高春君，張學(xué)富，向立輝，喬丹

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072)

山區(qū)工程建設(shè)中，高邊坡是一種重要的工程承載體，在富水區(qū)，其穩(wěn)定性是工程建設(shè)首要解決的工程地質(zhì)問(wèn)題和巖土力學(xué)問(wèn)題[1]。發(fā)生在山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害中，水毀災(zāi)害發(fā)生頻率最高，其中邊坡區(qū)段尤為突出，根據(jù)陜西、四川等地統(tǒng)計(jì)，在公路水毀地質(zhì)災(zāi)害中，邊坡路段約占全路段的40%～55%[2]?？梢姡凰畢^(qū)邊坡宜設(shè)置合理的排水系統(tǒng)，以確保邊坡工程的安全。對(duì)于巖質(zhì)高邊坡工程，布置深層排水孔是一種簡(jiǎn)單實(shí)用且較為普遍的方法。巖質(zhì)高邊坡排水過(guò)程中，由于細(xì)小顆粒沉積[3]，地下水滲流結(jié)晶[4]、微生物生長(zhǎng)[5-6]等，常導(dǎo)致排水管道堵塞，進(jìn)而抬升坡內(nèi)地下水位，嚴(yán)重威脅邊坡的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，有必要開展排水孔堵塞對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究。

關(guān)于排水管道堵塞問(wèn)題，科研工作者采用理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行過(guò)諸多研究，取得了一系列成果。例如，Pedescoll等[7]、Hua等[8]、Morvannou等[9]分析了人工濕地堵塞的機(jī)理并提出了一系列處置措施。劉璐等[3]利用內(nèi)鑲片式斜齒形迷宮流道灌水器進(jìn)行堵塞實(shí)驗(yàn)，確定了灌水器最易堵塞的泥砂粒徑和含砂量。周卓[4]利用經(jīng)驗(yàn)公式，模型試驗(yàn)研究了地下水結(jié)晶導(dǎo)致隧道排水管堵塞的機(jī)理。Li等[10]利用滴灌試驗(yàn)研究了不同水質(zhì)條件下滴管的堵塞規(guī)律。Oaselles-Osorio等[5]、Zhong等[6]研究發(fā)現(xiàn)，微生物生長(zhǎng)會(huì)在匯水處形成一層生物膜，其擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致附近的孔隙率和滲透系數(shù)持續(xù)減小，進(jìn)而造成排水管道堵塞?？偨Y(jié)起來(lái)，排水管堵塞的原因可以歸納為物理、化學(xué)、生物幾個(gè)方面。深層排水孔堵塞常常涉及多種因素綜合作用，很難通過(guò)上述方法進(jìn)行研究，采用數(shù)值方法進(jìn)行邊坡滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析是一種有效的輔助措施?，F(xiàn)階段，排水孔模擬的主流方法有“以管代孔”法[11]、匯線單元法[12]、排水子結(jié)構(gòu)法[13]、空氣單元法[14]等。已有研究中，通常對(duì)排水孔上各點(diǎn)給定水頭來(lái)計(jì)入排水孔的作用；然而，在高邊坡工程中，各排水孔中的水頭并不相等，甚至有部分零水頭排水孔，通過(guò)賦予水頭來(lái)模擬排水效果并不完全合理。“空氣單元法”依據(jù)水頭等效的原則，確定排水孔等效滲透系數(shù)，即將排水孔視為一種強(qiáng)滲透介質(zhì)，模擬其排水效果；通過(guò)調(diào)整排水孔的滲透系數(shù)，即可計(jì)算排水孔不同堵塞工況下的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)。

如何真實(shí)反映富水巖質(zhì)高邊坡(下文簡(jiǎn)稱邊坡)深層排水孔(下文簡(jiǎn)稱排水孔)堵塞對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，是筆者研究的重點(diǎn)。依托大灣溝2號(hào)深路塹邊坡工程，基于排水孔模擬的空氣單元法，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，開展排水孔不同工況下的坡內(nèi)水位變化以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)研究，并計(jì)算各種堵塞工況下的安全系數(shù)，定量評(píng)價(jià)排水孔堵塞對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，提出富水區(qū)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)新思路。

