張振華, 王 亮, 劉 武

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009;2.三峽大學 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002)

三峽庫區(qū)動水壓力型土質(zhì)滑坡排水管布置優(yōu)化
——以臥沙溪滑坡為例

張振華1,2, 王 亮1, 劉 武1

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009;2.三峽大學 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002)

[目的] 為降低動水壓力型滑坡體內(nèi)的動水壓力，提高其穩(wěn)定性，采取布設(shè)水平排水管的措施對該類型滑坡進行治理，并對排水管的布設(shè)方案進行優(yōu)化，為同類滑坡的加固設(shè)計以及獲得高效合理的排水管布設(shè)方案提供參考。 [方法] 利用土體級配曲線，采用間接方法近似確定滑體土土—水特征曲線，并嘗試通過 Fredlund&Xing函數(shù)模型預(yù)測獲得滑體土非飽和滲透函數(shù)曲線。采用均勻設(shè)計方法、有限元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的綜合集成方法開展排水管布設(shè)方案優(yōu)化研究。 [結(jié)果] 獲得了臥沙溪滑坡最優(yōu)的排水管布設(shè)方案為：管長L為26.6 m，間距D為6.88 m，傾斜角θ為7.3o。 [結(jié)論] 采用該排水方案加固后的滑坡安全系數(shù)為1.101，大于設(shè)計安全系數(shù)1.10，滿足滑坡加固安全與經(jīng)濟的要求。

動水壓力型滑坡； 滲透性； 排水管

已有的研究[1-3]表明，三峽水庫水位驟降對動水壓力型滑坡的穩(wěn)定性不利。比如，三峽庫區(qū)的樹坪滑坡、白水河滑坡和臥沙溪滑坡等，都是在庫水位下降的工況下發(fā)生了較大的變形[4，5，12]。由于動水壓力型滑坡的巖土體滲透性比較差，在庫水位下降的過程中地下水不能及時排出，坡體內(nèi)地下水位的下降速度小于水庫水位的下降速度，導(dǎo)致坡體內(nèi)水力梯度增大而引起動水壓力明顯增大，滑坡受到由坡內(nèi)指向坡外的動水壓力作用[5]，致使其穩(wěn)定性降低，甚至引起滑坡的變形破壞和滑動。目前已有部分學者對三峽水庫水位下降條件下的滑坡穩(wěn)定性進行分析。例如，王錦國等[6]通過對三峽庫區(qū)猴子石滑坡地下水動力場進行分析，發(fā)現(xiàn)庫水位從175 m下降至145 m時所受動水壓力為正常蓄水位時的13倍，對滑坡的穩(wěn)定性極為不利；向玲[7]、盧書強等[4]研究表明，隨著庫水位下降，由于滑坡巖土體的滲透性較差，滑坡受到從內(nèi)到外的滲透動水壓力作用，使得滑坡的穩(wěn)定性降低。從已有的文獻來看，學者們雖然研究了庫水位下降條件下動水壓力對土質(zhì)堆積體岸坡穩(wěn)定性的影響，但沒有提出有效的加固方案來降低該工況條件下坡體內(nèi)的動水壓力(即地下水位)。目前，常見的水庫岸坡降低地下水位的措施主要有排水洞、集水井抽水、虹吸排水、水平排水和滲溝等[8]。由于水平排水管具有施工簡單、工期短、維護方便和經(jīng)濟等優(yōu)點，也是經(jīng)過工程檢驗較為有效的排水措施之一[8-11]，因此水平排水管在滑坡的治理工程中得到了廣泛應(yīng)用。水平排水管的排水降壓效果主要取決于排水管的布設(shè)方案，而在實際工程中，水平排水管的布設(shè)方案通常是按照規(guī)范，或者是根據(jù)經(jīng)驗、井流公式等進行簡單設(shè)計，為了保證排水的效果而盲目的增加排水管數(shù)量，造成工程上不必要的浪費[8]。為了經(jīng)濟有效地降低庫水位下降條件下動水壓力型滑坡的地下水位，科學合理地確定水平排水管的布設(shè)方案是非常必要的。鑒于此，本研究以三峽庫區(qū)典型動水壓力型滑坡——臥沙溪滑坡為例，采用均勻設(shè)計方法、有限元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的綜合集成方法，對水平排水管布設(shè)方案進行優(yōu)化研究。

