庫岸邊坡水位陡降條件下復(fù)合土工排水-碎石墊層水平向增強(qiáng)排水系統(tǒng)性能分析

■左廣洲

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

在庫水位邊坡中，當(dāng)水位下降時，由水的重量產(chǎn)生的穩(wěn)定力會消失；此外，由于邊坡土體滲透性較低，水位下降較快，土體內(nèi)超孔隙水壓力來不及消散，也會降低邊坡的穩(wěn)定性[1]。 Berilgen[2]報導(dǎo)了多起由于水位陡降引起的邊坡失穩(wěn)案例，如舊金山南部的Pilarcitos 大壩、 阿拉巴馬州的Walter Boudin大壩，以及秘魯蒙塔羅河沿岸的一些河岸邊坡。 為及時消除水位陡降條件下邊坡土體孔隙水壓力，提高邊坡穩(wěn)定性，前人提出了一系列排水方法；如設(shè)置非織造土工織物[3]、條帶狀土工織物[4]、GCBD 系統(tǒng)[5]以及芯吸纖維土工織物[6]促進(jìn)土體水平排水。 上述方法在某種程度上均可以促進(jìn)水平排水，但也存在各自缺點(diǎn)；非織造土工織物、條帶狀土工織物在飽和條件下易產(chǎn)生毛細(xì)阻滯效應(yīng)，阻礙排水；GCBD系統(tǒng)過度依賴傳輸層非飽和排水性能；芯吸纖維土工織物排水能力優(yōu)秀，但成本昂貴[7-8]。 因此提出一種既經(jīng)濟(jì)又能促進(jìn)邊坡土體在非飽和條件下排水的方法具有重大意義。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上， 提出復(fù)合土工排水-碎石墊層水平向增強(qiáng)排水系統(tǒng)；依托實(shí)際工程，對復(fù)合土工排水-碎石墊層排水系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值研究，具體包括：復(fù)合土工排水-碎石墊層排水系統(tǒng)的排水性能、碎石墊層厚度、碎石土水特征曲線擬合參數(shù)（a、n）對排水性能的影響及排水系統(tǒng)間距對穩(wěn)定性的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 工程概況

本文基于實(shí)際工程進(jìn)行數(shù)值分析，邊坡概況見圖1。邊坡土層分布依次為砂質(zhì)亞粘土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、 弱風(fēng)化凝灰熔巖； 邊坡高約127 m， 長約265 m，坡內(nèi)最高水位在525.6 m 處；坡外最高水位在483 m 處， 并且歷經(jīng)14 d 降至最低水位453 m處；砂質(zhì)亞粘土及強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的土水特征曲線及滲透系數(shù)函數(shù)見圖2、3， 由于在弱風(fēng)化凝灰熔巖中難以發(fā)生滲流，故只考慮了飽和滲透系數(shù)，弱風(fēng)化凝灰熔巖Ks=0.002 m/d。

圖1 邊坡幾何形狀概況

圖2 邊坡砂質(zhì)亞粘土及強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的土水特征曲線

1.2 模型建立

采用有限元軟件Geostudio 建立模型研究復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)的排水性能。 建立的模型僅在水位陡降范圍內(nèi)設(shè)置復(fù)合土工排水-碎石墊層水平向增強(qiáng)排水系統(tǒng)， 具體布置范圍如圖4 所示。每道排水系統(tǒng)長7 m，按間距3 m 進(jìn)行布置，且底部第一道設(shè)在最低水位上方1.25 m （即高度454.25 m）處，共設(shè)置10 道；復(fù)合土工排水-碎石墊層水平向增強(qiáng)排水系統(tǒng)詳圖見圖5， 復(fù)合土工排水板夾在0.5 m 厚的碎石中（上下各1 層25 cm 厚碎石墊層）。 復(fù)合土工排水板厚度較小，采用線單元模擬，土層采用實(shí)體單元模擬；復(fù)合土工排水板滲透系數(shù)為0.1 m/s。 碎石墊層參數(shù)取自Bahador[9]，具體包括： 飽和滲透系數(shù)為1.780 cm/h；VG 模型參數(shù)a為5.1813 kPa、n 為1.351、θs為0.25、θr為0.001。進(jìn)行數(shù)值模擬時， 首先在最高水位進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流分析，再進(jìn)行水位陡降的瞬態(tài)滲流分析，陡降過程共計14 d。 此外，另建一不含碎石墊層的模型，作為對照組， 以研究復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)的排水性能。

圖3 邊坡砂質(zhì)亞粘土及強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的滲透系數(shù)函數(shù)

