張文雙

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

1 概 述

邊坡工程是較為重要的水利工程項(xiàng)目，但是由于我國多地處于暴雨集中區(qū)，加之區(qū)域內(nèi)邊坡環(huán)境條件復(fù)雜，導(dǎo)致邊坡災(zāi)害事故逐年增加，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。引起邊坡失穩(wěn)的因素眾多，如水位變化、降雨入滲、地震等作用，都極易觸發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。因此，如何對(duì)復(fù)雜條件下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行合理有效地分析，是一項(xiàng)具有重要研究?jī)r(jià)值的工作，對(duì)目前的邊坡工程設(shè)計(jì)以及施工都有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

與普通邊坡相比，庫岸邊坡長(zhǎng)年受到庫水位漲落變化的影響，使得庫岸坡體內(nèi)地下水的滲流場(chǎng)不斷發(fā)生變化，對(duì)土體的物理力學(xué)性能造成影響，進(jìn)而改變庫岸邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，庫岸邊坡的失穩(wěn)破壞問題受到很多研究學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。楊金林[1]等研究了水位升降速度對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與庫水位升降成線性關(guān)系，當(dāng)水位上升時(shí)，安全系數(shù)增大，反之減小。肖志勇[2]等以三峽某滑坡堆積體為研究對(duì)象，利用Geostudio軟件，以間歇下降水位的方式研究多階段下降水位和不同間歇時(shí)間降水對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)水位間歇性下降有助于坡體內(nèi)孔隙水壓力的消散。占清華[3]等通過含有軟弱層的邊坡模型進(jìn)行庫水位升降試驗(yàn)，分析在庫水位變化時(shí)的坡體孔隙水壓力、土壓力及位移的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在庫水位上升時(shí)，由于受到水的浸泡，導(dǎo)致邊坡抗滑力降低發(fā)生滑移變形，整體上出現(xiàn)穩(wěn)定、緩慢變形和整體滑移3個(gè)階段。張登[4]等以尾礦庫工程為例，建立了邊坡時(shí)變分析數(shù)值模型，研究了庫水位變化和降雨入滲耦合作用下的邊坡安全系數(shù)與時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果表明降雨和水位耦合會(huì)削弱尾礦庫的安全系數(shù)，且隨著水位上升速度的減慢，加快了邊坡安全系數(shù)滯后效應(yīng)，反之減弱。郭志華[5]利用現(xiàn)有程序通過對(duì)實(shí)際工程的多種方案進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隨著庫水位下降減慢，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì)。

綜上所述，目前學(xué)者大多從庫水位變化、坡體內(nèi)是否含有軟弱夾層等方面入手，研究各個(gè)因素對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。因此，本文將通過不同的坡比和坡前水位降落速度，探究坡內(nèi)滲流場(chǎng)及坡體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，分析不同工況條件下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為坡前水位變化工況下的邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

2 庫岸邊坡滲流模型試驗(yàn)

2.1 工程概況及模型參數(shù)

本文以福建省福鼎市內(nèi)某一高速公路工程為依托，其路堤高約32.5 m，坡率為1∶1.5，采用1∶50的相似比建立邊坡模型(圖1)。選取重度相似比為1∶1，根據(jù)相似理論關(guān)系，推導(dǎo)其他物理量綱相似關(guān)系，見表1。

圖1 路堤邊坡模型示意圖

表1 模型試驗(yàn)相似關(guān)系

2.2 土樣物理力學(xué)參數(shù)

通過現(xiàn)場(chǎng)人工取土作為本研究的試驗(yàn)土樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)可以獲得該土樣為砂土，容重為19.4 kN/m3，滲透系數(shù)為2.4×10-2cm/s，黏聚力為0，摩擦角為32 °。并通過顆分試驗(yàn)測(cè)定其粒徑組成，其結(jié)果見表2。

表2 土體顆分試驗(yàn)結(jié)果

2.3 試驗(yàn)方案

本文將通過不同的坡比和坡前水位降落速度，探究坡內(nèi)滲流場(chǎng)及坡體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，分析不同工況條件下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，設(shè)置如下試驗(yàn)方案，見表3。