1 計(jì)算理論

1.1 滲流折射定律

由滲流基本理論可知，流體在不同介質(zhì)中的滲流速度不同，穿越不同介質(zhì)時(shí)滲流方向也會(huì)隨之改變。假設(shè)介質(zhì)Ⅰ的滲透系數(shù)為k1，介質(zhì)Ⅱ的滲透系數(shù)為k2，界面上某一點(diǎn)附近的滲透速度和水頭在兩介質(zhì)中的值依次為v1、v2和H1、H2；v1、v2與分界面法向夾角分別為θ1、θ2，圖1為滲流折射示意圖。界面上按照水頭相等和法向分速度相等的原則，其滲流折射定律為[15]

(1)

從式(1)可以看出，折射角θ2隨k2增大而增大，k2?k1時(shí)，θ2接近90°，表明強(qiáng)滲透介質(zhì)可以改變滲流的方向從而達(dá)到導(dǎo)水的目的。基于上述理論，采用空氣單元法模擬排水孔的排水效果，若k1、k2分別表示巖體和排水孔的滲透系數(shù)，在k2從等效滲透系數(shù)逐漸減小過(guò)程中，排水孔的排水作用不斷減弱，這一過(guò)程物理可描述為排水孔的堵塞過(guò)程；當(dāng)k2=k1時(shí)，排水孔成為和巖體一樣的弱透水介質(zhì)，表明排水孔堵塞失效。

圖1 滲流折射示意圖

1.2 邊坡巖體滲透系數(shù)

巖體的滲透系數(shù)與飽和度、孔隙水壓力相關(guān)，為研究三者之間的關(guān)系，學(xué)者們提出了多種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，其中,經(jīng)典Van Genuchten模型在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[16]，其表達(dá)式為

(2)

(3)

式中：θ為體積含水率；θr為殘余含水率；θs為飽和含水率；h為水頭高度；Ks為飽和滲透系數(shù)；m、n為水力學(xué)特征曲線形狀參數(shù)。模型中有4個(gè)獨(dú)立的參數(shù)：殘余含水率θr、飽和含水率θs、經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)a和n。已有人[17-19]對(duì)這些參數(shù)取值進(jìn)行過(guò)研究，并針對(duì)不同性質(zhì)的巖層給出了一系列經(jīng)驗(yàn)值。

1.3 巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)定的粘聚力、摩擦角一般為巖石的強(qiáng)度參數(shù)，實(shí)質(zhì)上巖體本身存在節(jié)理和裂隙，需要參數(shù)進(jìn)行修正。修正的方法為：在一定范圍內(nèi)，按照Hoek-Brown (H-B)強(qiáng)度準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb (M-C)強(qiáng)度準(zhǔn)則覆蓋的面積相等的原則(見圖2)，選取相應(yīng)的最大圍壓上限σ3max和抗拉強(qiáng)度σt，然后在(σt,σ3max)范圍內(nèi)基于M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合。表達(dá)式為[20]

(4)

(5)

式中：σ1、σ3分別為最大、最小壓應(yīng)力；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；mb、s、a為反映巖體特征的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中mb、a為針對(duì)不同巖石的量綱為1的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，s反映巖體的破碎程度，取值范圍0.0～1.0，對(duì)于完整巖體(即巖石)，s=1；σ3n=σ3max/σc。

圖2 等效H-B和M-C準(zhǔn)則中最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力的關(guān)系Fig. 2 Relationship between minimum principal stress and maximum principal stress in equivalent

1.4 安全系數(shù)

邊坡的失穩(wěn)常常是由于外界因素的影響導(dǎo)致邊坡巖體的力學(xué)性質(zhì)改變，工程實(shí)踐表明，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)是一種較合理的方法，已被國(guó)際工程界廣泛認(rèn)可。當(dāng)強(qiáng)度折減時(shí)，將巖體的粘聚力和摩察角同時(shí)折減后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，折減的方法為[21]

τ=c′+σtanφ′

(6)

式中：c′、φ′分別為折減后的巖體粘聚力和摩察角，其起算格式為

(7)

式中：Fs為達(dá)到極限平衡狀態(tài)的折減系數(shù)，即安全系數(shù)，數(shù)值計(jì)算中，定義特征點(diǎn)位移發(fā)生突變時(shí)的折減系數(shù)為安全系數(shù)。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 工程概況

