水位變化對路基邊坡滲流場及穩定性影響分析

李清華， 肖田， 邱博超， 張俊峰

(1.中交一公局第六工程有限公司， 天津 300451； 2. 天津市市政工程設計研究院， 天津 300392； 3. 河北工業大學土木與交通學院， 天津 300401)

蓄滯洪區屬于洪水多發地段，由于路基邊坡常年受到洪水的影響，極易發生各種變形、失穩甚至破壞，其中洪水水位變化以及洪水長期浸泡對路基邊坡造成的危害尤為明顯。

針對洪水期路基邊坡穩定性問題，中外專家在洪區路基邊坡穩定性分析方面進行了相關研究并取得了一定的成果。張永剛[1]結合地表及深部位移監測結果，運用FLAC3D軟件系統分析了水庫不同水位及其下降速度對邊坡穩定性的影響規律和變形失穩特征。朱蕾等[2]運用數值模擬的方法，系統分析了庫水位升降及降雨聯合作用下的滑坡變形機制及穩定性。馬雪妍[3]運用巖土計算軟件GEO-Studio分析了庫水位變化和降雨作用對邊坡滲流場及其穩定性的影響，結合單因素與多因素組合的敏感性分析，研究了邊坡穩定性的各種因素及其影響重要度，并實例驗證了模擬結果的可信度。鐘學梅[4]以滲流基本理論以及極限平衡法探究水位變化過程中邊坡的各時段穩定性變化方式。陳思婕等[5]以人工降雨滑坡實驗為例，模擬分析了強降雨條件下土壤內部水動力過程，做到了優先流對邊坡穩定性影響的量化分析。李劍寒[6]利用 ABAQUS軟件建立了紅土型大壩有限元模型，系統分析了庫水位上升和下降過程中，紅土型大壩存在的滲漏規律與穩定性特征，有利于提升紅土型大壩的安全性。針對邊坡失穩過程中的變形變化規律的重要性，馮文凱等[7]以青杠坪滑坡體為例，依據室內干濕循環和室外滲透試驗數據，模擬分析了庫水作用下滑坡堆積體變形的演化趨勢。周永健等[8]通過對三峽木魚包滑坡長期的監測數據研究，從定性和定量兩方面分析了位移與庫水位高程、降雨量之間的相關性，為滑坡變形的定量計算提供了一定的理論依據。卿菁等[9]以三峽庫區盧家沱滑坡為例，模擬分析了庫水位與降雨不同組合條件下的滑坡穩定性情況，并建立三維模型進行流固耦合作用分析。趙煉恒等[10]研究了水位升降和流水淘蝕對臨河路基邊坡穩定性的影響，指出高水位對提高邊坡抗滑穩定性有積極作用，水位下降對邊坡抗滑穩定性的影響相反。

中外學者對洪水作用下邊坡的水毀機理做了大量的研究工作，取得了一定的成果，這些成果主要集中在理論分析和數值模擬層面?，F結合前人的研究成果，通過室內模型試驗更進一步地研究洪區路基邊坡在水位變化過程中的孔隙水壓力以及體積含水量變化規律，并結合GEO-Studio(SLOPE 和 SEEP/W 耦合)程序模擬出邊坡內部孔隙水壓力以及體積含水量變化，驗證模型試驗的準確性并模擬出浸潤線動態變化以及安全系數變化情況，以期為蓄滯洪區路基邊坡抵抗洪水的防護措施提供設計理論基礎。

1 水位變化模型試驗

1.1 試驗模型設計

為使試驗過程與實際工程相接近，試驗模型參照津石高速天津段的路基邊坡結構進行設計，試驗選取長度比尺γl=10，實驗模型坡高L=1 m、坡比為1∶1.5。實驗模型由三部分組成：水池、水位控制系統、連續監控系統。其實驗模型圖如圖1所示。

