李宏沖

（1.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院，河南南陽473000；2.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南南陽473000）

不同渠水位及其驟降對灌溉渠塹坡穩(wěn)定性的影響分析

李宏沖1，2

（1.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院，河南南陽473000；2.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南南陽473000）

為了研究渠道內(nèi)不同水位及其驟降對飽和黏性土灌溉渠塹邊坡穩(wěn)定性的影響，本文結(jié)合某大型灌區(qū)渠塹典型斷面，利用SLOPE/W軟件分析了不同渠水位下渠塹邊坡的安全系數(shù)和不同渠水位驟降至渠底面時渠塹邊坡的安全系數(shù)。結(jié)果表明：不同渠水位穩(wěn)定時安全系數(shù)隨渠水位的減小呈先減小后小幅增大的趨勢，在渠水位為3 m時，安全系數(shù)最?。磺惑E降時安全系數(shù)隨渠水位的減小呈增大的趨勢，曲線由緩變陡再變緩，最后與穩(wěn)定時零水位的安全系數(shù)相同；比較穩(wěn)定和驟降時的安全系數(shù)，可以看出不同水位安全系數(shù)的差隨水位的降低逐漸減小。

渠塹；渠水位；驟降；穩(wěn)定性；影響分析

目前，國內(nèi)、外針對水庫水位變化對大壩壩坡以及庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性的影響做了大量的研究工作。劉新喜［1］對庫水位下降滑坡穩(wěn)定性的研究，得到了庫水位下降時產(chǎn)生的滲流對滑坡的影響特點，其影響程度主要與滑坡體的滲透系數(shù)有關(guān)。GGriggiths D V等［2］研究了庫水位與浸潤線作用下的邊坡穩(wěn)定性，通過自編的強度折減法有限元程序結(jié)合算例得到的邊坡安全系數(shù)與傳統(tǒng)方法得到的能很好的吻合。郭志華等［3］研究了庫水位下降速度、下降時間和滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，得到庫水位下降速度越大，滑弧深度越大，安全系數(shù)隨水位降低和下降時間的增加呈先減小后增加的趨勢。郝飛等［4］研究了庫水位緩慢下降、驟降、驟升變化時對滑坡穩(wěn)定性的影響，得到在庫水位驟降或驟升時，滑坡安全系數(shù)均小于水位緩慢下降時的安全系數(shù)的結(jié)論。中村浩之等［4］對日本滑坡調(diào)查結(jié)果表明：接近六成滑坡發(fā)生在庫水位驟降時期，其余四成發(fā)生在水位上升時期，包括蓄水初期。Moregenstern N［5］利用極限平衡法，忽略孔壓消散的情況下，研究了均質(zhì)邊坡在庫水位變化時安全系數(shù)的變化，結(jié)果表明安全系數(shù)隨庫水位的上升呈增大的趨勢。張大鵬等［6］運用SLOPE/ W軟件，對渠道位于邊坡后緣時，渠道在不同水位下的滲漏對邊坡滲流場的影響進(jìn)行了模擬分析，得出了邊坡穩(wěn)定變化的規(guī)律。劉翠容等［7］對渠道位于路堤坡腳處，渠道不同水位降低速率下的滲流場進(jìn)行了模擬，得出了路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律。上述分析中多是針對水庫或者交通相關(guān)方面的邊坡進(jìn)行的穩(wěn)定性研究，而對水利工程中大中型灌區(qū)渠塹邊坡穩(wěn)定性分析的研究方面還很少。渠塹邊坡和大壩壩坡、庫區(qū)滑坡以及路堤邊坡相比，既有共同點，也有其特殊性，特別之處在于其對渠道水位變化更敏感。由于渠塹處于挖方段，兩岸地形較渠道高，地表水徑流和降雨時，缺少徑流排泄條件，還有受到渠水的浸泡，渠塹邊坡土體長期處于飽和狀態(tài)，在水位急劇變化或驟降過程中，坡體內(nèi)的孔隙水來不及排出，導(dǎo)致邊坡內(nèi)水位高于渠道內(nèi)水位，邊坡易失穩(wěn)滑塌。本文采用SLOPE/W軟件，對某大型灌區(qū)渠塹典型斷面邊坡在不同水位和不同水位驟降至渠底面的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了不同水位及驟降下安全系數(shù)的變化規(guī)律，為此類灌區(qū)渠道的設(shè)計、施工和管理運行提供了參考依據(jù)。

1 計算模型及參數(shù)