表3 試驗(yàn)方案

2.4 試驗(yàn)步驟

本研究試驗(yàn)過程按照以下步驟進(jìn)行：

1) 在模型底部鋪設(shè)厚5 cm的反濾層，提供充足的排水通道。

2) 采用控制密度法，按照每層10 cm的厚度分層填筑邊坡。

3) 進(jìn)行蓄水步驟并靜置較長(zhǎng)時(shí)間，使坡內(nèi)滲流場(chǎng)充分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 打開出水口，控制不同流速，以模擬坡前水位下降的過程。

在試驗(yàn)過程中，要時(shí)刻注意觀察記錄坡內(nèi)的水位線隨時(shí)間的變化規(guī)律，試驗(yàn)過程見圖2。

圖2 路堤邊坡圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水位下降速率對(duì)坡體滲流場(chǎng)的影響分析

對(duì)具有代表性的組2、組3試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中2組分別為試驗(yàn)坡前水位下降速度v=0.043 cm/s和v=0.039 cm/s。圖3為在坡前水位下降過程中，兩組試驗(yàn)坡內(nèi)浸潤線隨時(shí)間的變化規(guī)律圖。

圖3 路堤邊坡浸潤線隨時(shí)間變化圖

由圖3可知，在整體上，兩組試驗(yàn)坡體內(nèi)的浸潤線均伴隨坡前水位的下降而下降，且坡面水位要低于邊坡后緣水位，存在一定的滯后現(xiàn)象。究其原因是由于坡體的滲流方向是由坡內(nèi)指向坡面的，故而在坡體的內(nèi)部形成水壓力差，這種壓力差不利于邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)水壓力差較大時(shí)易造成邊坡的失穩(wěn)破壞。

在試驗(yàn)前期，浸潤線變化出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象。這是由于在坡前水位保持0.039 cm/s的速度持續(xù)下降情況下，坡面與邊坡后緣的水平距離逐漸增大，即坡內(nèi)滲流路徑增加，最后導(dǎo)致坡面與邊坡后緣之間的水壓力差同時(shí)也在不斷增大，因此坡面與坡體后緣浸潤線不能夠保持同步。在試驗(yàn)后期，坡前水位保持穩(wěn)定，在坡內(nèi)水壓力差作用下，邊坡后緣水位穩(wěn)定下降，水壓力差也逐漸減小。在83 min后，兩組試驗(yàn)坡內(nèi)所形成的水壓力差基本消散。

3.2 水位下降速率對(duì)坡體孔隙水壓力的影響分析

通過改變水位下降速率來研究坡體穩(wěn)定性，得到坡體內(nèi)x=40 cm、x=130 cm兩點(diǎn)處水頭與坡前水位隨時(shí)間變化對(duì)比圖(圖4)。

圖4 路堤邊坡不同位置水頭隨時(shí)間變化圖(不同水位下降速度)

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在水位下降過程中，由于受到滲流路徑的影響，與坡外水位下降值相比，坡內(nèi)水位的下降值明顯滯后現(xiàn)象顯著，同時(shí)也側(cè)面說明坡體后緣測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力比坡面附近測(cè)點(diǎn)消散慢。在水位下降前期，組2中x=130 cm點(diǎn)處坡體內(nèi)外水位達(dá)到0～14 cm的滯后差，在83 min后消散約85.7%。而同樣的組3試驗(yàn)中x=130 cm，在水位下降前期坡體內(nèi)外水位達(dá)到0～10.9 cm的滯后差，在83 min后消散約83.02%。由上述兩組x=130 cm處的水頭變化規(guī)律可知，組2試驗(yàn)水位降速較大，所形成的內(nèi)外水位滯后差也較大，由于滲流力與水力坡降呈正比關(guān)系，當(dāng)坡前水位降速越大時(shí)，坡體內(nèi)部所形成的滲流場(chǎng)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性越不利。

3.3 坡度對(duì)坡體孔隙水壓力的影響分析

以1∶2坡比的組1和1∶1.5坡比的組4為研究對(duì)象，取其中x=40 cm、x=130 cm測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到在坡前水位下降過程中，兩組試驗(yàn)邊坡不同位置的水頭隨時(shí)間變化圖(圖5)。