圖1 實驗模型Fig.1 Experimental model

圖1中，測點主要用來檢測邊坡門內部滲流場變化情況。試驗采用天津地區黏性土，其物理力學性質如表1所示。

1.2 洪水水位變化設計

1.3 實驗裝置設計

1.3.1 實驗槽設計

實驗選取了體積規格為3 m×3 m×1.1 m(長×寬×高)的模型槽，其主要由泡沫磚修葺而成，模型槽墻厚為0.2 m，由于模擬洪水對邊坡的作用過程，故將模型槽內部做防水處理，使其形成一個五面不透水的水槽。其模型如圖2所示。

1.3.2 水位控制系統

邊坡內的滲流狀況受到邊坡外水位的影響較大，控制好坡外水位是試驗成敗的關鍵，模型的水位控制系統由進水管、儲水桶、水位控制的水泵和流量計等組成，進出水管位于土坡的對稱側，來減少出水對土坡的沖擊影響。水泵、閥門和流量計等調節水位的升降，通過水閥的開閉來控制水位的變化，水泵和流量計控制水流的快慢。

表1 土質參數Table 1 Soil parameters

表2 水位升降時間表Table 2 Water level rise and fall schedule

圖2 物理模型圖Fig.2 Physical model diagram

1.3.3 連續監控系統

試驗的監測系統由儀器采集系統和人工采集系統兩部分組成。儀器采集系統由RH-709讀數儀及其所對應的4個滲壓計(記錄整個試驗過程的孔隙水壓力的變化)和NHJLY2801土壤水分測試系統及其對應的4個含水量計組成，標記為1、2、3、4，其觀測點埋設如圖3所示。

圖3 傳感器埋設示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensor embedding

2 室內試驗過程及結果分析

2.1 實驗過程

圖4為洪水對路基邊坡的作用演變過程中所獲取的照片，記錄了各階段水位變化情況以及實驗現狀。

圖4(a)～圖4(c)為漲水階段，共耗時4.5 h，水位從0 m上漲到0.9 m，隨著水位上漲模型邊坡坡面土體逐漸由非飽和狀態變為飽和狀態，水土交接處土體顏色變深并向上緩慢擴散，隨著時間的推移水流不斷向土體四周入滲，土體含水量增加黏性隨之降低并且浸潤部分土體變得松軟；圖4(c)、圖4(d)為浸泡階段，持續44 h。由于水的蒸發以及入滲到邊坡內部，其水位有略微的變動，水位始終保持在0.85 m以上，并且隨著時間的推移水不斷向邊坡內部滲透，坡頂土體顏色逐漸變深并向上漫延；圖4(d)、圖4(e)為退水階段，該階段測量時間為8.5 h，前4.5 h水位從0.9 m降至0 m，隨著水位的逐漸降低可以明顯看出高度為0.9 m的地方出現了明顯的凹槽，且原來平整的坡面變得不規則；邊坡0.9 m以下的地區長時間浸泡其土體達到飽和，黏聚力下降導致土體向下滑動；隨著水位的下降，原本浮在水中的土顆粒逐漸沉淀到邊坡坡面導致坡面出現不規則的波紋。經過3個階段的作用，邊坡坡面的土顆粒一部分懸浮到水中隨著水流被排走，另一部分則沉降到邊坡底部，造成坡中出現凹陷。

圖4 洪水對邊坡作用的演變過程Fig.4 The evolution of the action of floods on slopes

2.2 孔隙水壓力變化規律分析

利用孔隙水壓力測量儀實時監測漲水階段邊坡內部各測點的孔隙水壓力變化情況，并用多項式擬合各階段孔隙水壓力-時間(u-t)變化趨勢，其結果如圖5所示。

由圖5可知，初始狀態下不同深度的測點其初始孔隙水壓力不同，測點1深度最小其孔隙水壓力最小為-6.3 kPa，而測點3和4其深度較大其孔隙水壓力處在-2 kPa附近，初始狀態深度越大，孔隙水壓力越大?？v觀整個實驗過程，其各測點孔隙水壓力變化趨勢相同。

