呂軍

（湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南永順 416700）

深層排水管布設(shè)方式對(duì)土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響

呂軍

（湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南永順 416700）

以永龍（永順—龍山）高速公路K23+348—575土質(zhì)路塹邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)深層排水管的布設(shè)方式進(jìn)行研究，分析不同排水管傾角及不同布設(shè)長(zhǎng)度對(duì)地下水位線、孔隙水壓力及邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，邊坡地下水位線高度隨著深層排水管的傾角增加而增加，孔隙水壓力和邊坡穩(wěn)定性隨著深層排水管傾角的增加而減??；在采用最佳角度布設(shè)深層排水管時(shí)，采用上層排水管長(zhǎng)度較短而下層排水管較長(zhǎng)的方式更有利于邊坡排水。

公路；深層排水管；土質(zhì)邊坡；邊坡穩(wěn)定性；地下水

眾多研究表明，邊坡內(nèi)部地下水位較高是造成邊坡失穩(wěn)的主要原因之一。夏開(kāi)宗等認(rèn)為地下水對(duì)邊坡的作用主要為潛在滑動(dòng)面的揚(yáng)壓力及動(dòng)水壓力，并且與巖層面的傾角有關(guān)；宋波等提出地下水位上升后邊坡底部有效應(yīng)力明顯減小，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。因此，對(duì)邊坡進(jìn)行有效排水，進(jìn)而降低地下水位是保證邊坡安全的必要手段。目前工程中常用的方法有深層排水管排水、虹吸排水等，其中深層排水管法應(yīng)用最廣泛。

現(xiàn)有針對(duì)排水管的研究大多從其對(duì)邊坡內(nèi)部滲流場(chǎng)的影響角度進(jìn)行數(shù)值分析，如葉冬冬等模擬了水位驟降條件下有無(wú)排水孔時(shí)的邊坡滲流場(chǎng)分布；張世華等利用MATLAB對(duì)虹吸排水后的地下水浸潤(rùn)線分布進(jìn)行分析，確定了最佳虹吸排水孔位置。但以上研究并未對(duì)深層排水管的不同布設(shè)角度及布設(shè)長(zhǎng)度進(jìn)行詳細(xì)探究。為此，該文以永龍（永順—龍山）高速公路土質(zhì)路塹邊坡為例，采用有限元方法對(duì)不同深層排水管布設(shè)角度與長(zhǎng)度下邊坡內(nèi)部地下水位線位置、孔隙水壓力和邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，為工程實(shí)踐提供參考。

1 非飽和滲流有限元計(jì)算理論

根據(jù)達(dá)西定律推導(dǎo)出土體內(nèi)非恒定滲流偏微分方程為：

式中：Kx、Ky分別為x 和y 方向的滲透系數(shù)；H為滲流介質(zhì)中的總水頭；Q為源匯項(xiàng)；γw為水的重度；mw為單位貯水量；t為時(shí)間。

土體非恒定滲流有限元方程為：

式中：［K］為單元特征矩陣；H｛｝為恒定流節(jié)點(diǎn)水頭向量；［M］為單元質(zhì)量矩陣；｛H｝，t為非恒定流節(jié)點(diǎn)水頭向量；Q｛｝為節(jié)點(diǎn)流量向量。

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

選用永龍高速公路K23+348-575左側(cè)土質(zhì)路塹高邊坡進(jìn)行分析。該段邊坡由粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂質(zhì)板巖組成，結(jié)構(gòu)較松散，強(qiáng)度差，易沖刷流失，雨水浸潤(rùn)易滑塌、剝落，邊坡穩(wěn)定性較差。其土質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡的土質(zhì)參數(shù)

在大氣降雨（尤其是突發(fā)性大暴雨）作用下，孔隙水壓力增大，邊坡自重增加，易產(chǎn)生沿巖土界面的滑動(dòng)變形或土層內(nèi)部的圓弧形滑動(dòng)變形。該地區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，賦存于砂質(zhì)板巖的風(fēng)化、節(jié)理裂隙中，但裂隙多泥質(zhì)充填，連通性較差，賦水條

