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(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨著水利建設(shè)的迅猛發(fā)展，水庫的建設(shè)有時(shí)難以避免臨近既有高速公路進(jìn)行選址。目前，福建省已建成的龍巖何家陂水庫臨近既有的龍長高速。在建和擬建的永春馬跳水庫和泉州白瀨水庫分別臨近既有的泉南高速和莆永高速。水庫建成后會(huì)浸沒既有高速公路部分橋梁的墩、臺(tái)邊坡和高填路堤，水位升降對(duì)邊坡和高填路堤的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

庫水位漲落導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象引起國內(nèi)外巖土工程專家、學(xué)者的關(guān)注，大量的文獻(xiàn)對(duì)庫水位上升和下降影響滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了較為深入和詳細(xì)的研究。劉紅巖，等[1]對(duì)庫水位上升條件下邊坡滲流場進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由于滲透系數(shù)的差異，基巖內(nèi)地下水位的抬升明顯滯后于上部松散堆積體。

劉才華，等[2]對(duì)庫水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在庫水位由坡腳上升到坡頂?shù)倪^程中，孔隙水壓力作用使邊坡穩(wěn)定性先降低后增加；廖紅建，等[3]結(jié)合庫水位下降期間不同滲透系數(shù)滑坡體的實(shí)際滲流場，對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，得到了庫區(qū)降水速度和滲透系數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的變化規(guī)律。但，庫水位升降影響庫岸人工填方路堤穩(wěn)定性的研究較少，鮮見文端。

本文以福建省龍長(龍巖-長汀)高速公路何家陂水庫影響段的高填路堤為工程實(shí)例，以有限元方法構(gòu)建水庫水位升降過程中的填方路堤的非穩(wěn)定滲流場，進(jìn)而與傳統(tǒng)的極限平衡方法耦合，研究庫水位漲落對(duì)高填路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，希冀能為庫岸高填方路堤的穩(wěn)定評(píng)價(jià)和加固提供依據(jù)和借鑒。

1 庫岸高填路堤基本條件

龍長高速公路何家陂水庫影響段高填路，堤長320m，路堤邊坡共7級(jí)，坡腳高程為533m，路面高程為585m，最大邊坡高度約52m，該路堤已于2007年建成通車。2012年擬在路堤下側(cè)建設(shè)何家陂水庫，水庫正常蓄水位為546.00m，設(shè)計(jì)洪水位為549.65m，水庫建成蓄水后高填路堤底部兩級(jí)邊坡將被淹沒，路堤平面如圖1所示。

圖1 水庫蓄水后高填路堤平面示意圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)境內(nèi)峰巒疊嶂，山嶺聳峙，丘陵起伏，河谷與盆地錯(cuò)落相間，屬低山丘陵地貌，地形為南高北低。該段內(nèi)發(fā)育有3條小沖溝，沖溝近垂直于線路，溝谷底坡度較緩，自然坡度約12°～20°；但該段山脊和山谷間的小山脊坡度較大，自然坡度達(dá)35°～45°，局部大于45°。

2.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)主要分布泥盆系上統(tǒng)、石炭系下統(tǒng)及二疊系下統(tǒng)地層，根據(jù)該路段施工期間的補(bǔ)充勘察揭示：

2.3 水文地質(zhì)條件

該區(qū)地下水主要為下部強(qiáng)、弱風(fēng)化巖層的孔隙-裂隙水。施工期間鉆孔中未見地下水，但雨季時(shí)地面會(huì)有地表水滲入地下，尤其是左側(cè)山溝中的地表常年流水，直接滲入路基內(nèi)，會(huì)影響路基的穩(wěn)定；雨季時(shí)右側(cè)山溝會(huì)積水。

3 庫區(qū)影響段高填路堤穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性分析方法

運(yùn)用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件Geo-Studio[4]對(duì)高填路堤在庫水位變化條件下的滲流場進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的滲流結(jié)果與傳統(tǒng)的極限平衡方法進(jìn)行耦合，對(duì)庫水位的上升、下降和暴雨情況下分別對(duì)路堤穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性及路堤沿斜坡或軟弱層穩(wěn)定性[5]進(jìn)行計(jì)算。

