本發(fā)明適用于滑坡排水工程防治領域，具體涉及一種邊坡?lián)跬翂ε潘椎膬?yōu)化設計方法。

背景技術：

在我國發(fā)生的各類地質(zhì)災害中，滑坡已成為僅次于地震的第二大地質(zhì)災害。大量滑坡統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，降雨是觸發(fā)滑坡地質(zhì)災害的主要誘因。隨著雨水的入滲，地下水位抬升，邊坡土體飽和度逐漸增加，孔隙水壓力明顯上升，對應的基質(zhì)吸力不斷降低進而引起土體及潛在破裂面抗剪強度下降，當降雨強度和持時達到一定程度時，便會導致邊坡失穩(wěn)。因此，針對降雨對滑坡的作用機制與規(guī)律，及時采取相應的災害防治措施并減小或根除降雨型滑坡災害的風險在減災防災領域具有十分重要的科學意義和工程應用價值。

擋土墻是邊坡失穩(wěn)防治中經(jīng)常采用的有效防治工程措施之一，對于大型滑坡來說，擋土墻是滑坡排水、抗滑等綜合措施的一部分。但是在極端降雨條件下，擋土墻中地下水無法迅速向墻外排泄，使得地下水位驟然上升，其潛在滑動體飽水面積比會因此驟然增大，導致?lián)跬翂Φ恼w穩(wěn)定性系數(shù)驟減，最終將導致?lián)跬翂ψ冃渭哟蠖a(chǎn)生滑移、鼓出等。所以在墻身設置足夠排水孔是確保擋土墻穩(wěn)定的關鍵所在。不管是對土質(zhì)邊坡還是巖質(zhì)邊坡，邊坡滲流與排水工程的優(yōu)化設計是邊坡穩(wěn)定性控制的關鍵，能否及時將坡體內(nèi)地下水全面有效排出去是決定邊坡穩(wěn)定性與排水工程設計成敗的關鍵。

在邊坡治理工程中，擋墻上布設排水孔是經(jīng)常采用的地下排水措施。然而在實際工程中，很少考慮遭遇強降雨尤其極端降雨時擋土墻的排水功能與排水設計等問題，排水孔布設與設計一般是照搬規(guī)范，或者根據(jù)經(jīng)驗計算公式簡單布設，排水孔的布置設計方法存在一定的隨意性與局限性，如排水孔往往在邊坡下部簡單布置兩排、在邊坡中間代表性部位小范圍布置或者為保證排水效果而盲目加密等。當排水孔在邊坡底部布置時，邊坡上部的水不能及時排出，會積聚在土體中，使得邊坡土體自重增大，從而加速了邊坡向下滑動；當排水孔在邊坡中間部位小范圍布置時，邊坡兩側(cè)的水不能及時排出，兩側(cè)土體會帶動中間土體發(fā)生整體滑動；當排水孔盲目加密，增多數(shù)量時，會使得部分排水孔失效，造成工程浪費，同時擋土墻中排水孔的數(shù)量增多降低了擋土墻的自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，鑒于上述擋土墻的排水孔設計問題，需要對排水孔結(jié)構(gòu)、密度及布設方法等進行優(yōu)化設計。

技術實現(xiàn)要素：

針對當前邊坡?lián)鯄ε潘自O計方法的缺陷與不足，本發(fā)明提供一種邊坡?lián)跬翂ε潘椎膬?yōu)化設計方法，通過對極端降雨環(huán)境下邊坡飽和土體進行滲流場分析，進而在降雨入滲的基礎上對滲流場斷面上的流量進行預測，根據(jù)單位時間內(nèi)降雨平均入滲量與擋土墻后邊坡斷面流量間關系確定出擋墻排水孔最小孔徑截面面積，進而通過設置適當數(shù)目的一定孔徑排水孔來排出極端降雨情況下滲入土體中的地下水，從而達到減輕擋土墻后水壓力，確保邊坡與擋土墻穩(wěn)定性的目的。

本發(fā)明是采用以下的技術方案實現(xiàn)的：

一種降雨型滑坡?lián)跬翂Φ叵滤潘椎淖顑?yōu)設計方法，包括如下步驟：

(1)坡體垂直埋深、長度、寬度的確定

對待測定的邊坡，根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330—2013)和《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)等相關規(guī)定，在充分分析已有邊坡資料及進行地質(zhì)測繪調(diào)查的基礎上，綜合確定坡體垂直埋深H、長度L、寬度W。

