謝羅峰，段祥寶

1 概 述

水庫或江河水位降落過快過深，導(dǎo)致上游邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡，在我國水庫大壩運(yùn)行和堤防管理中有著深刻教訓(xùn)。近年來，水位降落過程中上游邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此，中小型水庫除險(xiǎn)加固工程研究得到深入開展。

我國對(duì)因庫水位降落導(dǎo)致滑坡的土石壩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明［1］：已經(jīng)發(fā)生過上游邊坡滑動(dòng)的土石壩，平均庫水位降落速度為0．35～1．15 m／d，水位降幅為7．25～23．95 m。水位降落誘發(fā)滑坡的根本原因是邊坡中孔隙水壓力無法及時(shí)消散，形成不利于上游邊坡穩(wěn)定的非穩(wěn)定滲流［2］。而目前常用的簡化處理非穩(wěn)定滲流方法易產(chǎn)生較大誤差［3］，因此，需要分析水位降落產(chǎn)生的非穩(wěn)定滲流作用下的邊坡穩(wěn)定。

本文開展了不同土質(zhì)及坡比的砂槽模型試驗(yàn)，模擬水位降落過程中多種工況下非穩(wěn)定滲流場(chǎng)和邊坡失穩(wěn)變化過程，探討了滲透力在非穩(wěn)定滲流過程中對(duì)邊坡的作用規(guī)律，并結(jié)合非穩(wěn)定滲流場(chǎng)分析壩坡穩(wěn)定性，找出危險(xiǎn)工況的水力條件，以便正確預(yù)防滑坡。

2 試驗(yàn)材料方法

模型水槽的尺寸為5 m×0．3 m×0．8 m，如圖1所示。

選擇了3種材料，其物理力學(xué)參數(shù)見表1，其中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)。

給水度是根據(jù)公式（1）［2］計(jì)算：

式中：μ為給水度；n為孔隙率；k為滲透系數(shù)。

考慮了3種土質(zhì)邊坡和多組降速，模擬工況見表2。

圖1 砂槽模型正向圖Fig．1 Front view of the sandflume

表1 試驗(yàn)土體材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical parameters of the soil

表2 不同降速的試驗(yàn)組次Table 2 Test conditions with different setting velocities

3 水位降落期堤壩穩(wěn)定分析［4］

3．1 邊坡滲流場(chǎng)變化過程

圖2是細(xì)砂材料壩水位降落時(shí)一組自由面變化情況。水位降速 v＝0．033 8 cm／s，k＝1．7×10－2cm／s，μ＝0．156，m＝1．5，k／μv＝0．017，結(jié)合自由面和分水嶺最高點(diǎn)的情況，本組試驗(yàn)結(jié)果屬于急降情況。

水位降落過程中，上游邊坡孔隙水壓力變化幅度明顯，下游邊坡變化較小。圖3為上游水位急降過程中邊坡內(nèi)部各部位測(cè)壓管水頭測(cè)值。

圖2 砂土邊坡中急降非穩(wěn)定滲流瞬時(shí)自由面Fig．2 Transient phreatic line of quick setting in sandy slope

圖3 水位降落過程中內(nèi)部水頭值變化Fig．3 Variation of piezometric head during the water level drawdown

由退水指標(biāo) k／μv的分析結(jié)果［5］可知：滲透性和給水度小的土質(zhì)邊坡內(nèi)滲流場(chǎng)的孔隙水壓力消散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滲透性較大的砂礫邊坡，最易形成具有凸形分水嶺的自由面；降速快的非穩(wěn)定滲流上游邊坡的孔隙水壓力難以消散，上游邊坡中的滲透坡降隨著水位的降落逐漸增大，且降速越大，坡降也越大；k／μv越小，水頭越難以消散，增大邊坡內(nèi)外的水頭差，形成向上游坡面方向的滲流。

圖4是黏土邊坡瞬時(shí)坡降分布，邊坡上游側(cè)滲透坡降值很高，上游水面以上的部位坡降值高達(dá)4．6，隨著坡內(nèi)外水位的落差進(jìn)一步增加，坡降值J也是逐步增大。水位快降，在降落總時(shí)間T的大約6／10～7／10時(shí)，出滲坡降達(dá)到峰值。出滲處滲透坡降在此過程中遠(yuǎn)大于細(xì)砂允許比降。對(duì)缺少反濾措施的上游邊坡而言，易發(fā)生破壞。

圖4 瞬時(shí)實(shí)測(cè)滲透坡降值分布Fig．4 Distribution of measured transione seepage gradient

