簡(jiǎn)文彬，葉 琪

（福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108）

河水位升降下飽和－非飽和駁岸岸坡穩(wěn)定性分析

簡(jiǎn)文彬，葉 琪

（福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108）

岸坡失穩(wěn)常常與河水升降密切相關(guān)。為了分析水位升降對(duì)福州晉安河駁岸岸坡穩(wěn)定性的影響，根據(jù)某段岸坡的工程地質(zhì)條件，建立駁岸岸坡飽和－非飽和滲流計(jì)算模型，結(jié)合引水沖污工程，研究河水位不同升降型式對(duì)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，坡腳淤泥的堆積阻礙了坡內(nèi)孔隙水的變化，表現(xiàn)為在其影響范圍內(nèi)，河水上漲時(shí)水流難以流入，水位下降時(shí)則孔隙水不易排出；水位上升越快，駁岸越穩(wěn)定，較大的水位下降速度則對(duì)其穩(wěn)定性不利；水位頻繁升降，由于岸坡排水條件不佳，孔隙水進(jìn)一步賦存，穩(wěn)定性降低；在引水沖污工程中應(yīng)做好水位下降速度的控制和坡內(nèi)孔隙水的疏排；在對(duì)岸坡進(jìn)行加固時(shí)，可采取置換坡腳淤泥為良好透水材料的措施。

駁岸；岸坡；河水位升降；滲流；穩(wěn)定性

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在福州市內(nèi)，大量工業(yè)廢水和生活污水直接排入內(nèi)河，造成內(nèi)河污染嚴(yán)重，河道淤積，排澇能力下降。當(dāng)?shù)卣疄榱朔乐箖?nèi)澇，對(duì)內(nèi)河進(jìn)行了清淤；為改善水質(zhì)，實(shí)施了引水沖污工程［1］。這些整治措施不僅取得了顯著的效果，而且也帶來(lái)了工程地質(zhì)問題。內(nèi)河在進(jìn)行清淤作業(yè)降低河床標(biāo)高，以及引水引起河水位頻繁升降等因素作用后，某些工程地質(zhì)條件不良的駁岸段失穩(wěn)滑入河中，以晉安河沿岸最為典型，這必然影響周邊市民的出行安全和增加內(nèi)河的整治難度。

關(guān)于水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。2000年，Lane和Griffiths［2］假定土坡內(nèi)的浸潤(rùn)線為直線，基于有限元強(qiáng)度折減法分析了庫(kù)水位在驟降與緩降條件下岸坡的穩(wěn)定性；2004年，時(shí)衛(wèi)民和鄭穎人［3］根據(jù)布西涅斯克非穩(wěn)定滲流微分方程，得到了庫(kù)水位等速下降時(shí)坡體內(nèi)浸潤(rùn)線的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，并以此為基礎(chǔ)分析了庫(kù)水位下降速度和下降高度等因素對(duì)坡體穩(wěn)定系數(shù)的影響；2005年，劉才華等［4］研究了庫(kù)水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理，表明庫(kù)水位由坡腳上升到坡頂?shù)倪^程中，孔隙水壓力作用使邊坡的穩(wěn)定性先降低后增加；廖紅建等［5］計(jì)算了在庫(kù)水位下降期間，滑坡體穩(wěn)定性受庫(kù)水位下降速度和滲透系數(shù)影響的變化情況；2010年，年廷凱等［6］從水位下降速率和滲透系數(shù)等方面研究了水位下降過程岸坡的整體穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)水位下降速率對(duì)高滲透性土坡內(nèi)孔壓的影響顯著，對(duì)低滲透性土坡內(nèi)孔壓影響較??；王學(xué)武等［7］對(duì)庫(kù)水位驟降時(shí)的壩坡穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，庫(kù)水位的驟降，易引起壩坡的滑動(dòng)，隨著超靜孔隙水壓力的消散，壩坡穩(wěn)定性逐漸提高，基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)增大；2012年，Núria M.Pinyol等［8］模擬了西班牙某水庫(kù)邊坡在水位驟降過程孔隙水壓力的變化，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比對(duì)，證實(shí)了水位驟降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響。以上研究中只單一進(jìn)行了水位上升或下降時(shí)邊坡穩(wěn)定性分析，對(duì)于大部分實(shí)際工程已足夠。2006年，張文杰等［9］模擬了升降過程中岸坡內(nèi)孔壓場(chǎng)，并考慮基質(zhì)吸力的貢獻(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了分析，指出在水位升降過程中，岸坡安全系數(shù)的變化規(guī)律非常復(fù)雜；2011，涂國(guó)祥等［10］探討了水位變動(dòng)速度對(duì)堆積體滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性的影響機(jī)理和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水位變動(dòng)速度對(duì)堆積體在水位變動(dòng)期間瞬時(shí)滲流場(chǎng)有著較大的影響，較大水位上升速度對(duì)堆積體穩(wěn)定性有利，但水位下降速度增大對(duì)堆積體穩(wěn)定性不利。在以上分析水位升降對(duì)邊坡影響的文獻(xiàn)中，水位升降的初始狀態(tài)均是穩(wěn)定滲流場(chǎng)，或升降段隔著較長(zhǎng)的時(shí)間以使邊坡內(nèi)滲流穩(wěn)定，而實(shí)際上，如引水沖污工程中周期性水位升降，升降段相隔時(shí)間短或時(shí)間間隔不足以形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)。目前，這方面的研究比較少見。

