丁靜聲，袁 猛

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

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庫水位上升對V型沖溝超高路堤穩(wěn)定性的影響

丁靜聲，袁 猛

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

三峽水庫水位季節(jié)性上漲對庫岸超高路堤穩(wěn)定性有顯著影響，庫水位上升后在孔隙水壓力和滲流作用下，水流不斷從坡外向坡內(nèi)滲透?；跐B流計算理論，運用FLAC軟件模擬了庫水位從145 m上升至155，165，175 m時庫區(qū)V型沖溝超高路堤滲流場變化；分析了坡體飽和度、孔隙水壓力、水平位移及最大剪應變增量的變化規(guī)律；研究了水位上升、水位上升和三維效應、水位上升和三維效應及超載兩倍等3種工況下路堤安全系數(shù)隨庫水位上升至150，155，160，165，170，175 m時的變化關系。研究表明：隨庫水位上升，坡體飽和度升高，孔隙水壓力增大，飽和浸潤線向坡內(nèi)傾斜；3種工況路堤安全系數(shù)都增大，至175 m時安全系數(shù)達到最大，安全系數(shù)變化率為先減小后增大；庫水位每上升5 m，3種工況下的路堤安全系數(shù)平均增大幅度約為5%。

道路工程；V型沖溝；超高路堤穩(wěn)定性；安全系數(shù)；滲流場；飽和浸潤線

0 引 言

庫壩區(qū)V型沖溝超高路堤穩(wěn)定性不僅受自身所處地形地質(zhì)條件影響，而且?guī)焖粷q落也會打破原有地質(zhì)環(huán)境平衡，甚至誘發(fā)路堤失穩(wěn)。中村浩之等[1]在對日本的庫區(qū)滑坡研究中發(fā)現(xiàn)，上升時期(包括初期蓄水)發(fā)生的滑坡約占40%，水庫區(qū)水位驟降時期發(fā)生的滑坡約占60%。據(jù)查，2003年7月13日三峽庫區(qū)千將坪滑坡主要是因為庫水位上升而引起[2]。

近年來，國內(nèi)外眾多研究者采用極限平衡法、強度折減法、Mohr-Coulomb強度準則、數(shù)值模擬及有限元法等方法從不同角度探討了庫水位漲幅對庫區(qū)路堤體穩(wěn)定性的影響。N.Morgenstern[3]基于極限平衡法假定在不考慮孔壓消散的基礎上研究庫水位變化與邊坡安全系數(shù)的關系，得出安全系數(shù)隨著庫水位的上升而增大；R.A.Sevaldson[4]認為地下水的上升是導致邊坡失穩(wěn)的主要原因；D.V.Grifftths[5]和P. A. Lane等[6]利用強度折減法分析了水位變化對邊坡安全系數(shù)的影響，得出邊坡安全系數(shù)隨著庫水位上升呈先變小后變大的結論；劉才華等[7]采用Mohr-Coulomb強度準則從孔隙水壓力角度探討了庫水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機理；劉建軍等[8]利用有限元數(shù)值模擬分析了龍灘水電站蓄水前后左岸進水口高邊坡的地下水各種滲流情況，并通過比較分析了庫水位對邊坡地下水滲流的影響程度；黃波林等[9]運用摩根斯坦-普賴斯法分析了在三峽水庫蓄水后香溪河流域眾多滑坡出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象，研究表明滑體的滲透性是影響滑坡響應時間的主要因素，不同水位線下穩(wěn)定性系數(shù)曲線的變化規(guī)律與浸水部位密切相關；陳湘桂等[10]應用SLOPE/W程序?qū)δ硯靺^(qū)坡體進行模擬分析得隨著庫水位上升滲流運動和穩(wěn)定性狀況。

