水位變化對庫岸邊坡穩(wěn)定性影響的研究

張文雙

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

1 概 述

邊坡工程是較為重要的水利工程項目，但是由于我國多地處于暴雨集中區(qū)，加之區(qū)域內(nèi)邊坡環(huán)境條件復(fù)雜，導(dǎo)致邊坡災(zāi)害事故逐年增加，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。引起邊坡失穩(wěn)的因素眾多，如水位變化、降雨入滲、地震等作用，都極易觸發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。因此，如何對復(fù)雜條件下邊坡的穩(wěn)定性進行合理有效地分析，是一項具有重要研究價值的工作，對目前的邊坡工程設(shè)計以及施工都有著重大的現(xiàn)實意義。

與普通邊坡相比，庫岸邊坡長年受到庫水位漲落變化的影響，使得庫岸坡體內(nèi)地下水的滲流場不斷發(fā)生變化，對土體的物理力學(xué)性能造成影響，進而改變庫岸邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，庫岸邊坡的失穩(wěn)破壞問題受到很多研究學(xué)者的重點關(guān)注。楊金林[1]等研究了水位升降速度對坡體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與庫水位升降成線性關(guān)系，當(dāng)水位上升時，安全系數(shù)增大，反之減小。肖志勇[2]等以三峽某滑坡堆積體為研究對象，利用Geostudio軟件，以間歇下降水位的方式研究多階段下降水位和不同間歇時間降水對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)水位間歇性下降有助于坡體內(nèi)孔隙水壓力的消散。占清華[3]等通過含有軟弱層的邊坡模型進行庫水位升降試驗，分析在庫水位變化時的坡體孔隙水壓力、土壓力及位移的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在庫水位上升時，由于受到水的浸泡，導(dǎo)致邊坡抗滑力降低發(fā)生滑移變形，整體上出現(xiàn)穩(wěn)定、緩慢變形和整體滑移3個階段。張登[4]等以尾礦庫工程為例，建立了邊坡時變分析數(shù)值模型，研究了庫水位變化和降雨入滲耦合作用下的邊坡安全系數(shù)與時間的變化規(guī)律，結(jié)果表明降雨和水位耦合會削弱尾礦庫的安全系數(shù)，且隨著水位上升速度的減慢，加快了邊坡安全系數(shù)滯后效應(yīng)，反之減弱。郭志華[5]利用現(xiàn)有程序通過對實際工程的多種方案進行模擬，發(fā)現(xiàn)隨著庫水位下降減慢，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出先減后增的趨勢。

綜上所述，目前學(xué)者大多從庫水位變化、坡體內(nèi)是否含有軟弱夾層等方面入手，研究各個因素對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。因此，本文將通過不同的坡比和坡前水位降落速度，探究坡內(nèi)滲流場及坡體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，分析不同工況條件下對邊坡穩(wěn)定性的影響，為坡前水位變化工況下的邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

2 庫岸邊坡滲流模型試驗

2.1 工程概況及模型參數(shù)

本文以福建省福鼎市內(nèi)某一高速公路工程為依托，其路堤高約32.5 m，坡率為1∶1.5，采用1∶50的相似比建立邊坡模型(圖1)。選取重度相似比為1∶1，根據(jù)相似理論關(guān)系，推導(dǎo)其他物理量綱相似關(guān)系，見表1。

圖1 路堤邊坡模型示意圖

表1 模型試驗相似關(guān)系

2.2 土樣物理力學(xué)參數(shù)

通過現(xiàn)場人工取土作為本研究的試驗土樣，進行室內(nèi)土工試驗可以獲得該土樣為砂土，容重為19.4 kN/m3，滲透系數(shù)為2.4×10-2cm/s，黏聚力為0，摩擦角為32 °。并通過顆分試驗測定其粒徑組成，其結(jié)果見表2。