從各測點擬合曲線可以看出，漲水階段各測點孔隙水壓力均隨水位上升而增大[圖5(a)]，且增長速度越來越大，其中位于坡腳處的測點3孔隙水壓力響應速率以及增長速度均最快，其次是位于坡中的測點2，坡頂以及邊坡內部的測點1和測點4的孔隙水壓力響應速度最慢，其主要原因是距離坡腳距離最遠。各測點響應速度依次是：測點3>測點2>測點4>測點1。浸泡階段[圖5(b)]，各測點孔隙水壓力繼續增加，其增長速度逐漸減緩。其中位于坡腳的測點3增長速度最緩慢，其次是坡中的測點2，最后是遠離坡腳的測點1和測點4。退水階段[圖5(c)]各測點孔隙水壓力隨水位下降而迅速降低，其中測點3的孔隙水壓力響應速度最快，且下降速度也最快；各測點孔隙水壓力下降速度依次是：測點3>測點2>測點4>測點1。

通過分析各測點的孔隙水壓力變化情況可知，坡腳處孔隙水壓力最先受到水位的影響，其次是邊坡坡面，越靠近邊坡內部，孔隙水壓力受到水位變化的影響越小。

2.3 體積含水量變化

圖6為室內試驗各測點的體積含水量變化曲線，從圖6(a)中可以看出各測點體積含水量均為10%左右，由于室內試驗模型為分層壓實鋪設其填土提前調配好干濕度，并且邊坡底面與水泥池底面接觸，故邊坡內部測點的體積含水量相同，均接近初始含水量。

圖5 各階段孔隙水壓力變化曲線Fig.5 Variation curve of pore water pressure in each stage

觀察圖6(a)可以看出漲水階段距離坡腳最近的測點3響應最快，其次是測點2，然而遠離坡腳的測點1和4其體積含水量在漲水階段基本保持不變，由于滲透入邊坡的水傳遞速率較慢，在水位漲至0.9 m時其孔隙水還未運動到測點1和4，因此測點1和測點4體積含水量變化較為緩慢。

如圖6(b)浸泡階段，洪水不斷滲流入模型，其模型內部浸潤線開始向邊坡內部發展，導致其測點1和4體積含水量開始上漲，然而在第一階段測點3和2體積含水量已經增大至最大體積含水量達到飽和狀態，在浸泡階段其體積含水量幾乎不發生變化，而遠離坡腳的測點1和4在浸泡階段也達到了飽和狀態。

圖6 各階段體積含水量變化曲線Fig.6 Variation curve of volumetric water content in each stage

如圖6(c)退水階段，由于水位下降，其坡面內部壓力大于外部，故邊坡內部孔隙水在壓力差的作用下向坡面運動，距離坡頂最近的測點1體積含水量最先下降，隨后是測點2，最后是測點3，由于測點1、2、3距離坡面最近，故其最先受到內外壓力差的影響，而遠離坡面的測點4其周圍孔隙壓力差較小，孔隙水無法及時排出，導致其始終處于飽和狀態。

通過分析邊坡內部各測點的體積含水量變化情況可知，靠近坡腳的區域其體積含水量最先受到水位變化的影響，其次則是靠近坡面的區域，越往邊坡內部，其體積含水量變化越緩慢，響應速度也越緩慢。

3 數值模擬分析

為了驗證試驗的可靠性，利用GEO-Studio巖土分析軟件模擬邊坡內部滲流場變化，通過對比相同位置測點的孔隙水壓力以及體積含水量變化情況來驗證其實驗結果的準確性，并運用SEEP/W和SLOPE/W模塊耦合分析，計算出邊坡模型各時段浸潤線以及安全系數，分析實驗結果找出水位變過程中邊坡滲流場以及穩定性變化規律。

3.1 模型建立

分析參照實驗原型建立，其仿真分析模型建立如圖7所示。此仿真模型網格劃分為1 664個單元，共有1 754個節點。結合室內試驗的測量點在邊坡模型內部相同位置設置4個測點。參照室內試驗模型以及實際工程中的各項參數指標設置模型參數，其各項參數如表1所示。