以大灣溝2號(hào)深路塹邊坡工程為依托，工程地點(diǎn)巖層分為兩層：第1層為粉質(zhì)黏土，黃褐色，厚約1 m；第2層為微風(fēng)化灰?guī)r，深灰色、淺肉紅色，厚層狀構(gòu)造；方解石脈發(fā)育，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面富有鐵質(zhì)；巖芯局部溶蝕、溶隙發(fā)育。

邊坡分為4級(jí)，從下往上依次是1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)，坡度依次是1∶0.75、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5。各級(jí)邊坡高度均為10 m。邊坡最大高度43.3 m。由于地下水位較高，第1、2、3級(jí)邊坡設(shè)平孔排水，每級(jí)邊坡設(shè)兩層排水孔，長(zhǎng)度為15 m，仰角為10°，橫向布置間距為6 m，排水孔直徑為100 mm，采用FH100軟式透水管，在靠近出水口距離60 cm長(zhǎng)度范圍內(nèi)用粘性土或止水材料堵塞鉆孔與排水孔之間的空隙。邊坡開挖后及時(shí)進(jìn)行防護(hù)封閉，以防止表層巖體風(fēng)化剝落。

邊坡以框架式格構(gòu)(下文簡(jiǎn)稱格構(gòu))和錨桿共同作為邊坡的支護(hù)體系，格構(gòu)橫梁間距為2.5 m，豎梁間距為3 m，底部采用M7.5漿砌片石進(jìn)行鑲邊，格構(gòu)斷面采用0.3 m × 0.3 m鋼筋混凝土；錨桿為全長(zhǎng)粘結(jié)式結(jié)構(gòu)，采用Φ25螺紋鋼筋制作，與水平面成23°夾角，錨固于格構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)位置。

2.2 數(shù)值模型

利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析，取邊坡延伸方向6 m進(jìn)行三維數(shù)值建模。整個(gè)模型尺寸大小為100 m(長(zhǎng)) × 6 m(寬)× 77 m(高)，巖體和排水孔采用C3D8RP孔壓?jiǎn)卧駱?gòu)采用C3D8R三維應(yīng)力單元，錨桿采用T3D2嵌入式桁架單元。三維模型見圖3。

圖3 三維數(shù)值模型Fig. 3 Three-dimensional numerical

模型中巖體為服從M-C屈服準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的理想彈塑性材料，格構(gòu)支護(hù)采用Drucker-Prager (D-P)理想彈塑性模型，排水孔和錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)視為理想線彈性體。邊界條件為：坡面及路面為自由邊界，模型左右兩側(cè)以及邊坡延伸方向施加法向約束，模型底部約束所有方向的自由度，地下水位采用定水頭邊界。模型計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

根據(jù)工程勘察地質(zhì)報(bào)告，由室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)、礦物組成和不連續(xù)面描述確定巖石的強(qiáng)度參數(shù)，其中mb=2.923、s=0.006 3、a=0.502；經(jīng)計(jì)算可得，巖體的粘聚力為4.168 MPa，內(nèi)摩擦角為35.23°。

計(jì)算中涉及的邊坡巖體滲透系數(shù)、飽和度和孔隙水壓力之間的關(guān)系利用Van Genuchten模型擬合得到，結(jié)合已有研究成果和工程實(shí)際情況，4個(gè)擬合參數(shù)的取值為：殘余含水率θr為0.057，飽和含水率θs為0.269，經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)a、n分別為0.023、3.441，將擬合結(jié)果繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 巖體的水力學(xué)特征曲線Fig. 4 Hydraulic characteristic curve of rock

3 等效滲透系數(shù)確定

采用等效的方法模擬排水孔的排水效果，實(shí)質(zhì)是利用強(qiáng)滲透性介質(zhì)的強(qiáng)導(dǎo)水作用，只需確定排水孔的等效滲透系數(shù)，便可模擬排水孔的排水效果，并用于后續(xù)堵塞工況分析。為得到排水孔等效滲透系數(shù)，操作流程為：首先按照正常排水條件計(jì)算邊坡的滲流場(chǎng)，即排水孔單元不參與數(shù)值計(jì)算，僅在排水孔內(nèi)賦予排水邊界；然后利用空氣單元法模擬排水孔，即賦予排水孔單元較大的滲透系數(shù)。兩種方法各得出一個(gè)地下水位線，對(duì)兩種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，然后調(diào)整排水孔滲透系數(shù)，直至兩種方法計(jì)算得出的地下水位線近似重合，此時(shí)對(duì)應(yīng)的排水孔滲透系數(shù)即為等效滲透系數(shù)。

