王 緒

(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(yáng)，350001)

1 引言

新安江水庫(kù)即千島湖，是浙江省內(nèi)最大的水體，也是重要的森林生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)千島湖的開(kāi)發(fā)必須圍繞著生態(tài)平衡而展開(kāi)，庫(kù)岸區(qū)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題也是其中研究的重點(diǎn)。浙江是雨水充沛的省份，每年的雨季必然會(huì)有大量的強(qiáng)降雨，這會(huì)導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低。前人對(duì)庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性也有較多的研究。廖紅建等[1]以三峽水利工程為背景，研究了水位的周期性調(diào)節(jié)對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性影響，得出了降水速度和滲透系數(shù)以及邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系；雷小芹等[12]研究了降雨導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的機(jī)制；董金玉等[2]利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及巖土數(shù)值分析軟件分析了蓄水和降雨過(guò)程中邊坡變形破壞的特征，提出了邊坡變形特征的特點(diǎn)；李友林[3]則從地質(zhì)條件的角度來(lái)分析邊坡類型對(duì)降雨的敏感度；葉帥華等[5，7]進(jìn)行了黃土高邊坡遇到降雨條件下的穩(wěn)定性分析，得出了相關(guān)規(guī)律；杜娟娟和黃亮[4，6，9-10]等主要研究降雨和水位下降對(duì)邊坡的影響，結(jié)果表明水位下降會(huì)導(dǎo)致安全系數(shù)先降后升；余兵與林渝等[8，11]發(fā)現(xiàn)邊坡的裂隙對(duì)安全系數(shù)也有較大影響。

然而，前人的研究多是立足在水位上升或者降雨等單一影響因素上進(jìn)行的分析，實(shí)際情況下在雨季的時(shí)候庫(kù)區(qū)水位上漲的同時(shí)，降雨也會(huì)接踵而至，應(yīng)該充分考慮兩者同時(shí)作用的情況。本文依靠高速公路路堤臨湖邊坡為工程背景，充分考慮了不同情況下降雨和水位升降對(duì)庫(kù)區(qū)臨湖路堤邊坡的穩(wěn)定性影響。

2 工程概述

新安江水庫(kù)作為千島湖被人們廣為熟知，是著名的旅游景點(diǎn)。千島湖位于浙江省淳安縣內(nèi)，是浙江省境內(nèi)最大的水庫(kù)。擬建高速公路穿越過(guò)千島湖庫(kù)岸區(qū)，對(duì)千島湖的生態(tài)環(huán)境、庫(kù)區(qū)水質(zhì)、生物多樣性等都有影響。臨湖建設(shè)公路路堤邊坡，庫(kù)岸區(qū)復(fù)雜的水文環(huán)境對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性有著很大的影響。高速公路經(jīng)過(guò)千島湖時(shí)，臨湖段路堤邊坡通過(guò)拋石填湖制造平臺(tái)，然后在上面堆填路基填料并壓實(shí)形成路堤邊坡，邊坡的一部分在水面以下。湖面水位漲落受季節(jié)性降雨影響較大。經(jīng)過(guò)調(diào)查可知夏季水位高達(dá)108m，冬季枯水期水位在98m左右，水位漲落差達(dá)10m。路堤邊坡填料是含有粗顆粒的粉質(zhì)砂土，坡度最高為1∶1.5，由于邊坡高度較大，在邊坡上設(shè)置平臺(tái)作為緩沖。

路堤邊坡填料經(jīng)過(guò)傾倒、壓實(shí)后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)和室內(nèi)測(cè)試得到的物理參數(shù)如表1。

