表性的时刻),云图中区域位移越大,则该区破坏越严重。强降雨前期(约T=0~17.50 h,此阶段持续时间较长)崩壁屈服区主要集中在砂土层中上部浅层(现实中表现为砂土层被爆流溅蚀剥落),强降雨后期(约T=17.50~22.88 h)崩壁浅层破坏区沿坡面DE从砂土层向上直线延伸至红土层1上部,失稳模式属于浅层土壤流滑,易造成水土流失。进一步从图例中总位移数值可发现,T=12.88 h前崩壁位移总体较小(最大值仅为10.6 cm),崩岗壁上部黏壤土有一定沉降,如图13(a),且在砂土层中已经出现小龛。伴随着降雨持时的递增,砂土层表层土壤位移快速增长,龛发育体积相继扩大,但土体沉降减小或消失(图13(b)),这是由于降雨导致龛上覆红黏土体吸水,饱和度增加,有效应力下降,而模型上边界自由,由地表减压出现了卸载回弹,孔隙率增大,膨胀应力得到释放;但ACFI面被侧向约束限制了崩壁水平向膨胀。当强降雨持续到T=17.50 h以后,龛内凹深度已趋近一极限值(记作D0),此时龛的演化已基本到达终极状态。龛深发展到D0时,在以后降雨中,龛上覆浅层土体因缺乏支撑而开始掉块或分层流滑,且坡面流滑范围的测度m随降雨过程的持续而向上向内发展(图13(c)(d)),这在现实中将致使崩壁地表土壤支离破碎并产生大量泥沙。如图14,强降雨停止后一小段时间,因位于浅层土体饱和带内的雨水依旧下渗,并有少量雨水通过上部坡面缓慢排出,形成指向崩壁面外的动水压力,坡体内部少量土颗粒被冲刷出,引起表层破坏区面积及位移小幅度增加(图12(f))。因此短期强雨结束后一定时间内崩壁的稳定性系数还会略微下降。

      图  12  事件2降雨不同时刻的总位移云图(单位: m)

      Figure 12.  Total displacement contours for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

      图  13  事件2不同时刻崩壁的总位移矢量(单位: m)

      Figure 13.  Total displacement vectors of collapse wall for different time durations of rainfall in event 2 (unit: m)

      图  14  降雨事件2雨停0.77 h后的流速矢量

      Figure 14.  Vectors of the current velocity of collapse wall after rainfall stop 0.77 h (event 2)

    • (1)渗流场分析:浸润面位置为图15图16中粉区与蓝区交界面。降雨前渗透水压力沿高程线性变化,最大值(45 kPa)出现在模型底部。分别输出极端降雨过程中典型时刻域内的孔压大小与浸润面(图16),从图可见,降雨前期湿润峰集中在DE面附近的浅层地表,位于DE面与零压面之间的土体孔压变化较大,饱和区在坡面浅层形成速度相对较快。伴随着大暴雨过程持续,雨水入渗影响范围逐渐向内扩充,水位线有所抬升,非饱和区(粉区)吸力不断减小,水位以下饱和区压力水头不断增加。强降雨历时4.50 h之后,DE面及EF面周围的浅层土体含水量明显增高,由降雨前负孔压转化为正孔压,且与BH线下部的初始正孔压区连通,形成了暂态饱和区及暂态水压力,暂态饱和区在上部土层中的面积随着降雨持时的推移朝着DE(或EF)面的内法线方向而向里发展。降雨停止前,上部土壤吸力较大,红土层2中下部透水性很差,在自重下流动的雨水短时间内无法完全浸入崩壁体内,大量雨水通过地表径流排走,故上部浸润面沿崩壁外轮廓线分布。从图16(c)不难发现,降雨停止后一段时间(0.50 h)内,来不及向深处渗透的暂态滞水由于水分迁移分布陆续入渗,非饱和区吸力持续降低,但降低速率及幅度减小;崩壁深层土体孔压继续增大,说明地下水位还在略微抬升。

      图  15  天然状态下崩壁剖面的稳定孔隙水压力分布与浸润面(单位: kPa)

      Figure 15.  Steady pore water pressure distribution and phreatic line of collapse wall profile under natural condition (unit: kPa)

      图  16  极端降雨天气下浸润面变化(单位: kPa)

      Figure 16.  Changes of saturated surface during extreme rainfall process (unit: kPa)