件一般，主要接受大氣降水補(bǔ)給，以沿裂隙滲流形式或受地形切割排出地表，山體斜坡部位受地形影響，地下水補(bǔ)給、排泄快，鉆孔揭露地下水最大埋深約20 m。

該邊坡共分為四級(jí)，每級(jí)高10 m，坡比分別為1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1.25，每級(jí)平臺(tái)均設(shè)置截水溝；邊坡坡腳設(shè)置邊溝；左側(cè)一、二級(jí)邊坡分別設(shè)置2排深層排水管，呈梅花形布置，水平間距8 m，垂直間距3 m，斜孔深12 m，孔徑φ120 mm，孔內(nèi)放置φ100 mm PVC管。

2.2 計(jì)算模型

采用巖土工程專(zhuān)用有限元軟件SEEP／W和SLOPE／W，根據(jù)實(shí)際工程建立有限元模型（見(jiàn)圖1）。為同時(shí)考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率，設(shè)定四邊形網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。在邊坡左側(cè)邊界處設(shè)定20 m為總水頭，邊坡坡面為自由滲出邊界，邊坡底部為不透水邊界，通過(guò)穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到邊坡內(nèi)部初始地下水位線位置（見(jiàn)圖2）。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)定狀態(tài)下深層排水管中無(wú)孔隙水壓力，故設(shè)定排水管為零孔隙水壓力邊界。采用Ordinary法對(duì)邊坡初始狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面（見(jiàn)圖2），此時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.21，后續(xù)分析中采用該滑動(dòng)面進(jìn)行穩(wěn)定性對(duì)比分析。

圖1 邊坡有限元網(wǎng)格劃分（單位：m）

圖2 邊坡初始地下水位線與潛在滑動(dòng)面

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 深層排水管傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

采用有限元方法計(jì)算分析不同深層排水管布設(shè)傾角（見(jiàn)表2）對(duì)排水效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

表2 不同角度深層排水管設(shè)計(jì)方案

圖3 不同角度排水管布設(shè)方案下邊坡內(nèi)部地下水位線位置

從圖3可看出：采用相同長(zhǎng)度排水管情況下，排水管傾角設(shè)置為3°時(shí)，地下水位線完全處于潛在滑動(dòng)面下方；傾角為10°時(shí)，地下水位線略有上升，但仍處于邊坡潛在滑動(dòng)面下方；傾角為20°時(shí)，地下水位線上升至接近潛在滑動(dòng)面處；傾角達(dá)到30°時(shí)，地下水位線開(kāi)始與潛在滑動(dòng)面相交，可認(rèn)為此時(shí)深層排水管已不能滿足排出邊坡內(nèi)部水分的要求。說(shuō)明當(dāng)深層排水管長(zhǎng)度相同時(shí)，其傾角越小排水能力越好，傾角越大其排水能力越差。這是由于邊坡地下水位線位置往往呈內(nèi)部較高、向邊坡外部方向越來(lái)越低的趨勢(shì)（見(jiàn)圖2），當(dāng)深層排水管傾角較小時(shí)，可有效深入地下水位線內(nèi)部，排出地下水；而傾角設(shè)置過(guò)大時(shí)，其與地下水位線的關(guān)系接近平行，不能深入邊坡內(nèi)部飽和區(qū)，無(wú)法有效發(fā)揮排水作用。

根據(jù)已有研究成果，邊坡內(nèi)部地下水所造成的潛在滑動(dòng)面處的孔隙水壓力上升是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因之一，有必要進(jìn)一步分析排水管布設(shè)對(duì)滑動(dòng)面處孔隙水壓力的影響。潛在滑動(dòng)面上3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的孔隙水壓力隨排水管傾角的變化見(jiàn)圖4。