邊界條件為：①模型左邊界與下邊界為不透水邊界；②模型頂部為自由邊界；③模型右側為水位變化邊界，其水位變化與實際設計水位變化相同；④初始水位線高程為5 m。

滲流分許所需土水特征曲線通過軟件樣本函數以及實際滲流參數擬合而成，其土水特征曲線如圖8所示。

圖7 模型建立Fig.7 Model establishment

3.2 滲流分析結果

3.2.1 滲流場變化過程

水位變化過程中各時段邊坡內部滲流場變化情況以及孔隙水運動趨勢如圖9所示。

圖9(a)、圖9(b)為漲水階段滲流場變化情況，對比圖9(a)、圖9(b)可知，t=0 h邊坡整體孔隙水壓力分布呈層狀，其孔隙水壓力由上到下遞增。當水位上升至9 m時，浸潤線靠近坡面的一端隨水位上升，坡腳以及靠近坡面的區域孔隙水壓力迅速上升，遠離坡面的區域浸潤線保持不變，坡面水流不斷向邊坡內部運動。

圖8 土質土水特征曲線Fig.8 Soil water characteristic curve

圖9(b)、圖9(c)為浸泡階段前后邊坡滲流場變化情況，該階段浸潤線不斷向邊坡內部發展，且邊坡內部孔隙水壓力逐漸上升，孔隙水由浸潤線右側向左側運動，由于邊坡內部水的傳導速度較低，故遠離坡面的區域具有滯后性。

圖9(c)、圖9(d)為退水階段，靠近坡面的浸潤線隨水位下降而迅速下降，由于坡面沒有卸去了水壓力，邊坡內部孔隙水不斷從坡面滲出，導致邊坡孔隙水壓力分布如圖9(d)所示。遠離坡面的區域孔隙水壓力以及浸潤線存在滯后性，水位下降為0時邊坡內部仍有部分區域處于飽和狀態。

3.2.2 浸潤線變化規律

圖10為邊坡內部浸潤線隨時間變化的分布圖，其中藍色虛線為漲水階段浸潤線變化、綠色虛線為浸泡階段浸潤線變化、紅色虛線為退水階段浸潤線變化。

由圖10可知，漲水階段(0～14 h)時，靠近坡腳的水位線率先隨洪水水位的上升而上升并向邊坡內部卷起，而遠離坡腳的水位線沒有變化，隨著水位繼續上升這種變化向邊坡深處發展；當漲水階段結束時，邊坡內部只有坡腳以及靠近坡面的少部分土體達到飽和。浸泡階段(14～154 h)時，水位保持不變，浸潤線隨時間的推移向邊坡內部發展，遠離坡面的一端緩慢上升；退水階段(154～168 h)時，浸潤線靠近坡面的一端隨水位下降而迅速下降，由于土的導水速率較低，因此邊坡內部仍有部分區域處于飽和狀態。整個水位變化過程中浸潤線靠近坡面的一端水位變化而變化，遠離坡面的一端存在滯后性。

圖9 數值模擬過程Fig.9 Numerical simulation process

圖10 洪水過程各時段浸潤線示意圖Fig.10 Schematic diagram of phreatic line in each period of flood process

3.2.3 孔隙水壓力和體積含水量變化規律

圖11、圖12分別表示模型邊坡內部相同測點的孔隙水壓力和體積含水量隨時間變化的曲線，其變化規律概括為：漲水階段孔隙水壓力和體積含水量隨水位上升而迅速增加，浸泡階段孔隙水壓力和體積含水量增長速度減緩，最終達到了暫時的穩定狀態，當水位下降時兩者迅速減小。將孔隙水壓力與體積含水量仿真結果與實驗測量結果進行對比可知，仿真結果與室內模型實驗結果的變化趨勢相同，且坡腳孔隙水壓力和體積含水量響應速度與變化速度均大于其他區域。通過模型仿真計算更進一步的驗證了室內模型實驗結果。