      (2)应力场分析:结合图17,竖向有效应力S22从坡面斜向里呈递增趋势,强降雨导致地下水位抬升,激发的超孔隙水压力使深部地层S22的数值由181.3 kPa减至178.6 kPa。因花岗岩崩岗受燕山运动巨大南北向挤压力、长期风化改造作用及地应力场等多重影响,且在发生崩塌时内部各点运动方向和速度不同步而产生拉应力,导致崩壁内部发育了多组毁坏性裂隙(可用扩展有限元Xfem模拟)。雨后坡面浅层土体及EF面靠近E点地段的水平正应力S11则由压变为拉(见图17),这种拉应力可使原本就有的各种张性裂隙进一步扩宽,极有利于雨水通过EF面裂隙入渗,成为水的赋存空间和活动通道,其结果是崩壁后缘裂隙水发育,形成瞬间高压水柱,从而恶化崩壁内部土体的岩土力学特性。雨水沿裂缝或地表径流通过坡面孔隙迅速向崩壁体内汇集,形成DE面的局部饱和带,使浅层土体动态浮托力增加,改变坡面土体的极限平衡,即坡面浅层土体遇水饱和产生软化,降低有效黏结力,使浅土层阻滑力下降。裂隙水形成渗流,渗透力增加了滑动力矩,同时改变斜坡应力场分布;而从剪应力S12分布(图17)可发现强降雨使(S12)max增加幅度较大,坡面DE形成剪应力集中带。上述一切现象表明,强雨水入渗降低了坡面的浅层稳定性。

      图  17  极端降雨环境下应力等值分布云(ABAQUS默认应力以拉为正,单位: kPa)

      Figure 17.  Stress equivalent distribution nephogram of collapsing gully wall in extreme rainfall environment (unit: kPa)

      图  18  极端强暴雨停止半小时后的塑性形变及位移

      Figure 18.  Plastic deformation and total displacement vectors half an hour after extreme rainstorm stopped

      综上所以,前期降雨导致土体润湿,在崩壁体内有一个量变的累积效应(此效应对崩岗发育的贡献主要是使砂土层被淘空后掉块,形成了龛等微地貌)。持续降雨使龛上覆红黏土层吸水增重,增加当前较浅层土体的饱和度,产生浮托力,后期降雨使崩壁剖面的稳态发生质变,崩塌或流滑劫数难逃,尤其是长历时小强度降雨期间,崩落现象明显增多。应力-渗流域耦合作用体现在:坡面浅层土体变形是强暴雨引起崩壁浅层渗流域发生改变,域内液压以渗流体积力的形式施加在周围土粒上,从而影响土颗粒间相互作用力,进而导致坡面应力场改变而引起坡面浅层土壤塑性区的形成及位移积累(图18)的结果,可见事件3与事件2所呈现的强降雨下崩壁土体屈服形式基本吻合(均为浅层破坏)。最后需指出,崩壁龛的形成原因是由崩岗特殊岩土体的性质(如各层次抗侵蚀性分异悬殊)与某些特定地域环境决定的,与水库塌岸或陈洪凯等[20]研究的浪蚀龛发生机制不完全一致。

    • 基于商用程序ABAQUS计算了崩岗壁剖面土体在降雨过程中的塑性应变、变位和水头压力在时间和空间上的分布,对因强降雨及地下水而致崩岗灾变机理进行了有益的探索。数值试验结果与实地调查观测及预期情况基本吻合,有助于增加人们对土侵蚀领域的了解,主要结论如下:

      (1)降雨条件下崩岗崩壁土体最剧烈的坍塌区并非在坡脚,而是出现在抗冲蚀能力极弱的砂土层中上部。崩岗崩塌及后退根源是砂土层被爆流淘蚀掉块而产生了侵蚀龛。崩岗崩退主阶段分为前期的龛形成和后期的龛上覆悬空土体崩落。

      (2)单从发生学角度来论,崩壁与边坡最大区别在于降雨过程对前者的影响存在一段很长的使龛孕育并扩大的降雨前期阶段。一旦崩壁土体被水流淘蚀形成沟道及龛时,在降雨持续的前提下,随后土层在自重下的浅层流滑(发生在短时强雨期)或大体积解体、下滑(发生在连续阴雨季节)便就很快过渡为崩岗主要的侵蚀形式。

      (3)单次降雨诱发下崩壁,发生以下部土层为起始逐步向表土层扩展的牵引式破坏,具有明显时间延后性。

      (4)强烈径流及以出露泉水方式溢出的地下水在有大孔隙砂质壤土层中的运动,携带走细土颗粒,削弱了砂土层对其上覆临空地层重力的承载力,降低了崩塌面抗滑阻力,对崩岗稳定构成不利影响。

      (5)崩岗岩土层的理化性质存在显著差异,使得不同土层抗冲性能各异,为侵蚀龛的形成提供了良好基础。如何有效控制每一个肉眼可识别的龛规模不再扩展,是今后崩岗综合治理体系的一个值得深入探讨的崭新课题。

参考文献 (20)

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