因此，本文根據(jù)福州晉安河某段駁岸岸坡的工程地質(zhì)條件，結(jié)合清淤后河床高程，建立駁岸岸坡飽和 非飽和滲流計(jì)算模型，研究河水位不同升降型式對(duì)駁岸岸坡穩(wěn)定性的影響。研究成果對(duì)引水沖污工程的調(diào)控和駁岸岸坡加固措施的選擇有理論及實(shí)際意義。

1 工程概況

1.1 福州晉安河駁岸岸坡

駁岸是設(shè)在岸坡前、支擋河岸的構(gòu)筑物。根據(jù)《福州晉安河駁岸穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)報(bào)告》，影響駁岸岸坡穩(wěn)定性的因素包括降雨入滲、水位變動(dòng)、清淤、交通荷載、施工擾動(dòng)等。自駁岸建成以來(lái)，經(jīng)歷了除清淤外各因素的作用，未曾發(fā)現(xiàn)整體性的滑動(dòng)破壞。清淤作業(yè)導(dǎo)致鄰近駁岸坡腳被動(dòng)區(qū)土體卸荷，岸坡臨空面加深，在水位升降、降雨、坡頂荷載等因素作用下駁岸失穩(wěn)。

引水沖污工程，是通過引用閩江水至內(nèi)河上游，加大內(nèi)河水流流量，提高河道水流流速，利用內(nèi)河與閩江相連的地理?xiàng)l件，使得稀釋后濃度較低的水及時(shí)排入閩江［1］。由于引水沖污工程的開展，內(nèi)河駁岸岸坡外的水位常處于變動(dòng)之中，岸坡內(nèi)外水分的相互補(bǔ)給使坡內(nèi)滲流場(chǎng)不斷變化，從而孔隙水壓力場(chǎng)也處在不斷的變化之中，進(jìn)而影響到岸坡的穩(wěn)定性［9］。

1.2 駁岸岸坡工程地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌 晉安河是福州長(zhǎng)度最長(zhǎng)和流域最廣的河流，也是歷史最悠久的人工內(nèi)河，與光明港連通，是重要的南北水路交通干道和景觀廊道。流向自北向南，北自東浦路接解放溪，南經(jīng)象園水閘至光明港，長(zhǎng)約6 550 m，河面寬25～49 m。

晉安河中下游河道始于光明港（樁號(hào)JA0＋000），由南往北，止于茶園水閘（樁號(hào)JA5＋334）。沿途多為居民區(qū)及沿河公園。所選分析段即位于中下游西岸，樁號(hào)JA4＋580，平面位置見圖1所示。

圖1 研究區(qū)平面位置示意圖

根據(jù)沿線調(diào)查，河段所在區(qū)域地勢(shì)相對(duì)平坦，地面羅零高程一般為6～7 m，屬?zèng)_淤積平原地貌單元。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，沿線及鄰近地區(qū)全新世以來(lái)未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)斷裂，構(gòu)造穩(wěn)定。