3.2 高填路堤計(jì)算的地質(zhì)模型

根據(jù)鉆探資料[6]和水文地質(zhì)資料及水庫建成后的蓄水情況，建立高填路基典型地質(zhì)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 典型高填路堤地質(zhì)斷面圖

3.3 滲流分析

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供的地層水文參數(shù)，使用Geo-studio系列軟件中seep/w模塊，對(duì)高填路堤的各種工況進(jìn)行滲流分析。seep/w模塊具有飽和-非飽和非穩(wěn)定滲流計(jì)算功能。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，根據(jù)勘察期間的地下水位作為初始水位，先進(jìn)行庫水位上升過程的模擬計(jì)算，然后再以上升后的穩(wěn)定水位作為初始水位進(jìn)行庫水位下降過程的模擬計(jì)算。

填方段土體滲透系數(shù)7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，其下伏強(qiáng)風(fēng)化基巖滲透系數(shù)2.3×10-3～6.2×10-5cm/s，含碎石亞粘土層滲透系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取值。

在非飽和土滲流計(jì)算數(shù)值模擬過程中，非飽和土的水分特征曲線和非飽和土的滲透系數(shù)是基礎(chǔ)性要素。直接量測(cè)非飽和土的滲透系數(shù)代價(jià)很高，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量非飽和土的滲透系數(shù)不太現(xiàn)實(shí)。本文采用Modified Kovacs方法[7]計(jì)算該段路堤非飽和土水分特征曲線和水力傳導(dǎo)系數(shù)，填土的計(jì)算成果如圖3～圖4所示。

圖3 非飽和土水分特征曲線

圖4 水力傳導(dǎo)系數(shù)

首先按照1m/d的速率上升至正常蓄水位，再設(shè)置90d延長期以待達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，然后以4m/d時(shí)間，水位由蓄水位的穩(wěn)定狀態(tài)驟降至原地面。對(duì)于設(shè)計(jì)洪水位，以蓄水位的穩(wěn)定滲流為基礎(chǔ)，按照1m/d的速率上升至設(shè)計(jì)洪水位，再設(shè)置30d延長期以待達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，然后以4m/d時(shí)間，水位由設(shè)計(jì)洪水位的穩(wěn)定狀態(tài)驟降至原地面。水位升降過程中，路堤內(nèi)的浸潤線如圖5～圖6所示。

圖5 庫水位上升至正常蓄水位瞬態(tài)浸潤線

圖6 庫水位由設(shè)計(jì)洪水位驟降至原地面浸潤線

計(jì)算結(jié)果表明，高填路堤在庫水位升降條件下的滲流場符合一般滲流規(guī)律，庫水位從低水位上升至高水位時(shí)，水體由路堤外向內(nèi)入滲，由于填方體內(nèi)細(xì)顆粒填料的滲透滯后，路堤內(nèi)的飽和滲流場是向內(nèi)凹的；庫水位從高水位下降至低水位時(shí)，水體由路堤向外排泄，填料內(nèi)孔隙水壓力滯留，路堤內(nèi)飽和滲流場是向外凸的，但外凸不是很明顯。

3.4 暴雨工況穩(wěn)定性分析

根據(jù)庫水位升降飽和與非飽和滲流數(shù)值計(jì)算得到路堤暫態(tài)孔隙水壓力，代入slope/w計(jì)算各種工況的高填路堤的穩(wěn)定性。

計(jì)算所用各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

路堤穩(wěn)定性計(jì)算的工況較多，由于篇幅所限，本文僅列出暴雨工況下路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨庫水位變動(dòng)的變化情況。暴雨工況下巖土層的物理力學(xué)采用飽和快剪指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 高填路堤穩(wěn)定性隨庫水位變動(dòng)的變化情況

計(jì)算結(jié)果表明，水庫開始蓄水時(shí)，由于靜水壓力的作用，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)有所增加；延長期，隨著水位上升穩(wěn)定后，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)略有下降；水位驟降時(shí)，靜水壓力不斷減少，但水位下降較慢，路堤內(nèi)地下水位較高，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)急劇下降，路堤處于失穩(wěn)狀態(tài)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在既有高填路堤區(qū)域建設(shè)水庫，在暴雨季節(jié)水庫泄洪時(shí)，高填路堤存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。所以，在建設(shè)水庫前期，應(yīng)對(duì)既有路堤進(jìn)行加固，確保公路的運(yùn)營安全。

