水位變化對砌石坡岸遺址穩定性的影響

孫 博，彭寧波，王逢睿，申喜旺

(1.蘭州大學土木工程與力學學院，西部災害與環境力學教育部重點實驗室，蘭州 730000;2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730003;3.上海大學文化遺產保護基礎科學研究院，上海 200444;4.淮陰工學院建筑工程學院，淮安 223001)

地表徑流、地下水和潮濕的環境對遺址有著巨大影響，導致遺址破壞嚴重，消亡速度很快[1]。隨著水庫、河水等水位上升及周期性漲落，岸坡巖土體在水的作用下軟化，波浪對岸坡沖刷搬運、庫水位及地下水的孔隙水壓力和滲透作用，導致岸坡工程地質條件發生變化，國內外因庫水水位變化誘發的滑坡、崩塌災害并不鮮見[2]。中國存在大量的處于降雨量大、地下水位淺的環境中的文化遺產，特別對于沿河岸建造的水利文化遺產，其所處的工程地質環境較為復雜，存在較大隱患，嚴重威脅了文物及人員財產安全。

現有研究表明，河流水庫或地下水的水位變化對于岸坡的穩定性具有較大影響[3-6]。廖紅建等[7]對不同滲透系數土質邊坡在庫水位下降速率變化下的穩定性進行了數值計算和分析，計算了在庫水位下降期間，不同滲透系數滑坡體的穩定性受庫水位下降速率影響的變化規律。朱冬林等[8]在庫水位與滑坡穩定性一般規律的分析基礎之上，對某水庫滑坡進行了考察，研究了初期蓄水過程中滑坡的位移動態和代表性測點位移的規律，并對庫岸邊坡的穩定性進行了預測。董金玉等[9]利用巖土數值分析FLAC3D軟件，考慮了堆積體與基巖基覆接觸帶介質的應變軟化特性，對水庫蓄水和下降過程中邊坡的變形破壞特征進行了分析預測。盧向濤等[10]以苗尾水電站大溜槽岸坡在暫態水位變化作用下的變形為例，發現受庫水位變動及降雨等條件的影響，庫岸邊坡坡體內暫態上層滯水位和暫態潛水位會產生相應變化，從而引發岸坡出現各種地質災害。中村浩之等[11]對日本滑坡進行了調查，結果表明，近六成滑坡發生在庫水位驟降時期，其余四成發生在水位上升時期，包括蓄水初期；浸水和庫水位急劇降低和降雨是水庫滑坡形成的主要因素。郭志華等[12]研究了庫水位下降速度、下降時間和滲透系數對邊坡穩定性的影響，得到庫水位下降速度越大，滑弧深度越大，安全系數隨水位降低和下降時間的增加呈先減小后增加的趨勢。劉新榮等[13]研究發現水位變化對于坡岸巖土體的影響包括：①巖土體軟化，性質降低；②動水壓力和靜水壓力；③超孔隙水壓力；④沖刷剝蝕作用等。

不難發現，現有成果中的研究對象很多針對大型水庫的庫岸邊坡，其體量較大，且水庫蓄水的水位變化多以10 m的數量級變化。對于小型壩體或庫岸邊坡，其水位變化相對量級較小，現有文獻大多針對于均質土壩。而對于古遺址中的砌石坡岸，其內部通常為人工填筑的碎石土或塊石土，容易在水流的作用下軟化，而且內部填充的巖土體較松散，在水流的軟化作用下流動性較強，加之其具有滲透性較好的特點，水位下降過程中排水迅速，這些特點決定了其不能簡單地按照一般的水庫庫岸邊坡的研究結果進行類比分析。鑒于此，本文對貴州鎮遠青龍洞古建筑群中的湘黔古驛道為研究對象，建立了數值分析模型并進行流固耦合計算，分析了潕陽河水水位變化對古驛道堡坎位移及穩定性的影響，本文的研究可為此類砌石坡岸遺址的保護提供參考，也為相關加固工程提供理論依據。

1 遺址概況

1.1 遺址保護現狀

青龍洞古建筑群前的湘黔古驛道段，屬青龍洞古建筑群附屬部分，總長約200 m，寬約6 m，南端通過祝圣橋連通鎮遠古鎮，如圖1所示。20世紀30年代早期，為了滿足抗日戰爭的需要，國民政府重新修繕了該段，1936年通車，屬于京滇公路段。1988年，被國務院公布為第三批全國重點文物保護單位。