灌區(qū)為大型灌區(qū)，灌溉面積15.87×104hm2。本文選取的灌區(qū)渠塹的典型斷面，位于總干渠，渠道底寬40 m，渠道深10 m，渠坡坡比為1∶2，兩岸地形較平坦，巖性均由黏性土組成。渠道正常灌溉時水深約6 m，最大過水深度約為9 m。由于渠道內(nèi)長期有水，且水深較大，可認(rèn)為渠塹邊坡土體均為飽和狀態(tài)［8-10］。根據(jù)對灌區(qū)總干渠以往滑坡斷面的搜集和整理，發(fā)現(xiàn)滑坡多為淺層滑動，后緣滑面通常距離坡上緣的距離小于10 m，滑動面與坡面的垂直距離也小于10 m，故本次模型坡頂至左側(cè)距離取30 m，模型高取30 m。因此，根據(jù)典型斷面的尺寸和對稱性［11-13］，建立模型：長70 m，左側(cè)高30 m，右側(cè)為渠底以下20 m，模型渠底寬取一半的實際渠底寬度，為20 m，渠深和坡比依照典型斷面的實際尺寸，坡頂至左側(cè)距離30 m，如圖1所示。各土層的參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報告和土工試驗提出的參數(shù)，詳見表1。

圖1 計算模型

2 計算結(jié)果及分析

2.1 計算結(jié)果

首先進(jìn)行不同渠水位時渠塹邊坡的穩(wěn)定性計算，以渠道內(nèi)最大水位9 m起始，每次水位遞減1 m，直至渠水位為零時，分別計算在各自渠水位下的安全系數(shù)，每次計算時，假設(shè)渠塹邊坡內(nèi)的水位與渠水位齊平［9，14-15］，即渠坡土體浸潤線水平。當(dāng)渠道水位為最大水位9 m時的岸坡穩(wěn)定性，采用Spencer法計算所得岸坡初始安全系數(shù)為2.265，見圖2。當(dāng)渠道水位為正常水位6 m時的岸坡穩(wěn)定性，采用Spencer法計算所得岸坡初始安全系數(shù)為1.890，見圖3。

表1 渠塹邊坡各土層參數(shù)

然后再進(jìn)行不同渠水位分別驟降至零水位時渠塹邊坡的穩(wěn)定性計算，以渠道水位9 m驟降至零為起始，每次依舊減少1 m，以此類推，直至計算到零水位為止。在每次進(jìn)行驟降計算時，假設(shè)渠塹邊坡內(nèi)的水位與驟降前渠水位齊平，即渠坡土體浸潤線不變。當(dāng)渠道水位由最大水位9 m驟降至零水位時，由于渠塹岸坡內(nèi)的孔隙水壓力來不及消散，極大的降低了岸坡的穩(wěn)定性，采用Spencer法按兩條水壓線計算所得岸坡初始安全系數(shù)為1.416，見圖4。當(dāng)渠道水位由正常水位6 m驟降至零水位時穩(wěn)定性，采用Spencer法按兩條水壓線計算所得岸坡初始安全系數(shù)為1.494，見圖5。不同水位下穩(wěn)定和驟降的渠塹邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

圖2 渠水位9 m穩(wěn)定性計算

圖3 渠水位6 m穩(wěn)定性計算

圖4 渠水位9 m驟降至0 m穩(wěn)定性計算

圖5 渠水位6 m驟降至0 m穩(wěn)定性計算

表2 渠塹渠水位穩(wěn)定或驟降時的安全系數(shù)

圖6 穩(wěn)定及驟降時渠塹邊坡安全系數(shù)

2.2 渠塹穩(wěn)定性分析

根據(jù)表2中的計算結(jié)果，制成了不同渠水位及其驟降渠塹邊坡安全系數(shù)（圖6）和不同水位穩(wěn)定時與驟降時安全系數(shù)差值（圖7）的變化曲線。

由圖6中上方的曲線可知：在渠水位為3 m時，渠塹邊坡的安全系數(shù)最小，為1.720；渠水位自9 m、8 m直至3 m時，渠塹邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，水位高時曲線較陡，反映到安全系數(shù)減小的快，水位越接近3 m，曲線越緩，相應(yīng)的安全系數(shù)減小的越慢；當(dāng)渠水位小于3 m直至零水位時，安全系數(shù)緩慢增大，曲線變化的趨勢基本呈線性增大。由圖6中下方的曲線可知：當(dāng)渠水位分別由9 m、8 m、7 m驟降時，安全系數(shù)緩慢增大，增大幅度在0.021～0.031之間；當(dāng)渠水位由6 m～3 m驟降時，安全系數(shù)增速變快，曲線變陡，增大幅度在0.042～0.062之間；當(dāng)渠水位由2 m～0 m驟降時，安全系數(shù)增速又開始變緩，且越來越接近穩(wěn)定時的安全系數(shù)，并在零水位時與穩(wěn)定時重合，增大幅度在0.040～0.049之間；驟降時，渠水位在6 m～3 m之間時，曲線最陡，安全系數(shù)增加最快，渠水位在2 m～0 m之間時次之，渠水位在9 m～7 m之間時，曲線最緩，安全系數(shù)增加最慢。