基于坡內(nèi)水位等效的原則，確定排水孔等效滲透系數(shù)，詳細(xì)計(jì)算過(guò)程見文獻(xiàn)[14]。排水孔正常排水工況下，等效滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為0.475 m/s。圖5為邊坡不排水與排水狀況的孔隙水壓力云圖。

圖5 孔隙水壓力云圖

圖6 局部排水孔流速矢量圖Fig.6 Vector diagram local drainage

由計(jì)算結(jié)果可知，不設(shè)排水孔時(shí)，坡內(nèi)地下水位呈一個(gè)近似水平面；計(jì)入排水孔的作用后，靠近排水孔附近坡內(nèi)地下水位顯著降低；取邊坡的一個(gè)橫斷面進(jìn)行分析，坡內(nèi)水位線整體上呈近“S”曲線，最低水位出現(xiàn)在一級(jí)邊坡下部排水孔孔口附近。圖6為邊坡局部排水孔流速矢量圖，由圖6可以看出，巖體內(nèi)滲流方向指向排水孔，并通過(guò)排水孔排出坡體，說(shuō)明上述方法模擬邊坡排水過(guò)程能達(dá)到預(yù)期效果。然而，排水孔在長(zhǎng)期排水過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)不同程度的堵塞，有必要研究排水孔堵塞對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.1 地下水位分析

在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，賦予排水孔相應(yīng)的滲透系數(shù)，模擬不同堵塞工況。為了便于描述排水孔的堵塞狀態(tài)，引入相對(duì)滲透系數(shù)R的概念[13]，其表達(dá)式為

(8)

式中：k1、k2分別為巖體和排水孔的滲透系數(shù)。此外，定義排水孔堵塞系數(shù)B，用以反映排水孔的堵塞程度，其表達(dá)式為

(9)

式中：km為排水孔正常排水情況下的等效滲透系數(shù)；B在物理上可表示為排水孔的堵塞狀態(tài)，變化范圍是0～1，0和1分別表示排水孔正常排水和堵塞失效的工況；從0到1變化反映排水孔堵塞程度逐漸增大的過(guò)程。不同的堵塞系數(shù)B，對(duì)應(yīng)于不同的排水孔滲透系數(shù)，排水孔單元滲透系數(shù)減小，則其中的滲流速度也相應(yīng)地減小，宏觀上表現(xiàn)為排水量減小，這與排水孔堵塞的實(shí)質(zhì)相吻合。為了便于后續(xù)研究，每一種工況都將所有排水孔的滲透系數(shù)賦予相同的值，由滲流折射定律可知，各排水孔在同一工況下堵塞程度相同。

計(jì)算出排水孔在不同堵塞工況的地下水位后，取一個(gè)橫斷面，繪制不同堵塞系數(shù)對(duì)應(yīng)的坡內(nèi)地下水位曲線，得出圖7所示的結(jié)果。從下往上依次對(duì)應(yīng)排水孔堵塞系數(shù)B逐漸增大的地下水位曲線。由圖7可見，隨排水孔堵塞程度增大，坡內(nèi)地下水位明顯上升；比較排水孔正常排水和完全堵塞兩種工況，坡表水位由1級(jí)邊坡上升至3級(jí)邊坡，水位變化最大為21.15 m，約為邊坡總體高度的一半。由此可見，排水孔堵塞對(duì)坡內(nèi)地下水位的影響不容忽視。

圖7 排水孔在不同堵塞狀態(tài)下的坡內(nèi)地下水位變化Fig. 7 Variation of groundwater level after the slope drainage holes in different blockage

以坡表孔隙水壓力變化作為輔助分析，深入探究這一問(wèn)題。在1級(jí)邊坡臨空面上取兩個(gè)橫向監(jiān)控路徑，分別位于排水孔上方，將沿路徑的距離表述為格構(gòu)的橫向跨度D。記錄監(jiān)控路徑上各點(diǎn)在不同堵塞工況下的孔隙水壓力，圖8為監(jiān)控路徑示意及孔隙水壓力變化圖。