1.2.2 巖土類型 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭示及已有地質(zhì)資料，結(jié)合土工試驗(yàn)結(jié)果，并參考附近破壞段情況，研究區(qū)主要由以下幾類土層組成，如圖2所示。圖中，①素填土：稍密，以粘性土為主，含少量碎石，新近堆填，堆填時(shí)間未超過1年。②粉質(zhì)粘土：灰黃色，可塑～硬塑狀態(tài)。稍有光澤，干強(qiáng)度中等，有一定粘性。③淤泥：深灰色，含水量高，流塑，有臭味，搖振反應(yīng)慢，有光澤，干強(qiáng)度中等。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

1.2.3 水文條件 晉安河中下游水深約2.10～4.20 m，河床羅零標(biāo)高為1.40～4.60 m，水量主要受大氣降水和地區(qū)生活用水影響，枯水期、平水期水量都較小，雨季洪水期方有較大水量。河水流向由北向南流，因與閩江連通，受閩江漲落潮影響。

內(nèi)河整治工程中的引水沖污對(duì)河水位也產(chǎn)生了影響。晉安河水域采用大腹山引水工程沖污，經(jīng)過屏西河處分流5 m3／s的水量，余下25 m3／s的水量進(jìn)入晉安河水系進(jìn)行沖污，最后進(jìn)入晉安河經(jīng)光明港入閩江。

2 河水位升降下飽和 非飽和駁岸岸坡穩(wěn)定性分析

2.1 飽和 非飽和滲流及非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

2.1.1 飽和 非飽和滲流微分方程 地下水位以上土體處于非飽和狀態(tài)，地下水位以下處于飽和狀態(tài)，隨著河水位的變動(dòng)，地下水位也隨之變化，飽和區(qū)和非飽和區(qū)互相轉(zhuǎn)換，且飽和區(qū)與非飽和區(qū)的水運(yùn)動(dòng)互相聯(lián)系、互相影響，將兩者統(tǒng)一起來(lái)即飽和 非飽和問題［11－12］。

將土體視為一種固相骨架不變形、各向異性的多孔介質(zhì)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，結(jié)合達(dá)西定律，以總水頭h作為微分方程因變量，得到二維飽和 非飽和滲流微分方程［13］為

式中：kx、ky分別為水平和垂直方向的滲透系數(shù)，在飽和區(qū)視為常數(shù)，在非飽和區(qū)為體積含水量的函數(shù)；γw為水的重度；mw為比水容量，定義為單位土體吸力變化時(shí)單位質(zhì)量土壤可釋放或吸收的水量，即

式中：θ為體積含水量；ua、uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力，（ua－uw）為基質(zhì)吸力。

當(dāng)水頭不隨時(shí)間變化時(shí)，式（1）右邊項(xiàng)為0，得到飽和穩(wěn)定滲流控制方程為

2.1.2 非飽和土抗剪強(qiáng)度 駁岸岸坡的主要破壞模式是受剪破壞，其穩(wěn)定性主要取決于抗剪強(qiáng)度的大小。飽和土的抗剪強(qiáng)度可用摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則表達(dá)，而對(duì)于非飽和土，由于氣的存在，其強(qiáng)度理論變得極為復(fù)雜，經(jīng)典的飽和土力學(xué)理論已不再適用。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過試驗(yàn)研究或理論分析，提出了許多非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論和公式，其中得到工程界廣泛認(rèn)可的是Fredlund提出的雙參數(shù)模型［14－15］

式中：τ為土的抗剪強(qiáng)度；c′為土的有效粘聚力；（σf－ua）f為破壞面上有效法向應(yīng)力；φ′為土的有效內(nèi)摩擦角；（uauw）f為破壞面上的基質(zhì)吸力，當(dāng)孔隙中氣體與空氣連通時(shí)，ua＝ 0；φb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力而增加的速率，其值隨基質(zhì)吸力的變化而變化，在解決實(shí)際工程問題時(shí)常常取為小于φ′的定值［14］。

當(dāng)土接近飽和時(shí)，孔隙水壓力uw接近孔隙氣壓力ua，因此基質(zhì)吸力（ua－uw）趨于零。式（4）中的基質(zhì)吸力項(xiàng)消失，從而變?yōu)轱柡屯恋目辜魪?qiáng)度公式。