圖4 孔隙水壓力與排水管角度的關(guān)系

從圖4可看出：由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處位置較高，其孔隙水壓力始終保持在負(fù)值，隨著排水管傾角的增加，其孔隙水壓力逐漸上升；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處的孔隙水壓力也隨著排水管傾角的增加而增加，但并未產(chǎn)生正孔隙水壓力；對(duì)于接近坡腳處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，當(dāng)排水管傾角處于3°、10°、20°時(shí)，其孔隙水壓力小于零，但當(dāng)排水管傾角達(dá)到30°時(shí)，坡腳處出現(xiàn)正孔隙水壓力，此時(shí)作用在土體上的有效應(yīng)力相應(yīng)減小，導(dǎo)致坡腳處的滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)。

基于以上孔隙水壓力分析，采用Mogenstern-Price、Ordinary和Bishop 3種常用邊坡安全系數(shù)計(jì)算方法對(duì)不同排水管傾角下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同排水管傾角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

從圖5可看出：無(wú)論采用何種計(jì)算方法，當(dāng)排水管傾角為3°時(shí)，邊坡安全系數(shù)都最大；隨著排水管角度的增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，傾角達(dá)到30°時(shí)邊坡安全系數(shù)最小。Ordinary法計(jì)算所得邊坡安全系數(shù)比實(shí)際值偏小，可看作具有一定的安全儲(chǔ)備；但當(dāng)排水管傾角為30°時(shí)，Ordinary法計(jì)算所得安全系數(shù)小于1.3，可認(rèn)為存在一定的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 深層排水管長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步探討排水管長(zhǎng)度變化對(duì)邊坡排水性能及邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)方案5、方案6（見(jiàn)表3）與方案1～4進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

表3 不同長(zhǎng)度排水管布設(shè)方案

圖6 不同長(zhǎng)度排水管布設(shè)方案下邊坡內(nèi)部地下水位線位置

從圖6可看出：當(dāng)排水管布設(shè)長(zhǎng)度并非均勻分布時(shí)，排水效果與均勻分布有著明顯區(qū)別。方案5的地下水位線位置與方案1相差不多，略有下降；方案6的地下水位線位置與方案1與方案5相比明顯下降，遠(yuǎn)低于潛在滑動(dòng)面位置。說(shuō)明排水管的布設(shè)長(zhǎng)度會(huì)對(duì)邊坡內(nèi)部水位產(chǎn)生明顯影響，底部排水管越長(zhǎng)，排水效果越好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是邊坡底部飽和區(qū)域較大，且靠近坡面，增加底部排水管長(zhǎng)度，排水效果明顯增強(qiáng)；而邊坡上部地下水位線較深，距坡面較遠(yuǎn)，排水管并未深入飽和區(qū)，上部排水管長(zhǎng)度對(duì)排水效果的影響不明顯。

不同長(zhǎng)度排水管布設(shè)方案下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力見(jiàn)表4，邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表5。

表4 不同長(zhǎng)度排水管布設(shè)方案下的孔隙水壓力k Pa

表5 不同長(zhǎng)度排水管布設(shè)方案下邊坡的安全系數(shù)

從表4可看出：方案5和方案6下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力明顯小于方案1～4時(shí)，從非飽和土的抗剪強(qiáng)度角度分析，孔隙水壓力越小越有利于邊坡的穩(wěn)定。

從表5可看出：方案5和方案6下邊坡的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于方案1～4時(shí)，方案6的排水加固邊坡效果最佳。

4 結(jié)論

（1）在同一邊坡中，隨著排水管傾角的增加，地下水位線逐漸上升，相同位置的孔隙水壓力上升，邊坡穩(wěn)定性逐漸下降。

（2）對(duì)于土質(zhì)邊坡，在排水管總長(zhǎng)相同的情況下，上層排水管應(yīng)設(shè)計(jì)為相對(duì)較短，下層排水管應(yīng)相對(duì)較長(zhǎng)。深層排水管最佳布設(shè)方式為傾角3°左右，且由上至下長(zhǎng)度逐漸增大。

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