圖8 孔隙水壓力路徑示意圖及其變化規(guī)律Fig. 8 Paths and change law of pore water

圖8中，從下往上依次是排水孔堵塞系數(shù)逐漸增大過(guò)程中路徑上孔隙水壓力曲線。從圖8可以直觀地看出，兩個(gè)路徑的結(jié)果表現(xiàn)出一些相似的規(guī)律。堵塞系數(shù)增大，臨空面上孔隙水壓力增加較為明顯；此外，在排水孔孔口附近，兩個(gè)路徑上的孔隙水壓力均出現(xiàn)突變，尤其在路徑2上出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，進(jìn)一步證明了排水孔對(duì)坡體的排水降壓作用。

由路徑2的計(jì)算結(jié)果可知，隨排水孔堵塞系數(shù)增大，排水孔周圍坡表的孔隙水壓力由負(fù)值過(guò)渡為正值，說(shuō)明排水孔正常排水工況下，坡表水位位于2號(hào)排水孔之下；隨排水孔堵塞程度的發(fā)展，臨空面上的孔隙水壓力增加，最后發(fā)展到正壓狀態(tài)，表明坡表水位上升到2號(hào)排水孔上部，這與圖8的坡內(nèi)水位變化結(jié)果吻合。

4.2 格構(gòu)變形響應(yīng)

設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)是邊坡穩(wěn)定的重要保障，支護(hù)結(jié)構(gòu)與邊坡巖體相互作用，相互制約，可用支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化間接表現(xiàn)巖體的變形。由于多級(jí)邊坡的特殊性，坡面各點(diǎn)的位移變化特征在數(shù)值上與方向上均呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

取邊坡一個(gè)橫斷面(位于兩列排水管中間位置)，分析排水孔堵塞后邊坡整體水平位移。將排水孔堵塞工況下各點(diǎn)水平位移繪制成等值線圖，結(jié)果如圖9所示。坡趾區(qū)域?yàn)閹r體最大水平位移的位置；在坡面上，從坡趾往上，水平位移遞減，在邊坡巖體頂部出現(xiàn)了反方向的位移，整個(gè)坡體形成了一個(gè)“順時(shí)針”旋轉(zhuǎn)的下錯(cuò)變形機(jī)制。由此可以證明，接近坡趾剪出口部位的巖體最容易發(fā)生破壞，這與Cao等[22]的計(jì)算結(jié)果基本一致，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行格構(gòu)變形響應(yīng)分析。

圖9 巖體水平位移等值線圖(單位：mm)Fig. 9 Contour map of horizontal displacement of rock

從邊坡格構(gòu)支護(hù)的水平位移UX和豎向位移UY兩個(gè)角度出發(fā)，研究排水孔堵塞對(duì)邊坡格構(gòu)支護(hù)位移的影響。取3種排水孔工況進(jìn)行分析，工況1：正常排水(B=0)；工況2：局部堵塞(B=0.5)；工況3：完全堵塞(B=1)。每一級(jí)邊坡格構(gòu)上分別建一條監(jiān)控路徑，記錄各點(diǎn)位移，圖10為所取路徑示意圖。取格構(gòu)的一個(gè)豎梁，按箭頭所示方向從底部到頂部建立路徑。每級(jí)邊坡均在相同位置建立路徑，取1級(jí)邊坡格構(gòu)作為示意。位移計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖10 1級(jí)邊坡格構(gòu)路徑示意圖Fig.10 Diagram of path of the lattice in 1st-stage

圖11 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的變化Fig.11 Varition of displacement of supporting