表1 地基土力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模型的建立

3.1 模型參數(shù)取值及網(wǎng)格劃分

為了模擬土質(zhì)邊坡受到潮水漲落的影響，利用有限元軟件邁達(dá)斯建立邊坡模型。在本次計(jì)算過(guò)程中，將坡面邊界定義成為滲透邊界以分析水位作用。模型的邊界條件定義為左右約束其X方向的位移，底部固定。滲透邊界定義為左右邊緣為零流量邊界，底部為不透水層，模型的上緣(包括邊坡頂部、坡面和坡腳平臺(tái))為滲透層，其滲流量與土體滲透系數(shù)、降雨量等有關(guān)。為了模擬水位的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算開(kāi)始前把湖面水位設(shè)置在坡腳處，而后緩慢上升10m。在邁達(dá)斯中，水位變化的模擬通過(guò)水頭大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型的示意圖、網(wǎng)格圖和水位圖如圖1所示。

圖1 邊坡示意圖與有限元網(wǎng)格(單位：m)

潮水漲落及降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響是一個(gè)飽和-非飽和的滲透問(wèn)題。既要考慮到土體飽和情況下的滲流問(wèn)題，也要分析非飽和土體的特性，因此，土體的水土特征曲線，即SWCC和滲透性相關(guān)函數(shù)是必要的研究對(duì)象。圖2和圖3給出了基質(zhì)吸力與體積含水量的關(guān)系曲線(SWCC)以及基質(zhì)吸力與非飽和土滲透系數(shù)的關(guān)系，前者描述了含水率和土中的吸力的關(guān)系，后者決定了非飽和土中的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系。土體的飽和滲透系數(shù)為0.25m/d，結(jié)合水土特征曲線可推導(dǎo)出圖3所示的關(guān)系曲線。通過(guò)這兩條曲線，就可以由土的含水率得出土的基質(zhì)吸力，這是進(jìn)行邊坡非飽和土分析的基礎(chǔ)。

圖2 邊坡土體水土特征曲線

圖3 邊坡土體基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

3.2 水位變化在模型中的實(shí)現(xiàn)

在庫(kù)岸區(qū)路堤邊坡的穩(wěn)定性分析中，水位漲落的速度有著重要的作用。通過(guò)當(dāng)?shù)厮馁Y料調(diào)查，可知夏季最高水位上升速度可達(dá)0.43m/d。為此，本文選擇了三種工況用于模擬不同水位上升速度對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響。工況1、工況2和工況3庫(kù)岸區(qū)水位上升速度分別為0.4m/d、0.2m/d和0.1m/d，分析時(shí)間分別為55d、80d和130d。即以坡腳為水位零點(diǎn)，水位從坡腳開(kāi)始上升至10m處，并持續(xù)30d。當(dāng)水位下降時(shí)，工況4、工況5以及工況6分別代表了坡面水位以0.4m/d、0.2m/d和0.1m/d的速率從10m處下降至坡腳，分析總時(shí)間分別為58d、110d和160d。水位的變化可以通過(guò)坡面孔隙水壓力的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。

邁達(dá)斯分析邊坡穩(wěn)定性是采用強(qiáng)度折減法分析理論。通過(guò)邊坡強(qiáng)度系數(shù)的折減，可得到邊坡土體在極限情況下的應(yīng)力應(yīng)變最大值、剖面的滑動(dòng)面、塑性區(qū)的位置和發(fā)展以及邊坡整體的安全系數(shù)，并由此反映出客觀的邊坡破壞機(jī)理。

圖4 水位上升工況

圖5 水位下降工況

3.3 降雨條件模擬

與其他有限元軟件一樣，邁達(dá)斯可以通過(guò)設(shè)置降雨邊界函數(shù)來(lái)模擬降雨條件。降雨強(qiáng)度可以設(shè)置單位時(shí)間的流通量來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是只能夠模擬降雨全部入滲進(jìn)邊坡的情況，排除了坡面徑流和積水的可能。在現(xiàn)實(shí)降雨過(guò)程中，由于降雨強(qiáng)度和坡面滲透性的限制，可分為三種情況。一是當(dāng)降雨強(qiáng)度小于邊坡的滲透性，降雨流量可以全部通過(guò)滲透進(jìn)入坡體里面；二是當(dāng)降雨強(qiáng)度大于邊坡滲透性時(shí)，降雨流量的一部分滲透進(jìn)入邊坡，而另外一部分將會(huì)在邊坡表面形成小型積水，在積水達(dá)到一定程度之后會(huì)相互連接在一起形成坡面徑流，從而使坡面積水通過(guò)徑流排到湖中去；最后一種情況是當(dāng)邊坡的表面土層由于滲透已經(jīng)接近飽和了，此時(shí)坡體的滲透性接近于零，雨水無(wú)法滲入坡體中，則會(huì)導(dǎo)致所有雨水會(huì)通過(guò)坡面徑流排走，并不會(huì)進(jìn)入邊坡內(nèi)部。

