深層排水管布設方式對土質路塹邊坡穩定性的影響

2016-12-12 13:45:56呂軍

公路與汽運 2016年6期

呂軍

（湖南省永龍高速公路建設開發有限公司，湖南永順 416700）

呂軍

（湖南省永龍高速公路建設開發有限公司，湖南永順 416700）

以永龍（永順—龍山）高速公路K23+348—575土質路塹邊坡為例，采用數值模擬方法對深層排水管的布設方式進行研究，分析不同排水管傾角及不同布設長度對地下水位線、孔隙水壓力及邊坡穩定性的影響。結果表明，邊坡地下水位線高度隨著深層排水管的傾角增加而增加，孔隙水壓力和邊坡穩定性隨著深層排水管傾角的增加而減??；在采用最佳角度布設深層排水管時，采用上層排水管長度較短而下層排水管較長的方式更有利于邊坡排水。

公路；深層排水管；土質邊坡；邊坡穩定性；地下水

眾多研究表明，邊坡內部地下水位較高是造成邊坡失穩的主要原因之一。夏開宗等認為地下水對邊坡的作用主要為潛在滑動面的揚壓力及動水壓力，并且與巖層面的傾角有關；宋波等提出地下水位上升后邊坡底部有效應力明顯減小，對邊坡穩定性極為不利。因此，對邊坡進行有效排水，進而降低地下水位是保證邊坡安全的必要手段。目前工程中常用的方法有深層排水管排水、虹吸排水等，其中深層排水管法應用最廣泛。

現有針對排水管的研究大多從其對邊坡內部滲流場的影響角度進行數值分析，如葉冬冬等模擬了水位驟降條件下有無排水孔時的邊坡滲流場分布；張世華等利用MATLAB對虹吸排水后的地下水浸潤線分布進行分析，確定了最佳虹吸排水孔位置。但以上研究并未對深層排水管的不同布設角度及布設長度進行詳細探究。為此，該文以永龍（永順—龍山）高速公路土質路塹邊坡為例，采用有限元方法對不同深層排水管布設角度與長度下邊坡內部地下水位線位置、孔隙水壓力和邊坡穩定性進行計算分析，為工程實踐提供參考。

1 非飽和滲流有限元計算理論

根據達西定律推導出土體內非恒定滲流偏微分方程為：

式中：Kx、Ky分別為x 和y 方向的滲透系數；H為滲流介質中的總水頭；Q為源匯項；γw為水的重度；mw為單位貯水量；t為時間。

土體非恒定滲流有限元方程為：

式中：［K］為單元特征矩陣；H｛｝為恒定流節點水頭向量；［M］為單元質量矩陣；｛H｝，t為非恒定流節點水頭向量；Q｛｝為節點流量向量。

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

選用永龍高速公路K23+348-575左側土質路塹高邊坡進行分析。該段邊坡由粉質黏土、全風化砂質板巖組成，結構較松散，強度差，易沖刷流失，雨水浸潤易滑塌、剝落，邊坡穩定性較差。其土質參數見表1。

表1 邊坡的土質參數

在大氣降雨（尤其是突發性大暴雨）作用下，孔隙水壓力增大，邊坡自重增加，易產生沿巖土界面的滑動變形或土層內部的圓弧形滑動變形。該地區地下水主要為基巖裂隙水，賦存于砂質板巖的風化、節理裂隙中，但裂隙多泥質充填，連通性較差，賦水條

件一般，主要接受大氣降水補給，以沿裂隙滲流形式或受地形切割排出地表，山體斜坡部位受地形影響，地下水補給、排泄快，鉆孔揭露地下水最大埋深約20 m。

該邊坡共分為四級，每級高10 m，坡比分別為1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1.25，每級平臺均設置截水溝；邊坡坡腳設置邊溝；左側一、二級邊坡分別設置2排深層排水管，呈梅花形布置，水平間距8 m，垂直間距3 m，斜孔深12 m，孔徑φ120 mm，孔內放置φ100 mm PVC管。

2.2 計算模型

采用巖土工程專用有限元軟件SEEP／W和SLOPE／W，根據實際工程建立有限元模型（見圖1）。為同時考慮計算精度與計算效率，設定四邊形網格尺寸為1 m×1 m。在邊坡左側邊界處設定20 m為總水頭，邊坡坡面為自由滲出邊界，邊坡底部為不透水邊界，通過穩態計算得到邊坡內部初始地下水位線位置（見圖2）。根據工程經驗，穩定狀態下深層排水管中無孔隙水壓力，故設定排水管為零孔隙水壓力邊界。采用Ordinary法對邊坡初始狀態進行穩定性分析，得到最危險滑動面（見圖2），此時邊坡安全系數為1.21，后續分析中采用該滑動面進行穩定性對比分析。