從整體上看，格構(gòu)水平位移從下往上依次減??；排水孔堵塞對(duì)各級(jí)格構(gòu)水平位移的影響順序?yàn)椋?級(jí)>2級(jí)>3級(jí)、4級(jí)(由于3級(jí)和4級(jí)邊坡格構(gòu)變化較小，故不做單獨(dú)比較)。對(duì)于1級(jí)邊坡格構(gòu)，最大水平位移位于格構(gòu)中部，說(shuō)明1級(jí)邊坡巖體最大位移出現(xiàn)在1級(jí)邊坡中部剪出口位置，并且隨著排水孔堵塞系數(shù)增大，這種現(xiàn)象表現(xiàn)更為顯著。其原因是，邊坡開挖后坡腳巖體的抗力不足，排水孔堵塞又導(dǎo)致坡內(nèi)地下水位抬升，進(jìn)而邊坡巖體下滑力增大，因此，不難解釋坡趾水平位移增大的現(xiàn)象；對(duì)于2級(jí)邊坡格構(gòu)，隨邊坡高度的增加，排水孔堵塞對(duì)格構(gòu)水平位移的影響逐漸減小。這是因?yàn)?，排水孔正常排水工況下，地下水位在2級(jí)邊坡之下，隨排水孔堵塞的發(fā)展，地下水位先上升到2級(jí)邊坡底部，使得底部水平位移增大，水位持續(xù)抬升，2級(jí)邊坡上部巖體水平位移也受其影響而增大，但相比于下部巖體，這種影響并不明顯；對(duì)于3級(jí)和4級(jí)邊坡格構(gòu)，排水孔堵塞對(duì)其水平位移的影響較小，與1級(jí)和2級(jí)邊坡不同的是，在3級(jí)邊坡格構(gòu)上部，排水孔堵塞后格構(gòu)水平位移減小，這是因?yàn)?排水孔完全堵塞后，坡表水位在3級(jí)邊坡格構(gòu)中部，導(dǎo)致其下部巖體和格構(gòu)的水平位移增大，潛在滑體下錯(cuò)變形導(dǎo)致上部巖體和格構(gòu)產(chǎn)生了方向變形。

與水平位移不同，隨排水孔堵塞系數(shù)增大，各級(jí)格邊坡構(gòu)的豎向位移減小。從圖中可知，格構(gòu)豎向位移與排水孔堵塞系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于排水孔堵塞導(dǎo)致坡內(nèi)地下水位抬升，坡內(nèi)孔隙水壓力增加與巖體吸水體積膨脹二者共同作用，從而使邊坡巖體的豎向位移出現(xiàn)了反向增長(zhǎng)。需要指出的是，這并非說(shuō)明邊坡的穩(wěn)定性更佳，相反，這會(huì)導(dǎo)致邊坡巖體的變形程度惡化，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。

綜合以上分析結(jié)果可知，邊坡的最不利位置為坡趾剪出口附近巖體，位移有較大程度的增長(zhǎng)，因此，在支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)1級(jí)邊坡格構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度。

4.3 錨桿軸力分析

以上分析僅僅是從表層支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的角度闡述排水孔堵塞的影響，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析排水孔堵塞對(duì)錨桿的影響，研究排水孔堵塞對(duì)邊坡深部巖體的危害。提取3個(gè)典型位置的錨桿作為研究對(duì)象，1#和2#錨桿分別位于1級(jí)邊坡的底部和頂部，3#錨桿位于2級(jí)邊坡的頂部。將排水孔不同堵塞工況的錨桿軸力結(jié)果繪制成曲線，圖12為不同堵塞工況下的錨桿軸力變化曲線以及所取典型錨桿的示意圖。

圖12 錨桿軸力變化Fig. 12 Variation of anchor axial

由圖12可知，排水孔堵塞對(duì)錨桿軸力的影響顯著，不僅表現(xiàn)在數(shù)值上，也表現(xiàn)在最大軸力出現(xiàn)的位置。在數(shù)值上，3根錨桿在排水孔完全堵塞狀態(tài)相對(duì)于正常排水狀態(tài)分別提高了35.14%、44.95%和44.45%。其原因是，巖體內(nèi)部地下水位上升導(dǎo)致邊坡巖體內(nèi)部變形增大，使得錨桿的軸力亦隨之增大；從宏觀上看，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)錨桿最大軸力分別出現(xiàn)在離坡面約1、3、9 m的位置，對(duì)應(yīng)于示意圖中的A、B、C點(diǎn)。隨著排水孔堵塞系數(shù)增大，最大錨桿軸力對(duì)應(yīng)的位置向邊坡深部巖體發(fā)展，圖中虛線對(duì)應(yīng)最大軸力。由葉海林等[23]的研究結(jié)果可知，錨桿軸力最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于潛在滑動(dòng)面的位置。因此，可用一系列錨桿的最大軸力點(diǎn)定性判斷邊坡的潛滑動(dòng)面范圍，由圖中最大軸出現(xiàn)的位置變化可知，潛在滑動(dòng)面沿坡趾剪出口向坡內(nèi)延伸，且在排水孔堵塞后，有向巖體內(nèi)部擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)。