圖5 路堤邊坡不同位置水頭隨時(shí)間變化圖(不同坡比)

由圖5可知，坡內(nèi)不同點(diǎn)水頭隨時(shí)間變化規(guī)律與先前分析結(jié)果大體相同。在前期坡內(nèi)外水位滯后差逐步增加，而在后期呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，且靠近坡體后緣的點(diǎn)與坡面的點(diǎn)存在突出的滯后問題。在水位下降前期，組1試驗(yàn)的滯后值在0～13.72 cm范圍內(nèi)變化，而組4試驗(yàn)的滯后值在0～8.04 cm范圍內(nèi)變化。在歷經(jīng)82 min的水位下降過程后，水位逐步穩(wěn)定，組1和組4的滯后值分別消散了93%和97.8%。通過比較組1與組4的孔隙水壓力消散值發(fā)現(xiàn)，坡比較大的組4與坡比較小的組1相比，其滲流路徑略短，故而坡內(nèi)水頭相對(duì)坡外響應(yīng)較快，同時(shí)所形成的水壓力差最大值比組1要小，這也從側(cè)面反映了邊坡越陡越利于坡內(nèi)孔壓的消散。

3.4 庫岸邊坡穩(wěn)定性影響分析

綜上所述，在水位下降過程中，坡體內(nèi)水位的下降速率要慢于坡前水位的下降速率，存在相對(duì)滯后的現(xiàn)象，這使得坡體前緣與后緣形成明顯的孔隙水壓力差，引起坡體內(nèi)部的滲流由坡體后緣向前緣發(fā)展，這種滲流力將會(huì)對(duì)邊坡內(nèi)部土體起到拖曳作用，同時(shí)坡體前緣水位的下降會(huì)對(duì)邊坡表面的外部壓力進(jìn)行卸載，綜合作用下易使原本穩(wěn)定的邊坡存在失穩(wěn)破壞的可能。通過試驗(yàn)結(jié)果中也可得出，前期由于坡前水位推力的不斷減小，并且坡體內(nèi)外的孔隙水壓力差持續(xù)增加，使得水位在下降過程中，兩組試驗(yàn)在不同下降速度下，邊坡表面均出現(xiàn)不同程度的小局部滑移現(xiàn)象。在坡比較大的組4試驗(yàn)中，雖然坡比大的邊坡內(nèi)外水壓力差相對(duì)較小，但是由于其坡形較陡，使得坡體的下滑力也隨之增加而抗滑力減小，在復(fù)雜的外部條件下同樣易發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

4 結(jié) 論

本文通過模型試驗(yàn)，從坡比、坡前水位降速等因素研究了邊坡的滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。對(duì)比分析不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果，得到在不同水位降速下不同坡比邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)理，對(duì)邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。主要結(jié)論如下：

1) 制作長(zhǎng)1.5 m、寬1.0 m、高1 m的亞克力模型箱，研究分析坡前水位變化對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)，可以直觀地觀測(cè)記錄邊坡失穩(wěn)破壞過程，為探究邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理提供參考。

2) 通過試驗(yàn)過程中坡內(nèi)浸潤線的變化情況，得到了坡內(nèi)不同點(diǎn)處水頭隨坡前水位降速的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著坡前水位的下降，坡內(nèi)浸潤線也呈逐漸下降趨勢(shì)，坡體后緣水位降速總是滯后于坡外水位降速，且該現(xiàn)象距坡體后緣水平距離越短則越明顯。

3) 試驗(yàn)前期，隨著水位下降，坡體內(nèi)外形成的孔壓差也逐漸增大；試驗(yàn)后期，在坡前水位保持穩(wěn)定不變后，坡內(nèi)外孔壓差開始逐漸減小趨于穩(wěn)定。

4) 由試驗(yàn)可知，坡體內(nèi)由坡內(nèi)指向坡外的滲流，是引起邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素。且滲流力隨著坡前水位降速坡度的增大而增大，這不利于坡內(nèi)孔隙水壓力的消散，導(dǎo)致坡內(nèi)外水位滯后現(xiàn)象明顯。