筆者基于飽和-非飽和理論和滲流理論，以奉節(jié)東立交超高路堤為研究對象，根據(jù)三峽水位調(diào)控方案，運用FLAC軟件模擬庫水位上升后路堤內(nèi)主要參數(shù)變化狀況，分析水位上升至155，165，175 m時滲流場變化，計算水位從145 m計每上升5 m至不同高度與路堤安全系數(shù)之間的關系，并得到庫水位上升后V型沖溝超高路堤穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 奉節(jié)東立交狀況

1.1 區(qū)內(nèi)路堤高填方概況

以杭蘭線重慶奉節(jié)—云陽高速公路奉節(jié)東立交處超高填方為研究對象，其地形地貌平面示意如圖1，其中心填方高度47.5 m，外邊坡填方高度達83 m，路基坡頂至坡腳的水平距離為139.5 m，平均填方高度35 m，土石方總量達50多萬m3，屬于三峽庫區(qū)超高填方路堤。

圖1 東立交V型沖溝地貌平面示意

1.2 區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)狀況

1.2.1 區(qū)內(nèi)氣候地質(zhì)地形條件

奉節(jié)東立交處于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量充沛。奉節(jié)東立交范圍內(nèi)路堤填料主要為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥質(zhì)灰?guī)r。區(qū)內(nèi)與財神梁隧道相連，地形陡峭，山嶺連綿，溝谷縱深，地貌受地質(zhì)構造、巖性控制明顯，山嶺走向與東西向、地層走向及區(qū)域構造線基本一致。

1.2.2 區(qū)內(nèi)水位變化狀況

奉節(jié)東立交位于長江支流梅溪河棺材支溝上，受三峽水庫水位變幅影響較大，特別是季節(jié)性交替和三峽庫區(qū)水位控制，會使得河水水位最大漲落幅度超過30 m。一年中水位變化如圖2。每年6—9月水位最低，壩前蓄水位保持約145 m；10月為汛期，庫區(qū)水位上升最快時期，平均上升速度約為1 m/d，水位升高至175 m，上升幅度達約30 m?？梢钥闯?，一年中10月也是水位變化幅度最快的時期。大幅度水位變化將較大程度上改變原水位狀態(tài)下的路堤平衡狀態(tài)，對庫區(qū)路堤穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖2 三峽水庫調(diào)節(jié)水位漲落

2 基礎理論和建立模型

2.1 滲流計算理論

飽和-非飽和滲流方程服從達西定律，隨著庫水位上升，在滲流作用下，坡體由非飽和狀態(tài)至飽和狀態(tài)滲流控制方程[11]為：

(1)

2.2 相對滲透定律

通過Van Genuchten模型[11]和表征飽和度Sw與相對滲透率的Van Genuchten-Mualem模型[12]結合：

(2)

(3)

(4)

非飽和土填料的黏聚力[13]可表示為：

C=(Sw)uwtanφ

(5)

γ=(ρd+nρSw)g

(6)

式中：C為土的黏聚力；φ為土的內(nèi)摩擦角；γ為土填料容重；n為孔隙率；ρd為土填料干密度；ρ為水的密度；其他符號同前。

2.3 模型邊界條件

選取位于奉節(jié)東立交處超高路堤填方作為計算模型(如圖3)，將路堤斷面分填方和基巖均服從Mohr-Coulomb屈服準則。

圖3 路堤高填方幾何尺寸(單位：m)

選取庫水位上升至不同水位高度(以145 m為初水位，每上升5 m為間隔計，直至175 m)，選擇水與路堤流固耦合算法，運用FLAC有限元軟件中的config tpflow模塊進行計算。初始壓力場考慮填料自重初始應力場及以初水位高為145 m時產(chǎn)生的水壓力場，模型遵循以下約束：

