曹 磊，易 宸，劉 娟，王江營，劉思博

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410131；2.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；3.湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410004)

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程速度不斷加快，現(xiàn)有地面交通逐漸無法滿足人民日益增長的交通需求，解決交通需求迫在眉睫。目前，地鐵是一種解決城市交通問題的有效措施之一[1-2]，隨著地鐵項目的不斷增多，地鐵建設(shè)將不可避免地穿越江河堤防，穿堤隧道的修建及地鐵運營將對堤防產(chǎn)生不利影響，而我國大量堤防工程歷史悠久，受到當(dāng)時施工條件限制，這些堤防在運營至今多數(shù)出現(xiàn)了一些不同程度的隱患[3-4]，穿堤隧道的修建將進(jìn)一步加劇堤防的險情，甚至造成嚴(yán)重的工程事故。因此，研究穿堤隧道堤防安全具有十分重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段，已有部分學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于隧道穿堤的相關(guān)研究[5-8]，且主要集中在隧道開挖對堤防的安全影響方面，而關(guān)于隧道運營階段的研究則相對較少，尤其是水位變化下下伏隧道堤防的安全影響方面的研究則更少。但在水位變化下，下伏隧道堤防將處于較不利工況下，分析該工況下的堤防安全對于下伏隧道工程施工和運營管理均具有重要的指導(dǎo)意義。

鑒于此，本研究基于有限元應(yīng)力計算對處于不同驟降速率下伏隧道堤防穩(wěn)定性進(jìn)行探討，同時結(jié)合邊坡穩(wěn)定分析獲得了堤岸在各個階段的安全穩(wěn)定系數(shù)。

1 工程概況

1.1 堤防及隧道基本特征

某堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，警戒水位36.00 m (黃海高程，下同)。加超高2.0 m，設(shè)防頂高程為38 m，城區(qū)側(cè)地面高程為36 m。堤防為由雜填土堆砌的土堤，堤頂寬5 m。迎水坡坡比1∶3。穿堤隧道洞徑6.2 m，施工采用地下盾構(gòu)掘進(jìn)的方式，穿越處地層主要為中風(fēng)化礫巖和少量泥質(zhì)粉砂巖，隧道下穿段地質(zhì)圖見圖1；隧道頂端距河床底部最小距離約9.3 m，距河堤埋深22 m～27 m。

圖1 地質(zhì)分布剖面圖

1.2 水位變化情況

長沙地區(qū)年平均降水量為1 300 mm～1 500 mm，徑流與降水關(guān)系相關(guān)度較高，年均變化較大且分布不均。平均流量為2 100 m3/s，汛期為4月至9月，枯水期為10月至下年2月。水位變化較大，因此，針對汛期水位變化幅度較大時期進(jìn)行案例分析。

2 分析方法

2.1 堤防邊坡滲流原理

該堤防主要由填土組成，滲透系數(shù)相對較小，故洪水位的變化總先于滲流浸潤線的變化，且屬于地下水富集地段的岸坡，洪水位突然降低時，堤防中水體沒有及時排出，洪水位低于浸潤線最高點，極易形成超孔隙水壓力，造成土顆粒間的有效應(yīng)力降低[9]。與此同時，巖土體在高流速水的沖刷下又會減小其抗滑阻力，容易產(chǎn)生崩塌和滑坡。因此，洪水位變化是影響堤防邊坡穩(wěn)定的重要因素。

假定堤防土體中的水和氣滿足達(dá)西滲流條件，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可推出水-氣兩相滲流微分方程[10]，即：

(1)

(2)

式中:ρg、ρw分別為氣、水密度；kws為飽和水滲透系數(shù)，krg為氣相相對滲透系數(shù)；μg、μw分別為氣相、水相動力黏度；qg、qw分別為氣相、水相的匯源項；sg、sw分別為氣、水飽和度；Hg、Hw分別為氣頭、水頭。

2.2 非飽和土抗剪強度理論

受剪破壞是土的主要破壞模式，抗剪強度參數(shù)是影響穩(wěn)定性的主要因素，也是壩坡穩(wěn)定性最為重要的計算參數(shù)?？衫肕ohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則與有效應(yīng)力表達(dá)飽和土抗剪強度參數(shù)。氣的存在導(dǎo)致無法使用經(jīng)典飽和土力學(xué)理論。眾多學(xué)者據(jù)此提出了一些非飽和土體計算公式，其中應(yīng)用最為廣泛的是Fredlund的雙參數(shù)模型[11]:

τ′=c′+(σf+μa)ftanφ′+(μa+μw)tanφb

(3)

式中:τ′為土的抗剪強度；c′為土的有效黏聚力；(σf+μa)f為有效法向應(yīng)力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；(μa+μw)為基質(zhì)吸力；φb為吸力內(nèi)摩擦角。

由飽和土抗剪強度公式可以延伸出非飽和土抗剪強度公式，非飽和土抗剪強度公式里用(σf+μa)f與(μa+μw)描述非飽和土抗剪強度?？墒怪^渡到飽和土的強度計算公式。

2.3 驟降速率對堤岸的影響效應(yīng)

促使滑坡變形發(fā)生的原因主要是水位在“陡升驟降”階段的變化。各國學(xué)者在判斷水位降低速率方面暫未得到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但多數(shù)是以相對比值k/(μV)作為降低速率的判別依據(jù)。其中，V為上游水位降速，k、μ分別是土的滲透系數(shù)及給水度。

根據(jù)文獻(xiàn)[11-14]可將k/(μV)作為評判水位下降快慢的依據(jù)用于判定堤壩穩(wěn)定性。當(dāng)k/(μV)<1/10 時，堤體內(nèi)自由水面下降速率緩慢，可按庫水位驟降問題分析，在計算堤防穩(wěn)定時需采用完全飽和土體；k/(μV)>10 時，壩體內(nèi)自由水面與庫水位同步下降，滲流對穩(wěn)定性無影響；1/1060時水位下降速度已不致影響壩坡穩(wěn)定性；k/(μV)>100時水位與自由面同步下降。

為給計算提供標(biāo)準(zhǔn)需要一個用于鑒別驟降與緩降的具體指標(biāo)。將上述整理變形可得當(dāng)水位下降速率V>10k/μ時發(fā)生驟降。計算堤防土體參數(shù)和水位驟降速度結(jié)果見表1?；趯嶋H考慮取整數(shù)3×10-3cm/s，即V>3 m/d時，堤防水位驟降，應(yīng)對堤防進(jìn)行驟降滲透穩(wěn)定分析。此時穩(wěn)定分析的速率按實際計算所得水位驟降速率進(jìn)行計算。給水度μ的數(shù)值根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[16](GB 50286—2013)中估算取用。

表1 水位驟降參數(shù)

3 計算模型及物理力學(xué)參數(shù)

3.1 計算模型

本文借助有限元分析軟件對某既有隧道堤防進(jìn)行建模分析，基于現(xiàn)場踏勘結(jié)果及工程概況，對典型堤防段建立三維實體模型。按我國現(xiàn)有的水利、地鐵規(guī)范規(guī)定：工程等級為4級、5級的堤防工程護(hù)堤寬度范圍在5 m～30 m。模型水平方向向隧道兩側(cè)取8倍洞徑，共計50 m；模型垂直方向上由封頂管片向上取約6倍洞高，從河床底向上取約3倍洞高，豎向高程分別為38 m和21 m；隧底距模型底邊界2 m；模型垂直河流方向取93 m。共劃分19 258個節(jié)點，17 467個單元。

根據(jù)現(xiàn)場條件確定模型邊界條件：設(shè)定底層礫巖為不透水邊界；右側(cè)沿江風(fēng)光帶為透水邊界；左側(cè)河床區(qū)為透水邊界，自然水位與洪水位之間為水位高程與時間成線性的變水頭邊界；位于河床下1 m處為地下水位線，可視為定水頭邊界。堤防最高點橫剖面模型位移邊界條件如圖2所示。下伏隧道堤防建模在GTS軟件中進(jìn)行，建立的模型見圖3。

圖2 模型邊界示意圖

圖3 有限元計算模型

3.2 計算參數(shù)

應(yīng)用GTS分析計算區(qū)域滲流場與應(yīng)力場耦合作用時，應(yīng)給定圍巖滲透系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)裂隙采樣法計算的滲透系數(shù)與工程勘測報告資料，圍巖滲流場分析參數(shù)見表2。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)多年統(tǒng)計，湘江水位最大降幅為4 m/d，則從洪水位降至正常水位需3 d，由于滲流的滯后性，穩(wěn)定性計算時長持續(xù)至7 d。根據(jù)飽和與非飽和滲流原理，以水位驟降速率3 m/d、4 m/d為例，分析水位下降至正常后的堤防滲流場。