圖1 青龍洞古建筑群平面分布圖Fig.1 The plan map of Qinglongdong ancient buildings

古驛道頻臨潕陽河，護堤長期受潕陽河水沖刷浸泡，保存的自然條件較差。1936年修整作為滇緬公路的一部分，至今未做任何保護措施。近年來，局部段出現了鼓脹病害，如圖2(a)所示；2014年5月9日上午9點，古驛道靠近祝圣橋南側路段發生局部垮塌，垮塌規模約150 m3，險情嚴重影響祝圣橋、古驛道及人員的安全，存在極大隱患，如圖2(b)所示；2015年11月16日，古驛道萬壽宮段再次發生局部垮塌，垮塌規模約100 m3，垮塌上緣至路面，下緣位于水下約1 m處附近，如圖2(c)所示。連續的兩次垮塌，嚴重威脅到祝圣橋、青龍洞古建筑群、古驛道及往來游客的安全，也說明湘黔古驛道青龍洞段存在極大安全隱患，亟待搶險加固，以避免發生更大范圍的垮塌，保證文物及人員的安全。

1.2 區域地質條件

垮塌之后，鎮遠縣文物局迅速組織搶險加固工作，對古驛道垮塌段進行了勘察和加固保護工作。根據古驛道的平面圖，勘探點按橫縱兩線布置，在不破壞古驛道下管線的情況下橫線的勘探點間距為30 m，縱線間距為2 m。本次勘探點的類型為一般性鉆孔，共布置8個鉆孔，深度為3.6～9.6 m。根據鉆孔來看地層主要為寒武系高臺組淡灰、微肉紅色中厚層狀白云巖以及白云巖經水動力作用、生物化學作用而形成的灰華堆積體，從上往下如下。

圖2 鼓脹病害與垮塌現場Fig.2 Tympanic disease and collapse site

(1)水泥層：厚30 cm左右。

(2)塊石土層：厚6 m左右，在斜坡處略薄。

(3)灰華堆積體：分布于古驛道的所有區域，分布于地下6.5～7.5 m處，厚為1 m左右。

(4)白云巖、云灰巖：白云巖、云灰巖為灰華堆積體的基座，上部為強風化的白云巖、云灰巖，厚層塊狀構造，具碎裂狀糜棱巖狀結構，厚約2 m。下部為較完整的白云巖、云灰巖，埋深一般在9 m以下，多為中厚層狀，部分地段為薄中層狀，巖石致密完整。

古驛道修建在河流階地上，地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水。潛水主要賦存于碎石層中，受降雨及潕陽河河水水位變化影響明顯?；鶐r裂隙水賦存于下層基巖中，富水性弱，含水量一般，主要補給為大氣降水、潕陽河水。區內巖溶地貌發育，地下水量豐富。

事實上，關于企業高管薪酬的研究長久以來一直是研究中的熱點問題。之所以會出現市場對于高管薪酬的質疑，很大程度上是因為公眾認為不公平導致，高管給自己發放高薪酬被人們廣為詬病。因此，國內企業必須根據市場供給情況建立一個“合理”的高管薪酬體系。這個體系使企業高級管理人員的薪酬在具有市場競爭優勢的同時，又能夠將起到激勵約束的作用，恰當地將高級管理人員的績效考核結果(包括企業的業績增長、風險管控等)與薪酬掛鉤起來。

1.3 區域氣候條件

根據鎮遠縣氣象站氣象統計資料，鎮遠縣屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候，冬夏氣溫、降水變化劇烈，年平均氣溫16.4 ℃，年平均降水量1 058.8 mm，年平均蒸發量912.1 mm。鎮遠縣1961～2006年間的年平均降雨量如圖3所示。另外，研究區域上游20 km處有水電站，據監測，水電站排水時，潕陽河水水位上升較快，可達到1.0 m/d，正常雨季期間，河水水位上升相對較慢，約為0.5 m/d，下游農田灌溉時期，水位下降速度較快，約1.0 m/d，枯水期水位下降速度較慢，約0.5 m/d。

圖3 鎮遠縣1961—2006年平均降水量變化趨勢圖Fig.3 The trend chart of average precipitation in Zhenyuan from 1961 to 2006

2 模型的建立及計算工況

2.1 數值模型及參數

為計算水位變化對堡坎的穩定性，分別建立了6 m和7 m高的典型驛道坡岸剖面的數值計算模型，6 m模型以第一次垮塌位置為代表，7 m模型以第二次垮塌位置為代表。根據古驛道典型剖面圖以及地質勘查情況，由于影響堡坎穩定性的原因主要為河水水位變化對堡坎內部塊石土的作用，為簡化建模及分析過程，將灰華堆積體及白云巖、云灰巖層視作堡坎的基巖部分進行建模，同時將混凝土路面、塊石土以及砌石按照巖性區分進行分組建模，計算模型如圖4所示。