圖5 表明，無論是出滲處，還是邊坡內(nèi)部點(diǎn)（－75，20）處，滲透坡降在水位降落過程中，不是單調(diào)減小的，急降過程中存在極高值。

圖5 滲透坡降在非穩(wěn)定滲流過程中的變化Fig．5 The change of seepage gradient in unsteady seepage

3．2 水位降落時(shí)邊坡失穩(wěn)過程

水位驟然下降時(shí)，坡體中地下水位下降相對(duì)滯后于坡外水位，邊坡內(nèi)部存在高于邊坡附近的孔隙水壓力，坡體內(nèi)產(chǎn)生向坡面方向的滲流，易導(dǎo)致滑坡。試驗(yàn)中觀察到水位降落過程中上游邊坡發(fā)生破壞，且砂土與黏土的失穩(wěn)形態(tài)并不相同。

（1）砂性土失穩(wěn)破壞形態(tài)

上游邊坡在水位降落后發(fā)生破壞的起始位置在上游邊坡坡腳處，沿逐漸向邊坡內(nèi)部和上游方向繼續(xù)發(fā)展的距離較短。破壞范圍局限在邊坡坡腳處，沒有常見的劇烈“逆行沖蝕”現(xiàn)象，為局部破壞。

如圖6所示，試驗(yàn)中觀察到砂質(zhì)模型上游邊坡在非穩(wěn)定滲流期破壞的具體位置集中在從高程10～15 cm處，邊坡坡面多處發(fā)現(xiàn)若干條沖溝。

圖6 砂土邊坡破壞形狀俯視圖Fig．6 Vertical view for failure form in sand slope

非穩(wěn)定滲流期與高水位穩(wěn)定滲流期下游邊坡破壞形式不同，沒有繼續(xù)發(fā)展成大規(guī)模的滑動(dòng)。結(jié)合試驗(yàn)中的孔隙水壓力值和滲透坡降分布可知，砂土邊坡失穩(wěn)后，擴(kuò)大了孔隙水壓力的消散面積，同時(shí)無粘性土的孔隙水壓力消散較快，較高的滲透坡降值和孔隙水壓力不會(huì)持續(xù)很久，因此沒有繼續(xù)向邊坡內(nèi)部大規(guī)模發(fā)展，破壞位置集中在失穩(wěn)位置與邊坡坡腳之間的部位。

（2）粘性土體整體穩(wěn)定破壞

粘性土體在水位降落過程中的破壞以整體滑坡為主。整體穩(wěn)定破壞即一般而言的滑坡破壞，是整個(gè)斜坡或斜坡的一部分沿滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)破壞，也就是一般意義上的“滑坡”。水位降落形成的非穩(wěn)定滲流作用下的土坡，由于邊坡內(nèi)滲流場(chǎng)造成整個(gè)土體的滑坡［4］。

水位下降時(shí)上游邊坡附近的等勢(shì)線形狀接近平行于邊坡，坡面存在出滲現(xiàn)象，滲流方向指向上游坡面，水流從坡面出滲。如圖7所示，上游坡面平水位上部發(fā)現(xiàn)一條張開的裂縫，裂縫的最大寬度為6 mm，水平長度約25 cm，幾乎貫穿了模型中邊坡的表面寬度。

圖7 黏土邊坡裂縫貫穿邊坡模型俯視圖Fig．7 Vertical view of cracks in clay slope caused by drawdown

3．3 水位降落對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

水位降落期影響上游邊坡穩(wěn)定的兩個(gè)直接原因是：邊坡的內(nèi)向外由滲流方向和坡面附近滲透坡降值過高。

滲流方向?qū)Ψ治鲞吰路€(wěn)定的影響較大。段祥寶等人曾研究過山美水庫心墻下游風(fēng)化料壩殼內(nèi)浸潤線過高的現(xiàn)象。通過實(shí)測(cè)資料的滲流反演分析，等勢(shì)線分布基本水平，滲流方向向下，結(jié)合滲流場(chǎng)用滲透力的方法驗(yàn)算邊坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù)為1．648，而應(yīng)用條分法計(jì)算值為1．203。但在模型土壩的水位降落時(shí)期，兩種方法計(jì)算結(jié)果則相反，條分法計(jì)算值大于滲透力計(jì)算結(jié)果，則偏于危險(xiǎn)?？梢婒?yàn)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)是否考慮滲流方向?qū)Y(jié)果的影響很大。向下的滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性有利，而向邊坡外側(cè)的滲流則不利于邊坡穩(wěn)定。