本次計(jì)算模擬降雨強(qiáng)度分為三個(gè)不同的等級(jí)，分別為0.004m/d、0.008m/d和0.016m/d。邊坡降雨條件在有限元中也可以通過(guò)流量邊界條件進(jìn)行設(shè)置，在坡頂和坡面進(jìn)行滲流量邊界條件的設(shè)置以模擬降雨強(qiáng)度。工況7、工況8和工況9是當(dāng)水位以0.4m/d的速率上升時(shí)不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。工況10、工況11和工況12則是模擬水位下降時(shí)不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

表2 模擬工況總匯

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

圖6展示了工況1-工況3的安全系數(shù)與分析時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著水位逐漸上升，不同工況下的安全系數(shù)都呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢(shì)。其中工況1安全系數(shù)上升得最快，頂點(diǎn)也最高，這種現(xiàn)象表明水位上升越快，安全系數(shù)上升更快更高。導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是當(dāng)水位上升時(shí)，湖面的水緩慢滲透進(jìn)入坡體內(nèi)部，對(duì)邊坡土體產(chǎn)生了一個(gè)指向邊坡內(nèi)部的動(dòng)水壓力，邊坡土體從非飽和過(guò)渡到飽和，從而使土顆粒更加密實(shí)，邊坡趨于穩(wěn)定。水頭上升的快慢直接影響了動(dòng)水壓力的大小，所以導(dǎo)致了水位上升越快，安全系數(shù)越高的現(xiàn)象。隨著水位越高，安全系數(shù)上升得更快了。這是因?yàn)樗惠^低時(shí)，動(dòng)水壓力的方向幾乎是水平的，對(duì)土體顆粒之間的作用較低；而當(dāng)水位較高時(shí)，動(dòng)水壓力的方向近似垂直于坡面，所以對(duì)邊坡穩(wěn)定性貢獻(xiàn)更高。

當(dāng)水位達(dá)到最高點(diǎn)而后趨于穩(wěn)定時(shí)，邊坡整體的安全系數(shù)不再上升，反而隨著分析時(shí)間的增加漸漸下降，最終趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)水頭穩(wěn)定后，土體含水量漸漸飽和，動(dòng)水壓力也就隨之消失了。而后由于土中的孔隙充滿了水，導(dǎo)致土體強(qiáng)度的衰減，安全系數(shù)慢慢下降，直到其穩(wěn)定在1.4左右。

時(shí)間(d)

4.2 水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，得出水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7所示。由圖中可以看出，當(dāng)邊坡湖面水位下降時(shí)，邊坡整體的安全系數(shù)先是下降，而且下降的趨勢(shì)慢慢趨于緩慢。當(dāng)下降到最低點(diǎn)時(shí)反彈，最終上升至1.5左右才穩(wěn)定。這種現(xiàn)象的內(nèi)在原因是動(dòng)水壓力方向的改變。當(dāng)水位下降時(shí)，土體內(nèi)部水位的下降滯后于湖面，此時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力由土體內(nèi)部指向外部，所以導(dǎo)致土體的不穩(wěn)定性增加。開(kāi)始時(shí)邊坡土體的穩(wěn)定性下降得比較快，而后安全系數(shù)下降的頻率越來(lái)越慢。這是由于水位較高時(shí)動(dòng)水壓力的方向幾乎垂直于坡面向外，而且坡體的下部分由于飽和所以強(qiáng)度下降。當(dāng)水位較低時(shí)，動(dòng)水壓力的方向變成幾乎水平。動(dòng)水壓力的大小與水位下降速率直接相關(guān)，這與前文所得結(jié)論是一致的。