1 臥沙溪滑坡概況

臥沙溪滑坡位于長江支流青干河的右岸，屬于秭歸縣沙溪鎮(zhèn)梅坪村?；戮嗲喔珊酉掠巫蟀兜那⑵捍笮突录s1.5 km，距河口約6 km，距三峽壩址約50 km[12]?；缕矫嫔峡傮w呈“圈椅”狀，近南北向?；麦w縱長(南北方向)約250 m，橫向平均寬度約200 m，厚度約15 m，體積約7.50×105m3[12]?；潞缶壩挥诟叱碳s225 m的村級公路上，前緣剪出口高程約105 m，坡度為15o～30o[13]。該滑坡為土質(zhì)滑坡，滑體物質(zhì)主要由第四系全新統(tǒng)崩坡積碎塊石土、殘坡積土組成，成分為黏性土夾砂巖、泥巖塊碎石，具有弱透水性[13]?；瑤樯细不w與下伏基巖的接觸面，由紫紅色黏土夾少量碎石組成，碎石成分復(fù)雜，主要為黃褐色泥質(zhì)粉砂巖，稍密—密實，具有弱—微弱透水性；滑帶形態(tài)總體上陡下緩，厚度約為0.3～0.8 m[13]?；不鶐r為侏羅系中—下統(tǒng)灰綠色厚—巨厚層狀長石石英砂巖、粉細砂巖夾少量紫紅色粉砂質(zhì)黏土巖、泥巖，呈厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，具有弱透水性[13]。巖層總體產(chǎn)狀100o∠25o，走向與岸坡總體走向大角度相交，屬斜向結(jié)構(gòu)岸坡[13]。根據(jù)參考文獻[12-13]給出的滑坡GPS位移監(jiān)測點(wsx1—3)記錄的位移隨庫水位變化關(guān)系曲線(圖1)，可知滑坡在每年庫水位下降期(4—6月)的位移變化較同一庫水位變化周期內(nèi)的其他時段明顯得多，屬于典型的動水壓力型滑坡。

圖1 滑坡累計位移—庫水位—時間關(guān)系

2 排水管布設(shè)方案設(shè)計

大量的研究[14-17]表明，影響排水效果的主要因素有管徑，管長，排距，傾角，管間距等。假設(shè)對5個影響排水效果的因素都取5個水平，若考慮全部因素的各水平相互組合，則排水管布設(shè)方案達到55=3 125種，就此進行優(yōu)化研究會因為工作量太大而難以實現(xiàn)，必須從中選擇部分具有代表性的組合方案進行試驗，即對布設(shè)方案進行科學合理的設(shè)計。均勻設(shè)計方法是王元和方開泰于1978年提出的試驗設(shè)計技術(shù)，其數(shù)學原理是數(shù)論中的一致分布理論，只考慮試驗點在試驗范圍內(nèi)的均勻分布，即“均勻分散”性，忽略“整齊可比”性，使試驗點均衡地分布在試驗范圍內(nèi)，而且有充分的代表性[18]。若按3因素6水平的排列組合進行方案設(shè)計，共計63=216種布設(shè)方案；而依據(jù)均勻設(shè)計原理，若采用均勻設(shè)計表U24(63)，則具有代表性的排水布設(shè)方案僅需要24種方案。由此可見，采用均勻設(shè)計方法可以大大地減少排水管布設(shè)方案的數(shù)量，既具有代表性，又能合理反映所有可能出現(xiàn)的試驗組合特征。采用均勻設(shè)計方法設(shè)計排水管布設(shè)方案，首先應(yīng)確定影響排水效果的因素及其水平，然后選取合適的均勻設(shè)計表設(shè)計排水管布設(shè)方案。

2.1 排水管布設(shè)所考慮的因素及其水平

根據(jù)參考文獻[15-16]的研究，在管徑R的通常取值范圍內(nèi)，管徑的大小對邊坡排水效果有一定影響，但是影響不明顯，試圖通過增大排水管的管徑來達到更好的排水效果，不僅達不到預(yù)期的效果，反而會使施工難度和費用的增大。

故本文不把排水管徑R作為排水管優(yōu)化的參數(shù)，僅考慮影響排水效果的管長L、傾角θ和排距D這3個因素。根據(jù)文獻[19]，確定3個影響因素的取值范圍：管長L取5～30 m，排距D取2～7 m，傾角θ取5o～10o。對每個影響因素分為6個水平，具體計算結(jié)果詳見表1。