水位降落過程非穩(wěn)定滲流作用下的邊坡，滲透坡降較高，滲流方向指向邊坡外側(cè)。滲流作用產(chǎn)生滲透力可由下式計(jì)算：

式中：f為滲透力；γ為容重；J為滲透坡降。

滲透力的方向與滲流方向一致，指向上游邊坡。水位降落過程中，上游側(cè)滲透坡降值增加，導(dǎo)致滲透力同步增大，滲透力的增加勢(shì)必會(huì)影響土體邊坡的整體抗滑穩(wěn)定性。指向上游邊坡的滲流力成為不利于邊坡穩(wěn)定的滑動(dòng)力，促進(jìn)邊坡土體往上游方向滑動(dòng)。滲透力在水位降落過程中是逐步增加的。另外，水位降落過程中，邊坡前緣原本為抗滑力的靜水壓力消失，此消彼長，必然不利于邊坡的穩(wěn)定。

比較了不同水位降落退水指標(biāo)值k／μv對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。圖8結(jié)果表明，水位驟降的非穩(wěn)定滲流，其安全系數(shù)減小幅值較大，且驟降速度越快，水位降深越大，安全系數(shù)越小。而緩降時(shí)，安全系數(shù)雖有所降低，但降低的幅度較小，最大降幅不足10%，同時(shí)滲流方向依舊保持從上游往下游的方向，不致引起邊坡失穩(wěn)。

圖8 k／μv與安全系數(shù)關(guān)系曲線Fig．8 The relationship between k／μv and safety factor

坡前水位急降（k／μv為0．73，3．354和20．018）或緩降（k／μv為72．668）時(shí)，安全系數(shù)在水位均勻降落的過程中存在一個(gè)最小值，與圖5的滲透坡降值變化趨勢(shì)一致，最小值出現(xiàn)在水位降落總時(shí)間的60%～80%之間，此時(shí)水位約為邊坡高度的1／3，與工程發(fā)生滑坡的位置基本一致，主要原因在于此時(shí)的滲流作用最為突出，滲透力達(dá)到峰值。

總之，滲流方向是邊坡穩(wěn)定分析的關(guān)鍵因素，水位降落速度決定滲流場(chǎng)形態(tài)，是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。

4 結(jié) 語

在水位降落條件下非穩(wěn)定滲流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，開展了邊坡穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究，分析認(rèn)為上游水位降落產(chǎn)生的非穩(wěn)定滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生極大影響。

（1）水位降落速度是決定非穩(wěn)定滲流場(chǎng)特征的關(guān)鍵因素，退水指標(biāo)是k／μv影響流態(tài)的主導(dǎo)因素，也是考察邊坡內(nèi)部水頭消散率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）無黏性土邊坡失穩(wěn)范圍較小，發(fā)生破壞的位置局限于發(fā)生初始破壞至坡腳的范圍；黏性土滑坡范圍則較大。

（3）滲流方向是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，水位降落時(shí)的等勢(shì)線與邊坡趨于平行，滲流方向指向坡面。同時(shí)，由此產(chǎn)生的滲透力為不利于土體穩(wěn)定的滑動(dòng)力，邊坡前緣水位降落時(shí)原本為抗滑力的靜水壓力消散，降低了上游邊坡的安全性。當(dāng)邊坡達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，隨即失穩(wěn)。

（4）建議水位降落速度應(yīng)該盡量控制在退水指標(biāo)k／μv足夠大時(shí)，以免引起邊坡失穩(wěn)。對(duì)驟降和可能引起地質(zhì)災(zāi)害的水位急降情況應(yīng)該采用有限元方法計(jì)算非穩(wěn)定滲流，并結(jié)合非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果驗(yàn)算上游坡的穩(wěn)定性。

［1］ 汝乃華，牛運(yùn)光．大壩事故與安全·土石壩 ［M］．北京：中國水利水電出版社，2001．

［2］ 毛昶熙．滲流計(jì)算與分析控制［M］．北京：中國水利水電出版社，2003．

［3］ 鄭穎人．庫水作用下的邊坡穩(wěn)定性分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，（8）：1115－1121．

［4］ 謝羅峰．滲流作用下邊坡穩(wěn)定性研究［D］．南京：南京水科院，2009．

［5］ 唐曉松，鄭穎人．水位下降過程中超孔隙水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響［J］．水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2007，（1）：1－6．

［6］ 羅先啟，劉德富，吳 劍，等．雨水及庫水作用下滑坡模型試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（14）：2476－2483．