表2 土體顆分試驗結(jié)果

2.3 試驗方案

本文將通過不同的坡比和坡前水位降落速度，探究坡內(nèi)滲流場及坡體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，分析不同工況條件下對邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，設(shè)置如下試驗方案，見表3。

表3 試驗方案

2.4 試驗步驟

本研究試驗過程按照以下步驟進行：

1) 在模型底部鋪設(shè)厚5 cm的反濾層，提供充足的排水通道。

2) 采用控制密度法，按照每層10 cm的厚度分層填筑邊坡。

3) 進行蓄水步驟并靜置較長時間，使坡內(nèi)滲流場充分達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 打開出水口，控制不同流速，以模擬坡前水位下降的過程。

在試驗過程中，要時刻注意觀察記錄坡內(nèi)的水位線隨時間的變化規(guī)律，試驗過程見圖2。

圖2 路堤邊坡圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水位下降速率對坡體滲流場的影響分析

對具有代表性的組2、組3試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，其中2組分別為試驗坡前水位下降速度v=0.043 cm/s和v=0.039 cm/s。圖3為在坡前水位下降過程中，兩組試驗坡內(nèi)浸潤線隨時間的變化規(guī)律圖。

圖3 路堤邊坡浸潤線隨時間變化圖

由圖3可知，在整體上，兩組試驗坡體內(nèi)的浸潤線均伴隨坡前水位的下降而下降，且坡面水位要低于邊坡后緣水位，存在一定的滯后現(xiàn)象。究其原因是由于坡體的滲流方向是由坡內(nèi)指向坡面的，故而在坡體的內(nèi)部形成水壓力差，這種壓力差不利于邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)水壓力差較大時易造成邊坡的失穩(wěn)破壞。

在試驗前期，浸潤線變化出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象。這是由于在坡前水位保持0.039 cm/s的速度持續(xù)下降情況下，坡面與邊坡后緣的水平距離逐漸增大，即坡內(nèi)滲流路徑增加，最后導(dǎo)致坡面與邊坡后緣之間的水壓力差同時也在不斷增大，因此坡面與坡體后緣浸潤線不能夠保持同步。在試驗后期，坡前水位保持穩(wěn)定，在坡內(nèi)水壓力差作用下，邊坡后緣水位穩(wěn)定下降，水壓力差也逐漸減小。在83 min后，兩組試驗坡內(nèi)所形成的水壓力差基本消散。

3.2 水位下降速率對坡體孔隙水壓力的影響分析

通過改變水位下降速率來研究坡體穩(wěn)定性，得到坡體內(nèi)x=40 cm、x=130 cm兩點處水頭與坡前水位隨時間變化對比圖(圖4)。

圖4 路堤邊坡不同位置水頭隨時間變化圖(不同水位下降速度)

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在水位下降過程中，由于受到滲流路徑的影響，與坡外水位下降值相比，坡內(nèi)水位的下降值明顯滯后現(xiàn)象顯著，同時也側(cè)面說明坡體后緣測點的孔隙水壓力比坡面附近測點消散慢。在水位下降前期，組2中x=130 cm點處坡體內(nèi)外水位達到0～14 cm的滯后差，在83 min后消散約85.7%。而同樣的組3試驗中x=130 cm，在水位下降前期坡體內(nèi)外水位達到0～10.9 cm的滯后差，在83 min后消散約83.02%。由上述兩組x=130 cm處的水頭變化規(guī)律可知，組2試驗水位降速較大，所形成的內(nèi)外水位滯后差也較大，由于滲流力與水力坡降呈正比關(guān)系，當(dāng)坡前水位降速越大時，坡體內(nèi)部所形成的滲流場對邊坡的穩(wěn)定性越不利。

3.3 坡度對坡體孔隙水壓力的影響分析

以1∶2坡比的組1和1∶1.5坡比的組4為研究對象，取其中x=40 cm、x=130 cm測點的試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，得到在坡前水位下降過程中，兩組試驗邊坡不同位置的水頭隨時間變化圖(圖5)。