表1 排水管布設(shè)方案影響因素水平

2.2 按均勻設(shè)計表確定試驗方案

根據(jù)表1,選擇出合適的均勻設(shè)計表U24(63)和U6(63)(共30種代表性排水管布設(shè)方案,表2—3)。其中表2的樣本用于下文關(guān)于水平排水影響因素與排水效果之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，表3中的樣本用于該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程中的預(yù)測檢驗。

表2 排水管布設(shè)方案均勻設(shè)計〔U24(63)〕

表3 排水管布設(shè)方案均勻設(shè)計〔U6(6)3)〕

3 不同排水管布設(shè)方案的排水效果

3.1 有限元計算網(wǎng)格模型

根據(jù)參考文獻[12-13]提供的臥沙溪滑坡地質(zhì)資料，建立該滑坡主滑剖面A-A’的有限元計算網(wǎng)格模型。采用四邊形單元進行剖面的網(wǎng)格劃分，共劃分單元3 872個、節(jié)點3 845個。

3.2 計算參數(shù)

3.2.1 巖土體常規(guī)物理力學參數(shù) 根據(jù)臥沙溪滑坡巖土體的物理力學參數(shù)建議取值等資料，通過工程類比和參數(shù)反演分析，綜合確定有限元數(shù)值計算參數(shù)值(表4)。使用“空氣單元法”來模擬排水管，即將排水管的滲透系數(shù)設(shè)置成遠大于周邊滲流介質(zhì)的滲透系數(shù)(可將二者的比值設(shè)置成等于500[8])來模擬排水管的排水性能。

表4 滑坡巖土體常規(guī)物理力學參數(shù)

3.2.2 滑體土土—水特征曲線和滲透函數(shù)曲線 經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查顯示滑帶土和滑床巖體長期處于飽和狀態(tài)，其滲透特性可以用飽和滲透系數(shù)來表征，具體參數(shù)值詳見表4庫水位下降過程中，滑坡土體從飽和狀態(tài)逐漸向非飽和狀態(tài)過渡，故需采用非飽和非穩(wěn)定滲流分析方法對該滑坡滲流場進行分析。根據(jù)非飽和非穩(wěn)定滲流理論，非飽和滲流分析需要確定土體的土—水特征曲線(SWCC)、非飽和滲透系數(shù)等相關(guān)參數(shù)[20]。

土—水特征曲線描述了非飽和土基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系。通過試驗方法直接測定堆積體滑坡土體的土—水特征曲線是比較困難的，因此很多學者通過間接方法推測土—水特征曲線，如經(jīng)驗公式方法、物理經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⒎中蛶缀畏ǖ萚21]?？子綮车萚22]利用均勻土柱模型的毛細管理論推導(dǎo)出特定粒徑顆粒堆積物中毛細水上升高度，據(jù)此構(gòu)造出由土體級配曲線近似確定土—水特征曲線的物理經(jīng)驗?zāi)Ｐ停o出了土—水特征曲線的預(yù)測公式(1)—(3)，并證明該模型是可行的，由于該方法合理易行，故采用該方法預(yù)測土—水特征曲線。

S=P(d)

(1)

d=6σRou/〔(1+e)γwh〕

(2)

InRou=aln(h)+b

(3)

式中:S——飽和度；P(d)——級配函數(shù)；d——粒徑； σ——水的表面張力系數(shù)； γw——水的重度；e——孔隙比；Rou——修正系數(shù)；h——吸力水頭；a，b——擬合參數(shù)，利用非飽和土數(shù)據(jù)庫UNSODA中406中土樣的測量數(shù)據(jù)對參數(shù)a，b進行分析，分析

結(jié)果顯示a，b與級配和孔隙比無關(guān)，可能受土的礦物組成影響較大[22]。

確定顆粒堆積體土—水特征曲線的主要步驟包括：首先，確定擬合參數(shù)a、b的取值(本文采取文獻[22]統(tǒng)計的平均值a=0.439 7，b=4.495 0)，其次，根據(jù)公式(3)計算不同h值所對應(yīng)的修正系數(shù)Rou；然后，將a，b，Rou和不同的h值代入公式(2)得到相應(yīng)的d值，再由公式(1)計算對應(yīng)的飽和度S；最后，通過飽和度S計算體積含水量，就可以得到吸力水頭—體積含水量曲線，即SWCC曲線。