圖4 復(fù)合土工排水-碎石墊層水平向增強(qiáng)排水系統(tǒng)布置圖

圖5 復(fù)合土工排水-碎石墊層水平向增強(qiáng)排水系統(tǒng)詳圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)中間取一剖面A-A’（圖5），分析對比上述兩個模型在A-A’剖面處的孔隙水壓力分布情況， 研究復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)的排水性能；復(fù)合土工排水板中點(diǎn)上下各0.5 m 范圍即為A-A’剖面，剖面高度1 m。 由于各道復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)得到的規(guī)律基本一致， 本文僅取底部以上第三道為例進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖6。

圖6 有無碎石層A-A’剖面的孔隙水壓力分布情況

當(dāng)該道復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)開始排水時，復(fù)合土工排水板上方處于非飽和狀態(tài)，且含碎石層的情況吸力值更大；然而在復(fù)合土工排水板下方，不管有無碎石層，均處于飽和狀態(tài)，且有無碎石層的區(qū)別不大。 這主要是因為陡降過程中，上方土體先于下方土體排水， 故上方土體處于非飽和狀態(tài)，且有無碎石的區(qū)別相對明顯，而下方則處于飽和狀態(tài)，有無碎石幾乎沒有區(qū)別。 當(dāng)該道排水系統(tǒng)排水4 d 后，對于無碎石的情況，雖然吸力有所變大，但復(fù)合土工排水板下方仍處于飽和狀態(tài)；而含碎石的情況，復(fù)合土工排水板下方已經(jīng)處于非飽和狀態(tài)，具有一定的吸力。 該結(jié)果表明復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非飽和狀態(tài)下的排水，使土體具有一定的吸力值。

3 參數(shù)分析

碎石墊層厚度、 碎石土水特征曲線擬合參數(shù)（a、n） 均會影響復(fù)合土工排水-碎石墊層排水系統(tǒng)的排水效果，從而影響邊坡穩(wěn)定性；此外，排水系統(tǒng)縱向布置間距也將影響邊坡穩(wěn)定性。 因此，分別對以上參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。 計算穩(wěn)定性時，各土層采用的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)

3.1 碎石墊層厚度

該小節(jié)分別對厚度為5、15、25、35 cm 的碎石墊層進(jìn)行數(shù)值模擬，各厚度A-A’剖面的孔隙水壓力分布見圖7。剛開始排水時，由于復(fù)合土工排水板上方先于下方開始排水， 故上方處于非飽和狀態(tài)，且隨碎石層厚度增大，上方的吸力值也越大；下方由于未開始排水，故不受碎石層厚度影響；排水4 d后， 整個斷面的吸力值隨碎石層厚度的增大而增大；該結(jié)果表明碎石層越厚，在非飽和狀態(tài)下的排水效果越好；然而，雖然厚度增大會使整個斷面吸力值增大，但增大的值并不是很大；考慮到應(yīng)用于實(shí)際時碎石層厚度的增加會使施工難度及成本增大，故建議采用厚度15 cm。不同碎石墊層厚度在水位陡降過程中的穩(wěn)定性如圖8 所示。 由圖7、8 可知，隨著碎石層厚度增大，排水效果增大，進(jìn)而邊坡穩(wěn)定性也有所提高。

圖7 不同碎石層厚度A-A’剖面的孔隙水壓力分布情況

圖8 不同碎石墊層厚度穩(wěn)定性系數(shù)變化情況

3.2 碎石參數(shù)a

參數(shù)a 為土水特征曲線的進(jìn)氣值，該小節(jié)模擬的碎石墊層厚度取3.1 節(jié)，建議厚度15 cm。 采用控制變量法，對a 進(jìn)行規(guī)律分析；參數(shù)a 的取值分別為0.1、5.1813、12、15 a/kPa。n=1.351 時，不同a 值對應(yīng)A-A’剖面的孔隙水壓力分布情況見圖9。 參數(shù)a變化時，對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)變化情況見圖10。

圖9 A-A’剖面孔隙水壓力分布情況（n=1.351）

圖10 不同a 值下系統(tǒng)穩(wěn)定性系數(shù)變化情況

對于不同的a 值，剛開始排水時，與上述分析一致，復(fù)合排水板上方具有一定吸力值，下方則是處于飽和狀態(tài)；此外，4 個不同a 值對應(yīng)的初始孔隙水壓力分布是一致的，即a 值不影響初始孔隙水壓力分布。 排水4 d 后，整個斷面處于非飽和狀態(tài)，且隨a 值的增大，整個斷面的吸力也增大。 盡管吸力增大的量較小，但這依然說明a 值增大有利于復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下排水。由圖10 可知，a 值的增大， 會使邊坡穩(wěn)定性略微增大，且在a=5.1813 時達(dá)到最大，后續(xù)隨a 值增大不再增大。