圖4中，6 m高坡岸堡坎高度為5 m，7 m高坡岸堡坎高度為6.1 m，模型厚度方向取3 m，能夠代表現場的實際情況。模型底部(底邊屆)為固定約束邊界，限制其在直角坐標系下3個方向的位移，考慮到坡岸在長度方向上足夠長(前后邊界)，山體一側邊界(左邊界)受后側山體約束，可認為其在這三個方向上無位移，在這三個方向設置單向約束邊界，限制其在坐標軸方向的位移，坡岸臨河面(右邊界)的位移自由，不做約束。塊石土和砌石賦予各向同性滲流模型，基巖設置為不透水模型。計算模型的滲流邊界條件：前后邊界、左邊界、底邊屆均設置為不透水邊界；右邊界設置為透水邊界條件，流體可以流出和流入)。在滲流模式下，進行瞬態滲流計算，得到滲流場后，再關閉滲流模式，打開力學模式，進行穩定性分析。模型中各組的參數根據地質勘察報告和土工實驗的結果取值，如表1所示。其中，由于砌石之間存在縫隙，其滲透系數的取值不能按照完整巖石的滲透系數取值，需進行相應的折減，取1.0×10-3cm/s。

圖4 數值模型及分組Fig.4 Numerical model and group

2.2 計算工況

根據潕陽河的水位情況，正常水位在3 m左右，根據前文的地質勘查結果顯示，地下水位基本受河水水位控制，并且考慮到坡岸內部主要填充物為塊石土，滲透系數較大，水位變化時，坡岸內的水能夠及時浸入和排除，因此地下水位可以認為與河水水位一致進行計算。

上游水電站排水時水位上升較快，雨季水位上升較慢，最高水位達到5 m左右，下游灌溉時水位下降較快，枯水期水位下降較慢，最低水位在1 m左右。綜合考慮潕陽河水的水位變化情況，計算時分漲水和降水兩種情況，并且分別考慮水位變化快慢1 m/d和0.5 m/d兩種情況，共分四種工況(快漲3 m—4 m—5 m，快降3 m—2 m—1 m，慢漲3.0 m—3.5 m—4.0 m—4.5 m—5.0 m，慢降3.0 m—2.5 m—2.0 m—1.5 m—1.0 m)，對古驛道遺址進行流固耦合計算。

3 結果分析

3.1 位移分析

數值模擬的位移結果具有很強的直觀性，常常作為數值分析中定性判斷結果正確性的重要依據。以7 m高古驛道堡坎的計算結果為例，如圖5所示，圖5(a)、圖5(b)分別為計算模型的初始狀態(只受重力作用)和常水位狀態下的位移云圖。其他水位狀態下的位移云圖與常水位的位移云圖相似，但數值不同，文中不再附圖。從圖5中可以看出，坡岸的最大位移處于堡坎的中下部位置，這與青龍洞古建筑群古驛道遺址的實際勘測結果一致，說明本文建立的數值模型是合理的。另外，最大位移處通常是坡岸發生垮塌時最先破壞的位置，此處的破壞引起上部堡坎砌塊的塌落，內部碎石土失去支撐滑出，導致從此位置至混凝土路面之間發生垮塌，能夠很好的解釋坡岸垮塌的原因。從圖中還可以看出，由于水位的上升，最大水平位移增大，且最大位移所在的位置略有下降，但下降量較小。

表1 靜力模型各分組的參數Table 1 The parameters of each group of the static model

圖5 水平位移云圖Fig.5 Contour of horizontal displacement

為比較各個工況的位移結果，選取河床上部至路面的堡坎中的節點位移進行分析，如圖6所示。圖中曲線為漲水工況下，堡坎的最大水平位移沿著高度方向的分布曲線，從圖中可以看出，堡坎底部與上部的位移值差別不大，說明水位變化對于下部基巖和上部的混凝土路面影響較??；常水位狀態下堡坎的位移整體較小，并且位移分布曲線較平緩。在水位上漲至同一位置時，快漲工況下的堡坎水平位移比慢漲工況時的位移略大，即水位上漲速率越高，堡坎的水平位移越大。

圖6 漲水工況下堡坎沿高程水平位移分布Fig.6 The horizontal displacement distribution of the revetment along the elevation in the flood condition

降水工況下，無論水位下降快慢，其位移分布與常水位相比變化不大。這是由于常水位位置較低，處于人工回填塊石土的底部位置，且此處受到天然斜坡地形的影響，塊石土填量較少，水位主要的影響區域為基巖，特別水位在2 m以下時，水位已降至堡坎以下，對堡坎位移的影響不明顯，因此，降水工況的位移分布不再附圖。