圖2 滑體土顆粒大小分布曲線

通過臥沙溪滑坡滑體土的顆粒分析試驗獲得其級配曲線(圖2)。

根據(jù)上述步驟確定的滑體土土—水特征曲線(圖3)和試驗所得飽和滲透系數(shù)，嘗試通過Fredlund&Xing函數(shù)模型[23]預(yù)測獲得滑體土的滲透函數(shù)曲線(圖3)。

圖3 滑體的土—水特征曲線和滲透函數(shù)曲線

3.3 計算工況

由于動水壓力型滑坡在庫水位下降期對滑坡的穩(wěn)定性最為不利，結(jié)合三峽水庫的調(diào)度方案，水庫水位下降是從壩前正常蓄水位175 m降至防洪限制水位145 m，下降速度一般采用1.2 m/d[24]。因此，確定計算工況為：庫水位以1.2 m /d的下降速度從175 m下降至145 m。

3.4 滲流場模擬和安全系數(shù)計算

3.4.1 滲流場模擬 根據(jù)表2—3中的共30個排水管布設(shè)方案，采用Geo-Studio巖土工程數(shù)值分析軟件中的SEEP/W模塊，對滑坡進行瞬態(tài)滲流分析，得到地下水位線分布、孔隙水壓力分布等數(shù)據(jù)。圖4分別為水位從175 m降至145 m時無排水和有排水的滑坡滲流場分布，一般排水管的排水效果可用排水管出水量來衡量。由于排水管較多，且不同時刻排水管的出水量變化較大，故通過排水管出水量衡量排水效果不太合適。排水管的出水量，可以通過滲流場數(shù)值計算結(jié)果中有排水措施條件下坡體地下水位線相對無排水措施的地下水位線下降的區(qū)域面積來表征。因此，本文通過對有無排水措施條件下的地下水位線的對比分析，計算獲得庫位從175 m降至145 m時設(shè)置與未設(shè)置排水管條件下地下水位線之間的區(qū)域面積S(以下簡稱面積S)，見表6—7；并將面積S(圖5)作為衡量排水效果的指標。

注：圖中的數(shù)值為總水頭(m)。圖4 庫水位從175 m下降至145 m時滑坡滲流場分布

圖5 庫水位從175 m降至145 m時方案16(有排水)與無排水方案地下水位線之間的面積

3.4.2 安全系數(shù)計算 根據(jù)有、無排水措施條件下的滑坡滲流場模擬結(jié)果，通過Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊，采用Morgenstern-Price方法計算出1個無排水措施的滑坡安全系數(shù)(表5)和30個有排水措施方案對應(yīng)的滑坡安全系數(shù)(表6—7)。

表5 庫水位從175 m下降至145 m無排水 措施情況下的滑坡安全系數(shù)

水位高程/m175157145安全系數(shù)129411181035

4 排水管布設(shè)方案優(yōu)化

運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)建立排水管布設(shè)參數(shù)(管長L、傾角θ和排距D，詳見表1)與面積S及安全系數(shù)Fs之間的非線性映射關(guān)系。通過對結(jié)果的初步分析，發(fā)現(xiàn)排水效果越好(即面積S越大)時，滑坡的安全系數(shù)越大，意味著滑坡越穩(wěn)定。當滑坡的安全系數(shù)達到規(guī)范[24]要求的設(shè)計安全系數(shù)1.10時，再增大排水效果就會提升工程造價。故出于排水方案的經(jīng)濟性考慮，方案優(yōu)化以面積S最小為目標函數(shù)，以滑坡安全系數(shù)Fs大于1.10為約束條件，再利用遺傳算法(GA)在參數(shù)取值范圍內(nèi)搜索出最優(yōu)的布設(shè)參數(shù)。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法的排水管方案優(yōu)化數(shù)學模型可歸納為：

對于約束的處理，采用簡單的罰函數(shù)法。即在計算目標函數(shù)前，首先計算滑坡安全系數(shù)(表6-7)并判斷其穩(wěn)定性，對安全系數(shù)Fs小于1.10的方案，在其面積S基礎(chǔ)上加上1 000[25]。