1)模型底面設為不透水邊界，右側面邊界為不透水邊界，左側坡面為透水邊界。初始水位以下為常水位(145 m)水頭邊界，固定水相飽和度為1。

2)氣相滲流邊界底面及由右側面設為不透氣邊界，左坡面為透氣邊界，大氣壓力設定為0。

3)路堤位移邊界底面基巖為固定約束，兩側面為水平約束。

2.4 參數(shù)選取

依托項目室內(nèi)常規(guī)試驗確定的泥灰?guī)r基巖參數(shù)值和填筑超高路堤的隧道洞渣巴東組泥灰?guī)r填料參數(shù)值見表1，基巖和填料均服從Mohr-Coulomb本構模型，利用Van Genuchten公式插值代替水-土特征曲線和滲透性函數(shù)插值得出填料孔隙率、飽和滲透系數(shù)及VG模型參數(shù)見表2[14]。

表1 填料和基巖計算參數(shù)

表2 填料計算參數(shù)

3 初水位時路堤滲流及穩(wěn)定性分析

3.1 初水位時超高路堤滲流分析

初水位時坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，飽和浸潤線以下的土體飽和度為1，孔隙水壓力由0逐漸增加；在毛細作用下，飽和浸潤線以上的土體飽和度由1逐漸減至0，孔隙水壓力則由0逐漸減小至負值呈基質(zhì)吸力；飽和度和孔隙水壓力云圖如圖4、圖5。庫水位高度、飽和浸潤線與飽和度及孔隙水壓力等值線位于同一水平線；飽和度各層等值線分布差異較大，而孔隙水壓力等值線則分布較均勻。飽和浸潤線以上的填料由于孔隙壓力的變化而產(chǎn)生基質(zhì)吸力?；|(zhì)吸力對浸潤線附近的路堤土體飽和度影響較大，而對較高處土體飽和度影響較小。

圖4 飽和度云圖

圖5 孔隙水壓力云圖

3.2 初水位時超高路堤穩(wěn)定性分析

初水位狀態(tài)下，飽和浸潤線以下土體是飽和的，浸潤線以上土體孔隙局部填充而未達飽和。運用FLAC內(nèi)置FISH功能編寫填料的容重、內(nèi)摩擦角、黏聚力與飽和度相關函數(shù)式(5)、式(6)的運算語句由軟件自動計算其變化值。土體空隙中的水氣流動形成穩(wěn)態(tài)流后，利用強度折減法計算剪切強度參數(shù)逐漸減小至路堤失穩(wěn)，以數(shù)值計算收斂性作為路堤失穩(wěn)依據(jù)，再以失穩(wěn)時的安全系數(shù)作為折減倍數(shù)反算得到路堤失穩(wěn)時的剪切強度參數(shù)，并獲得失穩(wěn)時的水平位移和滑動面最大剪應變增量見圖6和圖7，路堤達到失穩(wěn)臨界狀態(tài)，最大水平位移出現(xiàn)在邊坡坡腳處，在填料自重作用下，因坡體受基巖豎直方向的約束，路堤坡腳有向外變形和滑動的趨勢，滑動面整體貫穿于整個邊坡。

圖6 水平位移云圖

圖7 最大剪應變增量云圖

4 水位上升后路堤滲流及穩(wěn)定性分析

4.1 水位上升后路堤滲流分析

在庫水位上升過程中，坡面的水頭壓力和坡體重力增大，引起路堤內(nèi)部滲流場的變化，打破原水位下路堤內(nèi)部流體的平衡，飽和度云圖如圖8，被水位線覆蓋的路堤土體逐漸達到飽和，在滲流作用下，飽和土的范圍逐漸向坡內(nèi)擴展，此時路堤飽和浸潤線呈現(xiàn)凹形，隨著水位不斷升高，靠近坡面一側飽和浸潤線抬高的趨勢愈明顯。

圖8 飽和度云圖

水流持續(xù)填充填料空隙，路堤內(nèi)部孔隙壓力也在不斷地調(diào)整變化，其云圖見圖9，路堤內(nèi)部在孔隙水壓力作用下不斷調(diào)整，飽和浸潤線與正孔隙水壓力等值線不斷上升，靠近坡面的飽和浸潤線上升速度較快，向坡內(nèi)傾斜程度隨之愈陡。