表2 主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4.1 水位驟降對滲流的影響

在計算堤體降水過程中，最為關(guān)心的是浸潤線的變化情況，圖4為各個階段浸潤線位置的分布情況。初始浸潤線為軟件自動計算所得，從上至下第一條為設(shè)防水位穩(wěn)定滲流期的浸潤線，依次向下各條為以不同速率驟降后的瞬態(tài)滲流場浸潤線。

圖4 不同驟降速率下堤防滲流場

由圖4可知：(1) 由于淤泥質(zhì)土中存在大量黏土且滲透系數(shù)較小，因此淤泥質(zhì)土中的水位在其底部；(2) 地下水在堤內(nèi)流動時，浸潤線位置隨降水時間越來越低，且水位驟降速率越大，堤內(nèi)浸潤線變化范圍越大；(3) 浸潤線斜率在水位下降期逐補增大，至最后浸潤線與河水位基本重合，直到形成穩(wěn)定滲流場；(4) 浸潤線出現(xiàn)明顯的拐點，拐點前部浸潤線隨堤外水位而變化，成連續(xù)水位線；(5) 堤外水面明顯低于坡內(nèi)水位線，堤內(nèi)水位產(chǎn)生向堤水力梯度，滲透力指向岸邊；(6) 水位驟降速率越快，堤內(nèi)外水位差越大，產(chǎn)生的向堤動水壓力越大，對迎水坡穩(wěn)定越不利。

4.2 水位驟降對堤岸穩(wěn)定的影響

導(dǎo)致堤身浸潤線變化區(qū)土體的孔隙水壓力變化跟不上水位的變化從而出現(xiàn)滯后現(xiàn)象的原因是堤前水位的迅速變化，這使堤內(nèi)土體的受力變得復(fù)雜，從而影響堤岸穩(wěn)定性。因此，在飽和與非飽和滲流分析基礎(chǔ)上分別對處于正常水位情況下和水位驟降情況下的堤防進(jìn)行堤防穩(wěn)定性計算，求得滑動破壞面如圖5所示。

圖5 不同情況下堤防穩(wěn)定

圖5(a)為天然狀態(tài)下堤防滑坡穩(wěn)定性示意圖，未發(fā)生水位驟降正常水位下的堤防，堤防穩(wěn)定性系數(shù)為1.173 5，且滑裂面并不明顯，當(dāng)發(fā)生水位驟降由37 m以4 m/d的速度下降3 d后如圖5(b)，堤防穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.1153且還有繼續(xù)下降的趨勢。將下降速率3 m/d、4 m/d各個不同水位下堤防穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計如表3所示。

表3 不同驟降速率下各不同水位堤防穩(wěn)定性系數(shù)

由表3可知：(1) 在水位驟降過程中，堤防穩(wěn)定性系數(shù)隨水位降低而迅速減??；(2) 水位驟降速率越大，堤防穩(wěn)定性系數(shù)低越快；(3) 同一水位下，驟降速率越小的堤防穩(wěn)定系數(shù)要大于驟降速率較大的堤防。

5 結(jié) 論

(1) 水位驟降時，堤防內(nèi)的水位的變化總是快于浸潤線，形成流向堤外的超孔隙水壓力與滲流，對上游側(cè)堤防的穩(wěn)定不利，堤防應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定情況確定適宜的水位下降時間過程。

(2) 水位迅速驟降至正常水位時，滑坡穩(wěn)定性與暫態(tài)滲流浸潤線和滑坡結(jié)構(gòu)有關(guān)。計算表明，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化是由大變小的。

(3) 汛期洪水會在堤身淺層非飽和區(qū)域形成暫飽和區(qū)域，當(dāng)水位驟降時，這也會導(dǎo)致淺層填埋土的抗剪強度降低，最終導(dǎo)致堤防穩(wěn)定性降低。

綜上，即便每次水位升、降循環(huán)作用下的對堤防的損傷效果可能不是很明顯，但長年累月重復(fù)作用下?lián)p傷效果可能會產(chǎn)生疊加發(fā)展，可能導(dǎo)致穩(wěn)定堤防朝著不穩(wěn)定方向發(fā)展。