圖1 邊坡有限元網格劃分（單位：m）

圖2 邊坡初始地下水位線與潛在滑動面

3 計算結果分析

3.1 深層排水管傾角對邊坡穩定性的影響

采用有限元方法計算分析不同深層排水管布設傾角（見表2）對排水效果的影響，結果見圖3。

表2 不同角度深層排水管設計方案

圖3 不同角度排水管布設方案下邊坡內部地下水位線位置

從圖3可看出：采用相同長度排水管情況下，排水管傾角設置為3°時，地下水位線完全處于潛在滑動面下方；傾角為10°時，地下水位線略有上升，但仍處于邊坡潛在滑動面下方；傾角為20°時，地下水位線上升至接近潛在滑動面處；傾角達到30°時，地下水位線開始與潛在滑動面相交，可認為此時深層排水管已不能滿足排出邊坡內部水分的要求。說明當深層排水管長度相同時，其傾角越小排水能力越好，傾角越大其排水能力越差。這是由于邊坡地下水位線位置往往呈內部較高、向邊坡外部方向越來越低的趨勢（見圖2），當深層排水管傾角較小時，可有效深入地下水位線內部，排出地下水；而傾角設置過大時，其與地下水位線的關系接近平行，不能深入邊坡內部飽和區，無法有效發揮排水作用。

根據已有研究成果，邊坡內部地下水所造成的潛在滑動面處的孔隙水壓力上升是導致邊坡失穩的主要原因之一，有必要進一步分析排水管布設對滑動面處孔隙水壓力的影響。潛在滑動面上3個監測點處的孔隙水壓力隨排水管傾角的變化見圖4。

圖4 孔隙水壓力與排水管角度的關系

從圖4可看出：由于監測點1處位置較高，其孔隙水壓力始終保持在負值，隨著排水管傾角的增加，其孔隙水壓力逐漸上升；監測點2處的孔隙水壓力也隨著排水管傾角的增加而增加，但并未產生正孔隙水壓力；對于接近坡腳處的監測點3，當排水管傾角處于3°、10°、20°時，其孔隙水壓力小于零，但當排水管傾角達到30°時，坡腳處出現正孔隙水壓力，此時作用在土體上的有效應力相應減小，導致坡腳處的滑動面抗剪強度降低，容易產生邊坡失穩。

基于以上孔隙水壓力分析，采用Mogenstern-Price、Ordinary和Bishop 3種常用邊坡安全系數計算方法對不同排水管傾角下邊坡的穩定性進行計算，結果見圖5。

圖5 不同排水管傾角對邊坡安全系數的影響

從圖5可看出：無論采用何種計算方法，當排水管傾角為3°時，邊坡安全系數都最大；隨著排水管角度的增大，邊坡安全系數逐漸減小，傾角達到30°時邊坡安全系數最小。Ordinary法計算所得邊坡安全系數比實際值偏小，可看作具有一定的安全儲備；但當排水管傾角為30°時，Ordinary法計算所得安全系數小于1.3，可認為存在一定的失穩風險。

3.2 深層排水管長度對邊坡穩定性的影響

為進一步探討排水管長度變化對邊坡排水性能及邊坡穩定性的影響，設計方案5、方案6（見表3）與方案1～4進行對比分析，結果見圖6。

表3 不同長度排水管布設方案

圖6 不同長度排水管布設方案下邊坡內部地下水位線位置

從圖6可看出：當排水管布設長度并非均勻分布時，排水效果與均勻分布有著明顯區別。方案5的地下水位線位置與方案1相差不多，略有下降；方案6的地下水位線位置與方案1與方案5相比明顯下降，遠低于潛在滑動面位置。說明排水管的布設長度會對邊坡內部水位產生明顯影響，底部排水管越長，排水效果越好。產生這種現象的原因主要是邊坡底部飽和區域較大，且靠近坡面，增加底部排水管長度，排水效果明顯增強；而邊坡上部地下水位線較深，距坡面較遠，排水管并未深入飽和區，上部排水管長度對排水效果的影響不明顯。

不同長度排水管布設方案下各監測點的孔隙水壓力見表4，邊坡安全系數見表5。