圖5 路堤邊坡不同位置水頭隨時間變化圖(不同坡比)

由圖5可知，坡內(nèi)不同點水頭隨時間變化規(guī)律與先前分析結(jié)果大體相同。在前期坡內(nèi)外水位滯后差逐步增加，而在后期呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，且靠近坡體后緣的點與坡面的點存在突出的滯后問題。在水位下降前期，組1試驗的滯后值在0～13.72 cm范圍內(nèi)變化，而組4試驗的滯后值在0～8.04 cm范圍內(nèi)變化。在歷經(jīng)82 min的水位下降過程后，水位逐步穩(wěn)定，組1和組4的滯后值分別消散了93%和97.8%。通過比較組1與組4的孔隙水壓力消散值發(fā)現(xiàn)，坡比較大的組4與坡比較小的組1相比，其滲流路徑略短，故而坡內(nèi)水頭相對坡外響應(yīng)較快，同時所形成的水壓力差最大值比組1要小，這也從側(cè)面反映了邊坡越陡越利于坡內(nèi)孔壓的消散。

3.4 庫岸邊坡穩(wěn)定性影響分析

綜上所述，在水位下降過程中，坡體內(nèi)水位的下降速率要慢于坡前水位的下降速率，存在相對滯后的現(xiàn)象，這使得坡體前緣與后緣形成明顯的孔隙水壓力差，引起坡體內(nèi)部的滲流由坡體后緣向前緣發(fā)展，這種滲流力將會對邊坡內(nèi)部土體起到拖曳作用，同時坡體前緣水位的下降會對邊坡表面的外部壓力進行卸載，綜合作用下易使原本穩(wěn)定的邊坡存在失穩(wěn)破壞的可能。通過試驗結(jié)果中也可得出，前期由于坡前水位推力的不斷減小，并且坡體內(nèi)外的孔隙水壓力差持續(xù)增加，使得水位在下降過程中，兩組試驗在不同下降速度下，邊坡表面均出現(xiàn)不同程度的小局部滑移現(xiàn)象。在坡比較大的組4試驗中，雖然坡比大的邊坡內(nèi)外水壓力差相對較小，但是由于其坡形較陡，使得坡體的下滑力也隨之增加而抗滑力減小，在復(fù)雜的外部條件下同樣易發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

4 結(jié) 論

本文通過模型試驗，從坡比、坡前水位降速等因素研究了邊坡的滲流場及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。對比分析不同條件下的試驗結(jié)果，得到在不同水位降速下不同坡比邊坡的失穩(wěn)破壞機理，對邊坡穩(wěn)定性設(shè)計具有一定的參考價值。主要結(jié)論如下：

1) 制作長1.5 m、寬1.0 m、高1 m的亞克力模型箱，研究分析坡前水位變化對庫岸邊坡穩(wěn)定性的模型試驗，可以直觀地觀測記錄邊坡失穩(wěn)破壞過程，為探究邊坡失穩(wěn)破壞機理提供參考。

2) 通過試驗過程中坡內(nèi)浸潤線的變化情況，得到了坡內(nèi)不同點處水頭隨坡前水位降速的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，隨著坡前水位的下降，坡內(nèi)浸潤線也呈逐漸下降趨勢，坡體后緣水位降速總是滯后于坡外水位降速，且該現(xiàn)象距坡體后緣水平距離越短則越明顯。

3) 試驗前期，隨著水位下降，坡體內(nèi)外形成的孔壓差也逐漸增大；試驗后期，在坡前水位保持穩(wěn)定不變后，坡內(nèi)外孔壓差開始逐漸減小趨于穩(wěn)定。

4) 由試驗可知，坡體內(nèi)由坡內(nèi)指向坡外的滲流，是引起邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素。且滲流力隨著坡前水位降速坡度的增大而增大，這不利于坡內(nèi)孔隙水壓力的消散，導(dǎo)致坡內(nèi)外水位滯后現(xiàn)象明顯。