3.5 填料滲透系數(shù)對(duì)高填路堤穩(wěn)定性分析

由于填方土體滲透系數(shù)為7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，所以，進(jìn)一步地考慮填方段滲透系數(shù)對(duì)高填路堤的穩(wěn)定性影響。滲透系數(shù)取3.3×10-5cm/s、1.5×10-4cm/s、4×10-4cm/s、5×10-4cm/s和7.6×10-4cm/s，各土層物理力學(xué)指標(biāo)取飽和快剪指標(biāo)，如表1所示。

(1)庫水位上升

從圖8中可以看出，庫水位上升階段，路堤受到庫水產(chǎn)生的靜水壓力，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著庫水位的上升而逐漸增加。

從圖9中可以看出，隨著路堤填土滲透系數(shù)的不斷增大，路堤地下水位上升速率也隨之增大，加劇了滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度降低和填土容重增大的速率，使得路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著滲透系數(shù)的增大而減少。

圖8 高填路堤穩(wěn)定性與庫水位上升關(guān)系圖

圖9 高填路堤穩(wěn)定性隨滲透系數(shù)的變化

(2)庫水位穩(wěn)定期

圖10 高填路堤穩(wěn)定性與庫水位關(guān)系圖

從圖10中可以看出，當(dāng)庫水位處于穩(wěn)定期，不同滲透系數(shù)下的填土路堤安全系數(shù)均隨著蓄水時(shí)間的增加而減少，由此可說明，隨著蓄水時(shí)間的增加，路堤地下水位逐漸升高，使得路堤的抗剪強(qiáng)度和容重增加，降低了路堤穩(wěn)定性。但是，當(dāng)滲透系數(shù)較小時(shí)，路堤安全系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間增長，在一定時(shí)間內(nèi)的安全系數(shù)仍然隨著滲透系數(shù)的增大而減少。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，路堤地下水位上升的速率隨著路堤滲透系數(shù)的減少而減少，較小的路堤滲透系數(shù)能夠減緩庫水向路堤滲透，對(duì)于水位上升期和穩(wěn)定期的路堤穩(wěn)定性有利。

(3)庫水位下降

圖11 高填路堤穩(wěn)定性與庫水位關(guān)系圖

圖12 庫水位下降與高填路堤安全系數(shù)降低速率的關(guān)系

從圖11可以看出，由于地下水位的下降滯后于庫水位的下降，不同滲透系數(shù)下的填土路堤安全系數(shù)均隨著庫水位的下降而減少。

從圖12可以看出，當(dāng)滲透系數(shù)為3.3×10-5時(shí)，路堤穩(wěn)定性降低速率較大，由此說明，路堤滲透系數(shù)較小將會(huì)使得路堤地下水位滯后性更加明顯，安全系數(shù)降低的速率增大，不利于路堤的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件Geo-Studio對(duì)高填路堤在庫水位變化條件下的滲流場進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的滲流結(jié)果與傳統(tǒng)的極限平衡方法進(jìn)行耦合，計(jì)算庫區(qū)影響段高填路堤的穩(wěn)定性。該方法是合適的，且所得的計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際。

(2)庫水位上升時(shí)，水體由路堤外向內(nèi)入滲，路堤內(nèi)的滲流場是向內(nèi)凹的；庫水位下降時(shí)，水體由路堤向外排泄，路堤內(nèi)滲流場是向外凸的，但外凸不是很明顯。

(3)水庫開始蓄水時(shí)，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)有所增加；水位穩(wěn)定后，安全系數(shù)略有下降；水位驟降時(shí)，靜水壓力不斷減少，但水位下降較慢，安全系數(shù)急劇下降。

(4)水庫水位上升期和穩(wěn)定期，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著滲透系數(shù)的增大而減少；水位驟降時(shí)，路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)降低速率隨著滲透系數(shù)的降低而增大。