(2)邊坡土體水位值的監(jiān)測及水力梯度i的確定

在雨季強降雨過后，運用高密度電阻率法選取待測定邊坡坡面起伏不大的地段布設測線，在測線上布置電極，用多芯電纜將測線上的電極連接到電極轉(zhuǎn)換裝置上，再用電極轉(zhuǎn)換裝置將這些電極組合成指定的電極裝置(見圖2)，進而用數(shù)據(jù)采集儀測定該剖面下方電阻率分布情況，并根據(jù)電阻率與含水率具有負相關關系的原理，找到電阻率突變的測點，將這些點連接，即為地下水位線(見圖3)。將地下水位線近似成折線，計算每段的水力梯度，即單位滲流路徑上的水頭損失。根據(jù)式(1)確定每段水力梯度i_m：

式中，ΔL_m—每段水位線的水平距離；

Δh_m—每段水位線對應的水位差。

然后取各段水力梯度的平均值作為邊坡的水力梯度i：

(3)邊坡坡體飽和滲透系數(shù)k的確定

1)飽和土體滲透系數(shù)的測定采用常水頭試驗法，裝置見附圖4，具體方法如下：

常水頭試驗法即在整個試驗過程中保持水頭為一常數(shù)，從而水頭差也為常數(shù)。通過鉆孔取樣，并將試樣放入試驗儀器中，飽和試樣的截面積為A，長度為l₁，試驗時的水位差保持為h，用量筒和秒表測得時段t內(nèi)流經(jīng)試樣的水量為V，則滲透系數(shù)根據(jù)式(3)確定：

2)對不能取樣的砂層土，滲透系數(shù)采用原位試驗中的注水鉆孔試驗測定，裝置示意圖見附圖5，具體方法如下：

在鉆孔按預定深度下套管，當遇到地下水位時，采用清水鉆進，鉆至預定深度后，采用栓塞或套管塞進行試段隔離；試段隔離以后，用帶流量計的注水管或量筒向套管內(nèi)注入清水，使管中水位高出地下水位一定高度并保持固定直至形成穩(wěn)定的水位和注入量，進而依據(jù)式(4)、(5)確定土體滲透系數(shù)。

當l₂≤4r₀時，

當l₂＞4r₀時，

式中，l₂—試段或過濾器長度；

S—注水造成的水頭高度；

q—穩(wěn)定注水量；

r₀—鉆孔半徑或過濾器半徑。

(4)單位時間降雨平均入滲量的確定

由于邊坡的降雨入滲量會引起地下水位的上升。因此本發(fā)明運用步驟(2)中的高密度電阻率法分別測出m段強降雨前后時間差Δt_i(i＝1，2...m)及其對應的水位線變化量Δh_i。根據(jù)式(6)確定每段強降雨前后單位時間的降雨入滲量p_ri：

μ為水位變動帶給水度，可根據(jù)待測邊坡的土層性質(zhì)，查閱《水文地質(zhì)手冊》得到給水度經(jīng)驗值；

進而根據(jù)式(7)確定邊坡單位時間降雨平均入滲量

(5)邊坡?lián)鯄ωQ向截面水流速度v₂及流量Q的確定

1)假設邊坡坡面的降雨入滲量與布置擋墻排水孔的豎向截面上流量近似相等，滿足流體動力學的恒定總流連續(xù)性方程v₁A₁＝v₂A₂，且(詳見原理1)，因此v₂可根據(jù)式(8)求出：

2)根據(jù)達西定律，擋墻豎向截面上的流量Q可根據(jù)式(9)確定：

Q＝kA₂i (9)

(6)邊坡?lián)鯄Σ贾门潘酌娣eS₀的確定

依據(jù)布置排水孔的擋墻豎向截面上的水流速度v₂，則擋墻布置排水孔的總面積S₀可根據(jù)式(10)確定：

(7)擋墻排水孔數(shù)量N與排水孔直徑d的確定

1)單元截面上排水孔的個數(shù)n₀的確定

為簡化計算，把擋墻豎向截面H×L分成若干個小單元，每個小單元的單元截面為a×a。根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，排水孔采用梅花型布置，截面為圓形，間距a₀取2m～3m。進而根據(jù)式(11)可確定每個小單元截面上排水孔的個數(shù)n₀(詳見原理2)：

n₀＝(a/a₀+1)²+[(a-a₀/2)/a₀+1]² (11)