圖11 體積含水量變化曲線Fig.11 Change curve of volume water content

圖12 孔隙水壓力變化曲線Fig.12 Change curve of pore water pressure

3.3 模型穩定性分析

對比數值模擬和室內試驗結果可以看出，兩個模型內部相同的位置其滲流變化趨勢相同，運用SLOPE/W模塊以各時段模型內部滲流狀態為基礎計算水位變化過程中邊坡模型的安全系數，其計算示意圖如圖13所示，將滑動塊分成30個土條并運用摩根斯頓-普賴斯法計算邊坡安全系數(圖14)。

漲水階段(0～14 h)：由于邊坡內的浸潤線滯后于坡外水位，這時坡外就會產生指向坡內的動水壓力，這對邊坡的穩定有益，所以這時安全系數出現大增直到水位上升到最高處，安全系數由1.944增加至4.075，并在14 h時達到整個試驗階段的最高值。

圖13 穩定性計算示意圖Fig.13 Stability calculation diagram

圖14 安全系數變化曲線Fig.14 Variation curve of safety factor

浸泡階段(14～154 h)：邊坡內浸潤線逐漸上升，水分不斷入滲至邊坡內部，前面形成有益于庫坡穩定的動水壓力隨之減小，坡內大范圍土層的孔隙水壓力增大，抗剪強度減小，所以安全系數出現降低的現象，浸泡期間安全系數由3.716下降至2.561。

退水階段(154～180 h)：水位快速下降，而坡內水位滯后于坡面水位，這時形成指向坡外不利于路基邊坡穩定的滲透壓力，因此安全系數開始迅速下降；當水位下降至初始水位時邊坡內部仍存在較高的潛水位面，故其安全系數遠低于未漲水時的安全系數，其邊坡安全系數由2.960下降至1.584；168 h時坡面水位降至0 m，邊坡內部飽和區域的水逐漸向外滲出，邊坡潛水位繼續下降，導致邊坡安全系數右緩慢的上漲。

通過觀察圖14的邊坡安全系數變化規律可以知道洪水作用過程中邊坡的漲水期邊坡較為安全，最危險的時段為退水期，故在蓄滯洪區路基邊坡的防洪措施中因更注重退水階段的防護工作。

4 結論

通過室內模型試驗還原洪水水位變化對路基邊坡的影響，探究邊坡內部孔隙水壓力以及體積含水量真實的變化情況，并利用有限元軟件分析邊坡滲流場以及穩定性變化規律。結論如下。

(1)水位上升階段，孔隙水壓力以及體積含水量逐漸增大，且增長速度逐漸增大；進入浸泡階段，兩者上升速率減緩并達到暫時的穩定，當水位下降時，孔隙水壓力和體積含水量又迅速減小。相比于其他測點，坡腳處受水位變化影響較大。

(2)通過對比室內模型試驗與仿真分析結果了解到，邊坡內部孔隙水壓力以及體積含水量變化趨勢基本吻合，驗證了實驗的可靠性，并且進一步驗證了水位變化對路基邊坡滲流場的影響。

(3)通過模擬分析得出，浸潤線靠近坡面的一端隨水位的變化而迅速變化，遠離坡面的一段則存在滯后性，浸潤線到坡面的距離越大，其響應速度越遲緩。

(4)分析安全系數變化過程得出：漲水階段，坡外形成對邊坡穩定性有利的動水壓力，其邊坡模型安全系數大幅增加并達到峰值；浸泡階段，水分不斷入滲至邊坡內部，前面形成有益于庫坡穩定的動水壓力隨之減小，邊坡安全系數緩慢減小；退水階段，坡面的水壓力消去，形成指向坡外不利于邊坡穩定的滲透壓力，安全系數又迅速減小，最后安全系數遠小于水位變化之前的安全系數。