圖9 孔隙水壓力云圖

4.2 水位上升后超高路堤穩(wěn)定性分析

4.2.1 水位上升高度與路堤安全系數(shù)變化分析

隨著水位上升至不同高度，飽和度云圖及孔隙水壓力云圖表明飽和浸潤線向坡內(nèi)傾斜程度越明顯越有利于路堤穩(wěn)定性。庫區(qū)處于V型沖溝復雜的地形地質(zhì)條件下，影響高填路堤穩(wěn)定性的因素較多，筆者主要分析在水位上升的同時考慮庫區(qū)三維效應[15]和車輛荷載等因素對路堤穩(wěn)定性影響。

奉節(jié)區(qū)域貨車超載嚴重，且超載兩倍左右較多；假設以超載兩倍[14]計算，超載兩倍按坡頂荷載和坡間荷載等效為均布兩倍荷載，荷載相關參數(shù)按JTG B01—2003《公路工程技術標準》公路一級取值，3種工況如下：

工況1：水位上升；

工況2：水位上升 + 三維效應；

工況3：水位上升 + 三維效應 + 超載兩倍。

庫水位每升高5 m，各工況下路堤安全系數(shù)如圖10，3種工況下高填路堤安全系數(shù)都隨著庫水位上升而不斷增大，庫水位上升至175 m時安全系數(shù)最大，且安全系數(shù)變化率隨著庫水位上升先稍減小后增加，原因主要是路堤邊坡浸潤線的變化短時間內(nèi)稍滯后于庫水位的變化后才趨于穩(wěn)定。3種工況下路堤安全系數(shù)平均變化幅度約為5%，這表明庫水位上升有利于路堤穩(wěn)定性。比較3種工況的安全系數(shù)知，上升相同水位高度，工況2安全系數(shù)最大；工況1安全系數(shù)最小。說明考慮沖溝的三維效應對路堤穩(wěn)定性有較為明顯。

圖10 安全系數(shù)高度隨水位上升變化

4.2.2 水位上升后路堤穩(wěn)定性分析

為了分析水位上升后高填方路堤巖土體的力學響應特性、坡體的變形及坡體的失穩(wěn)機理情況，運用FLAC進行計算，工況3條件下水位上升后水平位移云圖和最大剪應變?nèi)鐖D11、圖12，水位上升至不同高度其水平位移和最大剪應變表現(xiàn)出明顯差異。庫水位高度小于155 m，路堤的水平位移和滑動面與庫水位上升前沒有顯著區(qū)別，整體路堤主要發(fā)生彈性形變，滑動面為弧面；路堤穩(wěn)定性系數(shù)提高幅度較小，堤外的水頭壓力及水流滲透力對路堤穩(wěn)定性影響有限，失穩(wěn)狀況不明顯。

圖11 水平位移云圖(H=155 m)

圖12 最大剪應變增量云圖(H=155 m)

水位上升至165 m時水平位移和最大剪應變增量變化云圖見圖13、圖14。水平位移和滑動面比水位上升前有顯著變化，在孔隙水壓力和坡體重力作用下局部土體已超過塑性極限強度發(fā)生屈服形變，土體應力應變有了明顯變化，飽和土的范圍不斷擴展至坡內(nèi)深處和坡頂，堤外的水頭壓力和孔隙水壓力對路堤穩(wěn)定性影響比較明顯，此時坡體滑動面雖未貫通但已經(jīng)產(chǎn)生屈服破壞，而路堤下滑力不變而抗滑力有較大提高，路堤安全系數(shù)比水位上升前得到大幅度升高。

圖13 水平位移云圖(H=165 m)

圖14 最大剪應變增量云圖(H=165 m)

水位上升最高至175 m，坡體水平位移和最大剪應變增量變化見圖15、圖16。水位上升至175 m和155 m水位時的最大剪應變增量分布為連續(xù)貫通面，但上半坡弧面更為深入，坡腳處應力應變更加集中，原因是受基巖豎直方向約束路堤下半部分滑體明顯受孔隙水壓力的反作用力，使腳前出口受到該反作用力限制，失穩(wěn)時滑體不再是整體滑動，路堤的破壞形式主要表現(xiàn)為路堤內(nèi)部局部屈服破壞。