經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)后，由于動(dòng)水壓力的逐漸消失和坡體內(nèi)部水的排出，導(dǎo)致土體的穩(wěn)定性增強(qiáng)了，最終比水位下降前更高。這就說(shuō)明了相對(duì)于飽和土，非飽和土的穩(wěn)定性更高。這是非飽和土基質(zhì)吸力的存在使土顆粒之間的連接更加緊密的緣故。

時(shí)間(d)

4.3 降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

圖8顯示的是當(dāng)水位上升時(shí)，不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響?？梢钥闯?，跟水位漲落相比，降雨的作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不大。降雨對(duì)邊坡具有一定的削弱作用，使邊坡表面土體吸水，基質(zhì)吸力降低，導(dǎo)致邊坡土體強(qiáng)度下降，安全系數(shù)減小。在這個(gè)過(guò)程中，由于降雨量是有限的，以及土體滲透系數(shù)等影響，導(dǎo)致了降雨只能使邊坡表層的土體基質(zhì)吸力降低甚至飽和。降雨強(qiáng)度的大小與土體基質(zhì)吸力降低的快慢有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，基質(zhì)吸力減小得越快。可以知道，降雨使雨水滲透進(jìn)入土體內(nèi)部，會(huì)產(chǎn)生水頭壓力，使邊坡更穩(wěn)定。但是這個(gè)作用非常微弱，并沒(méi)有達(dá)到很大的影響。所以降雨對(duì)邊坡的主要作用是降低邊坡表層的基質(zhì)吸力，削弱穩(wěn)定性。

圖9是邊坡水位下降時(shí)，不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。可以看出，無(wú)論水位上升還是水位下降，降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響都是小于水位漲落的，而且降雨對(duì)邊坡的主要作用就是降低邊坡的穩(wěn)定性。

時(shí)間(d)

時(shí)間(d)

5 結(jié)論

本文利用邁達(dá)斯有限元軟件，結(jié)合工程路堤邊坡案例以及當(dāng)?shù)厮募敖涤陾l件，計(jì)算分析了在比較理想的情況下庫(kù)岸區(qū)水位上升以及降雨條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬采用了飽和-非飽和模型進(jìn)行研究。因?yàn)榉秋柡团c飽和土相比，具有基質(zhì)吸力的作用，使邊坡土體顆粒相互之間連接更加緊密，有利于提高穩(wěn)定性。而水位的變化和降雨條件可以降低甚至消除這種負(fù)孔壓的作用，這是庫(kù)岸區(qū)邊坡分析的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析研究，主要的結(jié)論如下：

(1)邊坡水位的升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有重要的影響。當(dāng)水位上升時(shí)，動(dòng)水壓力的作用使安全系數(shù)增加；當(dāng)水位穩(wěn)定，土體接近飽和時(shí)，動(dòng)水壓力消失，邊坡安全系數(shù)降低，最終由于基質(zhì)吸力的消失而變得更加不穩(wěn)定。

(2)當(dāng)水位下降時(shí)情況與上升時(shí)相反，安全系數(shù)先降低后升高，最終比水位下降前更高。只是在同樣的水位升降下，邊坡土體的排水時(shí)間比進(jìn)水時(shí)間更長(zhǎng)。水位上升和下降的速度也有一定的影響，變化更快導(dǎo)致動(dòng)水壓力更大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性會(huì)更有利或不利。

(3)對(duì)于庫(kù)岸區(qū)邊坡，影響邊坡穩(wěn)定性因素主要是邊坡的水位，坡面的降雨由于產(chǎn)生的動(dòng)水壓力較小，所以對(duì)邊坡的作用是削弱了邊坡的穩(wěn)定性。這一點(diǎn)無(wú)論水位上升還是下降的情況下都是一樣的。