2)擋墻排水孔數(shù)量N與排水孔直徑d的確定

確定每個小單元單元截面上排水孔的個數(shù)n₀后，根據(jù)式(12)可確定邊坡?lián)鯄ωQ向截面上排水孔總個數(shù)N：

由排水孔截面面積可根據(jù)式(13)求得排水孔的直徑：

原理1：

本發(fā)明中取降雨入滲的邊坡坡面為Ⅰ截面，布置擋墻排水孔的豎向斷面為Ⅱ截面，對兩個截面進行分析，把單位時間降雨平均入滲量看作v₁；把邊坡降雨入滲的坡面面積看作A₁；把布置擋墻排水孔的豎向截面總面積看作A₂；把布置擋墻排水孔的豎向截面上的水流速度看作v₂，示意見附圖6。

由于降雨量在邊坡地表會產(chǎn)生徑流損失，其入滲降雨量會小于其實際降雨量，降雨入滲量在邊坡表面入滲后經(jīng)土體流到布置擋墻排水孔的豎向截面處，在此截面上布置排水孔，排水孔的作用就是把降雨入滲量在規(guī)定時間全部排出，所以邊坡坡面的降雨入滲量與布置擋墻排水孔的豎向截面上流量近似相等，滿足流體動力學的恒定總流連續(xù)性方程v₁A₁＝v₂A₂，即流體流動時流經(jīng)不同截面時的流量相同，其中v₁、v₂分別為流體流經(jīng)Ⅰ截面、Ⅱ截面的速度；A₁、A₂分別為Ⅰ截面、Ⅱ截面的面積。

原理2：

排水孔采用梅花型布置時，相鄰兩排的排水孔是錯位布置的，為準確求出排水孔的數(shù)量，可采用空、實圓圈計算法。取單元截面a×a進行分析，設間距為a₀，計算出單元截面上排水孔的個數(shù)。水平奇數(shù)排排水孔與垂直奇數(shù)排排水孔構(gòu)成空心圓圈，水平偶數(shù)排排水孔與垂直偶數(shù)排排水孔構(gòu)成實心圓圈，實心圓圈與空心圓圈相互錯位，最后相加求得排水孔總個數(shù)，見附圖7。

空心圓圈數(shù)(奇數(shù)排排水孔個數(shù))n_k＝(a/a₀+1)²

實心圓圈數(shù)(偶數(shù)排排水孔個數(shù))n_s＝[(a-a₀/2)/a₀+1]²

空、實圓圈總數(shù)(單元截面上排水孔的總個數(shù))n₀＝n_k+n_s

本發(fā)明提供了一種極端降雨型滑坡?lián)跬翂ε潘椎淖顑?yōu)設計方法，即在確定邊坡的物理及滲透性質(zhì)參數(shù)的基礎上，利用高密度電阻率法確定地下水位，進而確定邊坡水力梯度和單位時間降雨平均入滲量，進而根據(jù)恒定總流連續(xù)性方程求得邊坡?lián)鯄ωQ向截面水流速度；依據(jù)達西定律求出通過擋墻豎向截面上的滲流量，然后根據(jù)滲流量和流速確定排水孔的截面面積；最后根據(jù)排水孔截面面積和規(guī)范，按梅花形形式布置排水孔，確定排水孔的間距和直徑，使之在排水良好的同時還要滿足擋土墻穩(wěn)定性要求，從而達到擋墻排水孔最優(yōu)設計。

附圖說明

圖1本發(fā)明流程圖；

圖2高密度電阻率法溫納裝置排列方式及觀測值示意圖；

圖3邊坡溫納裝置排列方式及水位線示意圖；

圖4常水頭試驗法裝置示意圖；

圖5鉆孔注水試驗裝置示意圖；

圖6降雨入滲過程中恒流連續(xù)方程示意圖；

圖7單元截面上排水孔梅花形布置圖。

具體實施方式

為了更好地闡述本發(fā)明，下面以某降雨型滑坡為例進行擋土墻排水孔的最優(yōu)設計，以證明其實際意義與價值。該滑坡為長江沿岸堆積層滑坡，由于極端降雨的影響邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，所以對邊坡進行擋土墻排水孔的設計，來防治滑坡的產(chǎn)生。在強降雨的情況下，對邊坡進行分析。

(1)坡體垂直埋深、長度、寬度的確定

對待測定的邊坡，根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330—2013)和《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)等相關規(guī)范，在充分分析已有資料及進行地質(zhì)測繪調(diào)查的基礎上開展勘探工作，進而采用調(diào)查測繪、勘探與試驗等手段綜合確定坡體垂直埋深H、長度L、寬度W及排水孔的間距a₀、直徑d的取值范圍，見表1。