3.3 碎石參數(shù)n

參數(shù)n 為土水特征曲線陡降處的斜率，該小節(jié)模擬的碎石層厚度建議取值為15 cm。 采用控制變量法，對n 進(jìn)行規(guī)律分析，參數(shù)n 的取值分別為1.351、5、7、10、20。 當(dāng)a=5.1813 kPa 時，不同n 值對應(yīng)A-A’剖面的孔隙水壓力分布如圖11 所示。 參數(shù)n 變化時，對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)如圖12 所示。

圖11 A-A’剖面孔隙水壓力分布情況（a=5.1813）

圖12 不同n 值下系統(tǒng)穩(wěn)定性系數(shù)變化情況

不同的n 值，對排水效果的影響相對復(fù)雜。 由圖11 可知，對于復(fù)合排水板上方，排水4 d 后，n=1.351 時， 上方的吸力達(dá)到最大值，n=5 時， 吸力變小，且后續(xù)隨n 值繼續(xù)增大，上方吸力值不變。 即n值對復(fù)合排水板上方吸力值影響不大。 對于復(fù)合排水板下方，n 取1.351、5、7 時，隨n 的增大，下方吸力值增大；當(dāng)n 繼續(xù)增大時（n=10、20），下方的吸力值有一定的降低。 這是因為當(dāng)n 取較大值時，開始排水工況復(fù)合排板下方的孔隙水壓力會偏大，從而導(dǎo)致排水4 d 后下方的吸力值有一定的縮減。 綜上所述，n 值的變化對排水系統(tǒng)的影響主要在復(fù)合排水板下方；當(dāng)n≤7 時，隨著n 增大，復(fù)合排水板下方吸力值變大，即n 增大有利于排水系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下排水；當(dāng)n＞7 時，復(fù)合排水板下方吸力值有一定縮減，即排水系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下的排水效果有一定縮減；由此可以得到n=7 時，排水系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下的排水效果最佳。

由圖12 可知，對于n 值的增大，幾乎不影響陡降14 d 內(nèi)的穩(wěn)定性， 主要影響陡降結(jié)束后的穩(wěn)定性；n≤7 時，n 增大會增大陡降結(jié)束后的穩(wěn)定性；n＞7 時，n 增大，穩(wěn)定性反而減小。

3.4 排水系統(tǒng)縱向間距

該小節(jié)就排水系統(tǒng)縱向間距對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了簡要分析， 不同間距大小分別為：1、2、3、4、5 m； 每種間距底部第一道的位置統(tǒng)一在最低水位以上1.25 m 處（即高度454.25 m）。 模擬時間從驟降開始至驟降結(jié)束后5 d，共計19 d。計算結(jié)果如圖13 所示，隨著排水系統(tǒng)布置加密，邊坡穩(wěn)定性增大。 在布置間距為2 m 時，整個水位陡降過程中邊坡穩(wěn)定性均大于1.35 （一級邊坡設(shè)計安全系數(shù)值）， 并在驟降結(jié)束后仍保持1.35； 當(dāng)布置間距為1 m 時，邊坡穩(wěn)定性的增大并不明顯，故按間距2 m布置排水系統(tǒng)最為合適。

圖13 不同排水系統(tǒng)間距穩(wěn)定性

4 結(jié)論

水位陡降會導(dǎo)致水對邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)減少，且由于水位陡降而在坡內(nèi)聚集的水分會向坡外滲流形成滲流力，威脅邊坡穩(wěn)定性。 本文針對如何在水位陡降條件下，將坡內(nèi)聚集的水分在非飽和狀態(tài)下及時排除，提出了復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)；并對該系統(tǒng)的排水性能進(jìn)行了數(shù)值模擬及相應(yīng)的參數(shù)分析，得出如下結(jié)論：（1）復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)可以在非飽和條件下將坡內(nèi)聚集的水分排除；（2）碎石墊層厚度增大有利于排水系統(tǒng)的排水效果，但增大幅度較小，考慮到應(yīng)用于實(shí)際時碎石層厚度的增加會使施工難度及成本增大，故建議采用厚度15 cm。（3）參數(shù)a 值增大有利于復(fù)合土工排水-碎石墊層水平增強(qiáng)排水的效果；（4）參數(shù)n 值的變化對排水系統(tǒng)的影響主要在復(fù)合土工排水板下方； 當(dāng)n≤7 時，n 增大有利于排水系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下排水；當(dāng)n＞7 時，排水系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下的排水效果有一定縮減； 由此可以得到n=7 時，復(fù)合土工排水-碎石墊層排水系統(tǒng)在非飽和狀態(tài)下的排水效果最佳；（5）復(fù)合土工排水-碎石墊層系統(tǒng)縱向間距越密，穩(wěn)定性越高。 間距為2 m 時，陡降過程中邊坡穩(wěn)定性即可保持在1.35 以上， 間距再減小，穩(wěn)定性增大不明顯。