圖7 穩(wěn)定與驟降時安全系數(shù)差值

由圖7可知：當(dāng)渠水位在9 m～4 m時，穩(wěn)定與驟降時安全系數(shù)的差值逐漸減小，安全系數(shù)差值減小較快，基本呈線性變化，曲線較陡，減小幅度在0.089～0.169之間；當(dāng)渠水位在3 m～0 m時，穩(wěn)定與驟降時安全系數(shù)的差值也呈逐漸減小的趨勢，最后在零水位時差值為零，安全系數(shù)差值減小變慢，曲線變緩，減小幅度在0.005～0.052之間；當(dāng)渠水位越高時，驟降的安全系數(shù)越小，兩者差值越大，高水位（6 m～9 m）時驟降的安全系數(shù)降幅達(dá)到穩(wěn)定時的21.0%～37.5%，也能反映出水位驟降，渠塹邊坡土體內(nèi)的水來不及排出，水壓力不能及時消散，對渠塹邊坡穩(wěn)定性的危害程度。

3 結(jié) 論

根據(jù)不同渠水位穩(wěn)定和驟降時渠塹邊坡的穩(wěn)定性對比分析可知：渠水位穩(wěn)定時安全系數(shù)隨渠水位的減小呈先減小后小幅增大的趨勢，在渠水位為3 m時，安全系數(shù)最?。磺惑E降時安全系數(shù)隨渠水位的減小呈增大的趨勢，曲線由緩變陡再變緩，最后與穩(wěn)定時零水位的安全系數(shù)相同；比較穩(wěn)定和驟降時的安全系數(shù)，可以看出不同水位安全系數(shù)的差隨水位的降低逐漸減小，且在高水位時穩(wěn)定和驟降的安全系數(shù)差別最大，安全系數(shù)降低幅度達(dá)到21.0%～37.5%。由上述分析可見，渠道水位驟降對渠塹邊坡有很大危害。在今后的渠道設(shè)計、施工和管理運行時，應(yīng)充分的考慮渠道水位對渠塹邊坡的影響，采取合理的設(shè)計、施工和管理運行方案，減小或避免其對渠塹邊坡的不利影響。

［1］ 劉新喜.庫水位下降對滑坡穩(wěn)定性的影響及工程應(yīng)用研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，2003.

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［6］ 張大鵬，劉翠容，孔德惠，等.渠道水位變化對路塹邊坡穩(wěn)定的影響［J］.鐵道建筑，2008（6）：65－67.

［7］ 劉翠容，孔德惠.人工渠道水位下降速率對路堤邊坡穩(wěn)定的影響［J］.鐵道建筑，2011（7）：102－104.

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Effects of Different Water Levels to Sudden Drop of Drainage Canal Slope Stability

LI Hongchong1，2
（1.Nanyang Water Conservancy Survey and Design Institute，Nanyang，He’nan 473000，China；2.Henan Agile Water Survey and Design Research Ltd.，Nanyang，He’nan 473000，China）

In order to analyze the different channel water level and its impacts on the saturated cohesive plunged canal cutting slope stability，a typical large－scale irrigation canal cutting section was analyzed under different drainage canal water level cutting slope by using SLOPE/W software.The results show that different canal water level is stable safety coefficient with decreasing canal water level increased slightly decreasing trend，when the water level is 3 meters，the minimum safety factor，safety factor with the drainage canal rapid drawdown water level reduction small showed an increasing trend，and the final level of zero safety factor the same time stable，the safety factor is relatively stable and dips and the difference between different safety factor decreases with the level of water gradually decreases.

cut canal；canal water；sudden drop；stability；impact analysis

TU43

A

1672—1144（2016）05—0211—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.040

2016－06－04

2016－07－01

李宏沖（1985—），男，寧夏中寧人，碩士，工程師，主要從事水利水電、工民建、交通、市政、電力等行業(yè)的巖土工程勘察與治理工作。E－mail：2415214472@qq.com