表1坡體設計參數(shù)

(2)邊坡土體水位值的監(jiān)測及水力梯度i的確定

在雨季強降雨過后，運用高密度電阻率法選取待測定邊坡坡面起伏不大的地段布設測線，在測線上布置20個電極，用多芯電纜將測線上的電極連接到電極轉(zhuǎn)換裝置上，再用電極轉(zhuǎn)換裝置將這些電極組合成指定的電極裝置(見圖2)，進而用數(shù)據(jù)采集儀測定該剖面下方電阻率分布情況，并根據(jù)電阻率與含水率具有負相關關系的原理，找到電阻率突變的測點，將這些點連接，即為地下水位線，將地下水位線近似成折線，共七段(見圖3)，根據(jù)測得的水位線統(tǒng)計各段的水位差Δh和水平距離ΔL，并計算每段的水力梯度如下：

最后取各段水力梯度的平均值作為邊坡的水力梯度i：

(3)極端降雨條件下邊坡坡體飽和滲透系數(shù)k的確定

在待測滑坡具有代表性的位置通過鉆孔取多組土試樣，發(fā)現(xiàn)邊坡土體性質(zhì)偏粘性土，無難以取樣的砂性土，所以采用室內(nèi)實驗法的常水頭法進行滲透系數(shù)的測定即可。

常水頭試驗法就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數(shù)，從而水頭差也為常數(shù)，其實驗裝置見附圖3；已知滲透儀直徑D＝100mm，在l＝100mm滲透途徑上的水頭損失h＝100mm，用量筒和秒表測得120min時段內(nèi)流經(jīng)試樣的水量為V＝5cm³，則滲透系數(shù)：

(4)單位時間降雨平均入滲量P_r的確定

由于邊坡的降雨入滲量會引起地下水位的上升，因此本發(fā)明運用步驟(2)中的高密度電阻率法分別測出3段強降雨前后時間差Δt_i(i＝1，2，3)及其對應的水位線變化量Δh_i并統(tǒng)計三組具體數(shù)值。該邊坡由粘土、砂土、黃土等堆疊而成，其中大部分為粘性土，根據(jù)待測邊坡的土層性質(zhì)，查閱《水文地質(zhì)手冊》，給水度經(jīng)驗值可取μ＝0.025。把統(tǒng)計計算得到的數(shù)值代入式(6)，得3段強降雨前后單位時間的降雨入滲量p_ri如下所示：

進而根據(jù)式(7)確定邊坡單位時間降雨平均入滲量

(5)邊坡?lián)鯄ωQ向截面水流速度v₂及流量Q的確定

1)假設邊坡坡面的降雨入滲量與布置擋墻排水孔的豎向截面上流量近似相等，滿足流體動力學的恒定總流連續(xù)性方程v₁A₁＝v₂A₂，且詳見原理1，因此v₂可根據(jù)式(8)求出：

2)根據(jù)達西定律，擋墻豎向截面上的流量Q可根據(jù)式(9)確定：

Q＝kA₂i＝(8.84×10^-6×10)×(100×10³×50×10³)×0.492＝2.17×10⁵mm/s

(6)邊坡?lián)鯄Σ贾门潘酌娣eS₀的確定

依據(jù)布置擋墻排水孔的豎向截面上的水流速度v₂，則擋墻布置排水孔的總面積S₀可根據(jù)式(10)確定：

(7)擋墻排水孔數(shù)量N與排水孔直徑d的確定

1)排水孔的個數(shù)n₀的確定

為簡化計算，把擋墻豎向截面100m×50m分成若干個小單元，每個小單元的單元截面為10m×10m。根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，排水孔采用梅花型布置，截面為圓形，間距a₀取2m。進而根據(jù)式(11)可確定每個小單元截面上排水孔的個數(shù)n₀(詳見原理2)：

n₀＝(a/a₀+1)²+[(a-a₀/2)/a₀+1]²

＝(10/2+1)²+[(10-2/2)/2+1]²

＝67個

2)擋墻排水孔數(shù)量N與排水孔直徑d的確定

確定每個小單元單元截面上排水孔的個數(shù)n₀后，根據(jù)式(12)可確定邊坡?lián)鯄ωQ向截面上排水孔總個數(shù)N：

由排水孔截面面積由此可根據(jù)式(13)求得排水孔的直徑：