根據圖6可知，堡坎的最大位移處于堡坎的中部靠下位置，是堡坎的潛在不穩定區域，堡坎上部和下部區域位移變化量以及變化率較小，特別對于混凝土路面，由于其受水位變化的影響可以忽略，其位移變化很小，加之其具有一定的抗拉強度，對堡坎具有一定的阻滑作用。這里進一步針對堡坎的最大位移位置，分析水位變化時堡坎最大位移的變化趨勢，如圖7所示?？梢园l現，水位從常水位下降時，最大位移變化極小，可以忽略不計；水位從常水位上升時，堡坎的水平位移增大，上升水位越高，蓄水對位移的影響越大，最大位移不斷增長，增長速率隨著水位的升高略有增長。

圖7 堡坎最大水平位移隨水位漲落的變化Fig.7 The maximum horizontal displacement of the revetment with the water level fluctuation

3.2 安全系數

不考慮水位的影響時，7 m和6 m兩個模型的安全系數分別為7.02和8.34，安全系數較大，坡岸處于穩定狀態。常水位狀態，由于水流對巖土體的軟化作用，兩個模型的安全系數急劇下降，分別為1.5和1.18，說明水位對坡岸的穩定性影響極大。不同水位變化工況下坡岸的安全系數如圖8所示，可以發現，水位的變化對堡坎的安全系數影響較大，水位發生變化時的安全系數大都小于常水位下的安全系數。這是因為在水位上升階段，坡岸的淹沒部分就會產生浮力作用，這種作用抵抗滑坡體的重量，使得坡腳部分的有效重量減少，造成整個滑坡體的抵抗力變小、穩定性降低；當水位急劇下降時，存在于坡岸中的地下水水位下降有一定的滯后，在這期間坡岸中產生滲透水壓力，其方向指向坡外，造成穩定性降低，容易誘發垮塌。

圖8 各工況坡岸的安全系數Fig.8 Safety factor of the revetment in all conditions

水位慢速變化工況，水位上升過程中，安全系數整體上呈現下降的趨勢，水位下降工況下，安全系數呈現先減小后上升的趨勢。對于水位快速變化工況，水位從常水位上升和下降過程中，安全系數在整體上都呈現下降的趨勢。

對于7 m高的坡岸，在水位變化速率0.5 m/d的情況下，水位上升至4 m時，其安全系數極值僅為0.26，5 m水位安全系數也小于1，為0.78；在水位變化速率1 m/d情況下，水位為4 m和5 m時，安全系數也小于1，分別為0.93和0.99。對于6 m高的坡岸，水位變化速率0.5 m/d的情況下，水位在2 m，3.5 m和5 m時，安全系數小于1，分別為0.98、0.75和0.80；水位變化速率1 m/d情況下，水位在1 m和5 m時，安全系數較低，分別為0.98和0.73。安全系數是判斷坡岸穩定性的重要依據，因此，可以判斷，7 m高坡岸的水位在4～5 m時，穩定性較低；水位變化速率較慢時，6 m高坡岸在水位為2 m以及3.5～5 m時，安全系數較低，水位快速變化時，1 m和5 m水位處穩定性最差。

如前文所述，第一次垮塌時間為2014年5月9日，此期間由于下游灌溉，水位下降較快，其垮塌時水位在1 m左右，即對應本文算例中的6 m坡岸水位快降工況，第二次垮塌時間為2015年11月16日，此期間由于降雨，水位上升，可對應算例中7 m坡岸水位慢漲工況。而對于算例中其他安全系數較低的情況，特別是水位5 m的情況，雖然目前沒有發生在此水位的垮塌現象，但也應注意較高水位情況下的穩定性監測與防護。

4 結論

通過對貴州鎮遠青龍洞古建筑群中的湘黔古驛道坡岸遺址進行流固耦合計算，得到的結果與其鼓脹病害和垮塌案例具有很好的一致性，得到了如下結論。

(1)常水位狀態時，7 m與6 m高的坡岸安全系數分別為1.5和1.18，安全系數均不高，安全儲備不足。

(2)堡坎的最大位移處于堡坎的中下部，在水流作用下，此部位的局部破壞導致上部砌石的整體塌落，內部塊石土失去堡坎的支撐作用，最終引發垮塌。

(3)水位變化對于坡岸的穩定性影響很大，水位上升階段，浮力作用造成整個滑坡體的抵抗力變小、穩定性降低；當水位急劇下降時，坡岸中產生滲透水壓力，造成穩定性降低，容易誘發崩塌。

(4)7 m高坡岸在水位4～5 m處，6 m高坡岸在水位1 m和3.5～5 m處，安全系數較低，容易發生垮塌事故；雖然水位上升至5 m時，坡岸并沒有發生垮塌的先例，但也應在以后的保護工作中足夠重視。