2.2 計(jì)算模型及其參數(shù)的選取

2.2.1 計(jì)算模型 文中采用Slide軟件進(jìn)行模擬。駁岸由塊石干砌而成，透水性好，在邊坡模型中簡(jiǎn)化為具有一定強(qiáng)度的各向同性材料，并結(jié)合內(nèi)河清淤后河床實(shí)測(cè)高程，簡(jiǎn)化沿岸地形條件，建立模型如圖3所示。分析時(shí)滲流由有限元法計(jì)算得出，穩(wěn)定性分析則利用極限平衡法中的簡(jiǎn)化Bishop條分法。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，岸坡遠(yuǎn)端地下水位高程為5 m，河水位為變動(dòng)值。

圖3 計(jì)算模型

滲流計(jì)算中邊界條件設(shè)置模型底部、右側(cè)邊界為隔水邊界，左側(cè)邊界地下水以下為定水頭邊界，以上為零流量邊界，坡面為隨時(shí)間變化的水頭邊界，水頭小于高程的節(jié)點(diǎn)定義為不透水邊界。有限元網(wǎng)格共剖分為2 781個(gè)單元，共2 903個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

1）土水特征曲線和滲透性函數(shù)的選取

由于試驗(yàn)條件限制，非飽和土的土水特征曲線和滲透性函數(shù)均可由 Van Genuchten模型擬合［16－17］，模型參數(shù)采用同類土的試驗(yàn)值，如圖4、圖5所示。其中，駁岸組成為塊石，孔隙大，不存在毛細(xì)現(xiàn)象，故不考慮其土水特征曲線。

圖4 土水特征曲線

圖5 滲透性函數(shù)

2）物理力學(xué)參數(shù)的選取

各材料土體均不考慮各向異性，參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)選取，見表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3）分析工況

引水沖污工程使河水位漲落處于周期變化中，考慮周期為一天，分析河水位不同升降型式下水位升降一天及多天駁岸岸坡穩(wěn)定性的變化情況。

取初始河水位4.2 m，終止河水位6.2 m，簡(jiǎn)化水位變動(dòng)情況，分析工況見表2所示。

表2 水位變化表

用曲線表示，如圖6所示。

圖6 水位變化曲線

2.3 滲流場(chǎng)模擬結(jié)果

以工況Ⅰ為例說(shuō)明河水位升降過程駁岸岸坡內(nèi)浸潤(rùn)線的響應(yīng)情況。將水位上升、穩(wěn)定和下降段的浸潤(rùn)線變化情況如圖7所示?？芍河捎诎镀峦馏w滲透系數(shù)較小，水流不能及時(shí)滲入、排出，整個(gè)過程，岸坡內(nèi)浸潤(rùn)線變化緩慢、滯后；埋入河床淤泥的駁岸段，由于前緣淤泥的阻水作用，在河水上升初期，水流不能及時(shí)流入駁岸，在水位下降后期，水分不能排出，岸坡內(nèi)的孔隙水壓力不能及時(shí)消散；駁岸排水性能好，未埋入河床的駁岸段浸潤(rùn)線與河水位變化一致。

圖7 工況I水位升降期間浸潤(rùn)線變化

2.4 穩(wěn)定性計(jì)算及分析

2.4.1 河水 次升降的模擬結(jié)果 圖8為4種工況下駁岸岸坡安全系數(shù)在水位升降一個(gè)周期的變化情況。對(duì)各工況進(jìn)行對(duì)比分析可知，在水位上升段，駁岸岸坡安全系數(shù)增加，對(duì)比工況Ⅰ和Ⅲ，上升越快，同一時(shí)刻邊坡越穩(wěn)定，這是由于坡外水壓力的作用，水位越高，這種作用越強(qiáng)烈；注意到在水位上升初期某時(shí)刻，穩(wěn)定性突然下降，表明河水開始流入駁岸，駁岸岸坡內(nèi)孔隙水壓力增加。在河水位穩(wěn)定段，水逐漸流入岸坡，浸潤(rùn)線抬升，孔隙水壓力增加，駁岸岸坡安全系數(shù)隨著時(shí)間慢慢減小，但幅度不大。在河水位下降段，隨著水位的降低，作用于坡面的靜水壓力減小，坡內(nèi)孔隙水壓力消散，但較慢，駁岸岸坡安全系數(shù)減小，對(duì)比圖8（a）和圖8（b）工況，下降速度越快，穩(wěn)定性下降也越快，當(dāng)河水位降至初始水位4.2 m時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最小。4種工況下駁岸岸坡的安全系數(shù)分別從0時(shí)的1.489降至24時(shí)的1.416、1.392、1.411、1.388。可知，水位下降使土體內(nèi)水壓力增加，穩(wěn)定性減小，且下降速率較上升速率對(duì)最終穩(wěn)定性的影響顯著。