圖15 水平位移云圖(H=175 m)

圖16 最大剪應變增量云圖(H=175 m)

由此可見，庫水位上升，坡體滑動面由整體至局部，路堤的應力應變形態(tài)隨水位上升而不斷調(diào)整變化，其反作用力會引起路堤高填方坡腳前緣變形加速，使安全系數(shù)不斷提高和路堤穩(wěn)定性增強。

5 結 論

基于滲流理論，利用有限差分法對庫區(qū)水位上升前后奉節(jié)東立交高填方路堤穩(wěn)定性進行分析，得到了庫水位由初水位上升至不同高度時超高路堤的飽和度、孔隙水壓力及最大剪應變增量變化狀況及路堤安全系數(shù)變化規(guī)律：

1)庫水位上升時，飽和浸潤線向坡內(nèi)傾斜；隨著水位上升至不同高度，浸潤線呈現(xiàn)上凹形態(tài)愈明顯；上升至175 m穩(wěn)定后，飽和浸潤線趨于穩(wěn)定。

2)水位上升至165 m前，水平位移及滑動面變化不明顯，坡體自坡頂剪入至坡腳剪出，滑動面是連續(xù)弧面，土體主要發(fā)生彈性形變；水位上升至165 m后，孔隙水壓力作用明顯，水平位移和滑動面比水位上升前有顯著變化，路堤內(nèi)局部土體主要發(fā)生塑性形變；水位上升至最高175 m，路堤滑體剪切口受到孔隙壓力反作用力抑制而不能自由整體滑動，路堤主要破壞形式為坡體內(nèi)部土體屈服破壞。

3)水位上升過程中，路堤內(nèi)部的孔隙壓力增大，路堤安全系數(shù)不斷增大，有利于路堤的穩(wěn)定性；當庫水位上升至175 m時，安全系數(shù)升至最大；且安全系數(shù)變化率隨著庫水位上升先減小后增加，3種工況下路堤安全系數(shù)變化幅度約為5%。

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Influence of Reservoir Water Level Rise on the Stability ofSuper High Fills over V-shaped Gully

Ding Jingsheng, Yuan Meng

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Natural fluctuation of water level has a great effect on the stability of super high fill in the Three Gorges Reservoir. With continuous rising of water levels, the water will actively infiltrate into the slope under the effect of pore water pressure and seepage flow in unsaturated soils. Firstly, based on seepage calculation theory, FLAC was applied to simulate the seepage field change of the V-shaped gully super high fill in the Three Gorges reservoir when the water level had been rising from 145m up to 155, 165, 175 m. Then, variation rules of important parameters including saturation, pore water pressure, horizontal displacement and maximum shear strain increment were analyzed. The relation between safety factors and different heights (150, 155, 160, 165, 170, 175 m) of rising of water level were researched in three working conditions, including rising of water level, rising of water level under 3D effect condition, rising of water level under 3D effect and two times as much as normal loads conditions. Eventually, calculation results show that: with water level continuously rising, the saturation of the fill increases, which will result in more concave saturated seepage line and higher pore water pressure; the safety factors of three kinds of working conditions are increased, up to the max level (175m), the stability safety factors reach the maximum. The change rate of safety factors decreases first and then increases. The water level rises up by each 5 m; the average safety factors increase about 5% in three working conditions.

road engineering; V-shaped gully; stability of super high fill; safety factor; seepage field; saturated seepage line

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.11

2014-09-29；

2015-01-19

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT1045)；重慶市交通委員會科技項目(2007 CQJTK 023)

丁靜聲(1972—)，男，廣西南寧人，副教授，博士，主要從事道路工程方面的教學與研究。E-mail：djsh66887889@163.com。

U416.1+2

A

1674-0696(2015)04-062-06