布設(shè)參數(shù)與面積S及穩(wěn)定性FS之間映射關(guān)系模

型為：

式中：F——滑坡排水加固后的安全系數(shù)；S——地下水位線之間區(qū)域面積；L，θ，D——排水管布設(shè)參數(shù)； ANN——BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；n，m——代表網(wǎng)絡(luò)輸入層和輸出層的維數(shù)；h——隱含層節(jié)點數(shù)；p——隱含層數(shù)；Fs——規(guī)范規(guī)定的設(shè)計安全系數(shù)，取1.10。

表6 24種排水管布設(shè)方案的滲流和穩(wěn)定性分析

表7 6種排水管布設(shè)方案的滲流和穩(wěn)定性分析結(jié)果

經(jīng)過遺傳操作，進化到第68代，最終搜索出的最優(yōu)方案為：排水管管長L為26.6 m，排距D為6.88 m，傾斜角θ為7.3o。

5 優(yōu)化效果評價

按照上述搜索出的最優(yōu)排水管布設(shè)方案，計算獲得采用該排水方案加固后的滑坡安全系數(shù)為1.101，比未加固時的安全系數(shù)1.035(表5)提升了6.4%，使得滑坡從欠穩(wěn)定狀態(tài)提升至穩(wěn)定狀態(tài)，大于規(guī)范規(guī)定的設(shè)計安全系數(shù)1.10，滿足安全要求。

6 結(jié) 論

(1) 通過顆分試驗獲得滑體土的級配曲線，基于滑體土的級配曲線，采用間接方法，近似確定了滑體土的土—水特征曲線；根據(jù)土體的土—水特征曲線和飽和滲透系數(shù)，嘗試通過Fredlund &Xing函數(shù)模型預(yù)測獲得了滑體土的非飽和滲透函數(shù)曲線。

(2) 獲得了臥沙溪滑坡最優(yōu)的排水管布設(shè)方案為：管長L為26.6 m,間距D為6.88 m,傾斜角θ為7.3°；采用該排水方案加固后的滑坡安全系數(shù)為1.101，大于設(shè)計安全系數(shù)1.10，滿足滑坡加固安全與經(jīng)濟的要求。

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Layout Optimization of Horizontal Drainage Pipes for Typical Hydrodynamic Pressure Landslide in Three Gorges Reservoir Area —A Case Study at Woshaxi Landslide

ZHANG Zhenhua1,2, WANG Liang1, LIU Wu1

(1.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui, 230009,China; 2.CollaborativeInnovationCenterforGeo-HazardsandEco-EnvironmentinThreeGorgesArea,Yichang,Hubei443002,China)

[Objective] In order to reduce the hydrodynamic pressure of such pressure induced landslide and improve the slope stability, horizontal drain pipes were built in a potential landslide slope using a optimized layout scheme to provide references for reinforcement design for similar landslides. [Methods] Grain size distribution curve of sliding mass was obtained by size distribution testing firstly. Based on which, the soil-water characteristic curve of sliding mass was determined approximately and indirectly, and permeability function of sliding mass was predicted by Fredlund & Xing function model. Uniform design method, finite element method, neural network and genetic algorithm were taken to carry out the optimization of the layout scheme of horizontal drain pipes. [Results] The optimized scheme for Washaxi landslide had a pipe length of 26.6 m, a spacing distance of 6.88 m and a dip angle of 7.3o. [Conclusion] If the optimized scheme is adopted to reinforce the landslide, the factor of safety is 1.101, which is greater than design factor of safety 1.10. The scheme could satisfy the requirements both in safety and economy.

hydrodynamic pressure landslide; permeability; horizontal drainage pipes

2016-06-19

2016-06-30

國家自然科學基金項目“水庫運行期消落帶紅層砂巖強度劣化的物理化學機制研究”(51579063)，“水庫岸坡消落帶紅層砂巖軟化崩解機理及強度演化規(guī)律研究”(51579063); 中央高校基本科研專項(JZ2015HGBZ0480)

張振華(1977—),男(漢族),福建省政和縣人,博士,教授,主要從事水庫岸坡穩(wěn)定性分析評價與加固研究。E-mail:zenithzhang@sina.com。

王亮(1990—),男(漢族),河南省泌陽縣人,碩士研究生,研究方向為水工結(jié)構(gòu)。E-mail:wangl0154@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.1205.001

B

1000-288X(2016)06-0139-07

TV697.3

文獻參數(shù)： 張振華, 王亮, 劉武, 等.三峽庫區(qū)動水壓力型土質(zhì)滑坡排水管布置優(yōu)化[J].水土保持通報，2016,36(6)：139-145.