圖8 4種工況安全系數(shù)隨時(shí)間變化

2.4.2 河水頻繁升降的模擬結(jié)果 引水沖污是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，河水頻繁升降是不可避免的結(jié)果，因而進(jìn)行水位頻繁變化對(duì)駁岸岸坡穩(wěn)定性的影響是必要的。

圖9 水位頻繁升降下安全系數(shù)的變化

圖9顯示了水位在4種升降型式作用下，駁岸岸坡安全系數(shù)隨天數(shù)的變化。可見，頻繁升降引起的穩(wěn)定性變化的總體趨勢(shì)是減小的。期間也有小幅的提高，是由于孔隙水壓力減小的結(jié)果，但這種影響很有限。

3 結(jié) 論

根據(jù)福州晉安河某段駁岸岸坡的工程地質(zhì)條件，結(jié)合清淤后河床高程，建立駁岸岸坡飽和 非飽和滲流計(jì)算模型，考慮引水沖污工程的影響，簡(jiǎn)化水位變動(dòng)條件，分析了河水位不同升降型式對(duì)駁岸岸坡穩(wěn)定性的影響，得出了以下結(jié)論：

1）對(duì)比4種河水位升降型式，水位上升越快，駁岸越穩(wěn)定，較大的水位下降速度則安全系數(shù)減小的越快。結(jié)合升降過程穩(wěn)定性的變化，水位下降速度較上升速度對(duì)駁岸岸坡的影響更顯著。在實(shí)際的引水沖污工程中，應(yīng)做好下降段速度的控制和坡內(nèi)孔隙水壓力的排泄。

2）河水位一次升降后，駁岸坡腳堆積的淤泥阻止坡體內(nèi)孔隙水的及時(shí)排泄，對(duì)穩(wěn)定性不利，但直接清除淤泥相當(dāng)于解除了坡腳的反壓作用，對(duì)穩(wěn)定性也不利，工程上可通過置換坡腳淤泥為拋石等良好透水材料的措施來(lái)提高岸坡穩(wěn)定性。

3）岸坡土體的滲透性能較差，在頻繁的河水位升降過程孔隙水不易消散，穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，在降雨入滲、路面荷載等因素的綜合影響下，易產(chǎn)生整體滑移。

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（編輯 詹燕平）

Analyses on Stability of Saturated-Unsaturated Bank Slope with Revetment During Rise and Fall of River Level

Jian Wenbin，Ye Qi

（College of Environment and Resources，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108）

The bank slope failure is closely related to the rise and fall of river level generally.In order to analysis the influence of the rise and fall of river level on Jin’an River bank slope stability in Fuzhou，the saturated-unsaturated seepage of bank slope with revetment was modelled based on the engineering geological condition of some bank of Jin’an River，and the effect of rise and fall of river induced by the DRWWOS（Drawing River Water to Wash Out Sewage）project on bank slope stability was studied.The results show the silt lying on the slope toe impedes pore water change，manifesting as in its sphere of influence river water is hard to flow into the bank when river rises，and the pore water pressure can not dissipate in time when drawdown.The faster the river rises，the more stable the bank slope becomes.On the contrary，the larger river level falling rate is more likely to leads to bank slope failure.Due to the poor bank drainage performance，the frequent rise and fall of river level results in pore water pressure increasing further，then impairing the bank slope stability.During DRWWOS project，the river level falling rate control and pore water pressure dissipation must be paid enough attention to.Also，replacing silt lying on the slope toe by good permeable material is a good choice to reinforce the bank slope.

revetment；bank slope；rise and fall of river level；seepage；stability

P642.22

A

1674-4764（2013）S2-0129-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.033

2013-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（41072232）

簡(jiǎn)文彬（1963-），男，教授，主要從事巖土工程與工程地質(zhì)研究，（E-mail）jwb＠fzu.edu.cn。