隨排水孔堵塞系數(shù)增大，3根錨桿軸力變化也呈現(xiàn)出了不同的規(guī)律。1#和2#錨桿的軸力均表現(xiàn)為中間大兩邊小，而3#錨桿的軸力沿路徑方向增大后并沒有出現(xiàn)明顯的下降；在數(shù)值上，3#錨桿的軸力明顯小于1#錨桿和2#錨桿，說(shuō)明3#錨桿軸力沒有得到較好發(fā)揮；此外，3#錨桿處于工況1和工況2時(shí)，靠近坡面的位置軸力大致相等，這是因?yàn)?，在這兩種工況下，地下水位均在3#錨桿之下，因此，靠近坡面的錨桿段在這兩種工況下軸力并無(wú)太大差異；而對(duì)于遠(yuǎn)離坡面的錨桿段，在工況2時(shí)位于地下水位之下，所以，排水孔堵塞后，該錨桿段軸力變化較顯著。

綜上所述，在富水區(qū)宜適當(dāng)增加錨桿長(zhǎng)度，尤其是邊坡上部錨桿，確保其錨固范圍穿越潛在滑動(dòng)體的范圍，較大限度發(fā)揮其錨固效果。

4.4 邊坡安全系數(shù)

利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，研究排水孔堵塞程度與邊坡安全性的關(guān)系。計(jì)算中，取一個(gè)坡頂節(jié)點(diǎn)的位移變化為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)坡頂節(jié)點(diǎn)位移發(fā)生突變，則此時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即是邊坡的安全系數(shù)，將不同堵塞系數(shù)下的安全系數(shù)繪制成曲線如圖13所示。

圖13 安全系數(shù)變化Fig. 13 Variation of safety

由圖可知，隨排水孔堵塞系數(shù)增大，邊坡的安全系數(shù)減小，堵塞系數(shù)小于0.67時(shí)，安全系數(shù)減小幅度較小，當(dāng)排水孔堵塞系數(shù)大于0.67時(shí)，邊坡的安全系數(shù)表現(xiàn)出急劇減小。其原因是，排水孔堵塞程度較小時(shí)，坡內(nèi)地下水仍可以通過(guò)排水孔排出坡體，不同的是排水孔出現(xiàn)堵塞后孔內(nèi)滲流量減少，在一定程度上抬升了坡體內(nèi)部地下水位，造成邊坡安全系數(shù)小幅度變化；而當(dāng)排水孔接近完全堵塞時(shí)，排水孔內(nèi)的地下水無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致邊坡巖體力學(xué)性質(zhì)劣化，嚴(yán)重影響邊坡的安全性。

5 結(jié)論

建立了考慮邊坡排水孔堵塞的邊坡穩(wěn)定性分析模型，利用數(shù)值方法研究邊坡排水孔不同堵塞工況下的坡內(nèi)地下水位和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，探討了排水孔堵塞對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論：

1)高邊坡排水孔堵塞后，坡內(nèi)地下水位顯著抬升，一方面會(huì)導(dǎo)致巖體的力學(xué)性質(zhì)劣化，另一方面增大邊坡巖體的下滑力，嚴(yán)重威脅邊坡的穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

2)格構(gòu)支護(hù)的變形響應(yīng)受排水孔堵塞的影響顯著，主要表現(xiàn)為：邊坡最危險(xiǎn)位置為坡趾剪出口附近巖體。坡趾剪出口位置出現(xiàn)了較大的側(cè)向位移，有向外擠出的趨勢(shì)，排水孔堵塞后，這種特征表現(xiàn)更加明顯。

3)排水孔堵塞后，錨桿軸力有較大幅度的增長(zhǎng)，位于自由水面下的錨桿段尤為顯著；排水孔堵塞后，錨桿最大軸力對(duì)應(yīng)的位置向邊坡巖體深部發(fā)展，表明邊坡潛在滑體有向巖體內(nèi)部漸進(jìn)擴(kuò)展的趨勢(shì)。

4)排水孔堵塞后，邊坡的安全系數(shù)有大幅度的降低，尤其是排水孔接近完全堵塞狀態(tài)時(shí)，排水孔堵塞會(huì)造成邊坡安全系數(shù)的急劇減小，嚴(yán)重威脅邊坡的安全性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。