馮文剛

（北京中水利德科技發(fā)展有限公司山東分公司，山東 臨沂 276000）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，國家大力新建基礎(chǔ)設(shè)施，水庫對(duì)保障人民用水有著至關(guān)重要的作用。因自然因素或人類活動(dòng)造成的邊坡失穩(wěn)災(zāi)害逐漸增多，不僅對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成不利影響，更加威脅人民財(cái)產(chǎn)生命安全。因此，針對(duì)庫岸邊坡失穩(wěn)問題的研究已逐漸成為當(dāng)前的熱點(diǎn)之一。

針對(duì)庫岸邊坡失穩(wěn)問題，眾多學(xué)者通過不同的方法開展了一系列的研究。李王浩等以某涉水庫岸邊坡為研究對(duì)象，通過有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析了水位變動(dòng)對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；并系統(tǒng)研究了水邊升降幅度和水位升降速率對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。張祖蓮等以紅土庫岸邊坡為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了水位變動(dòng)下紅土的力學(xué)特性變化；基于此，深入研究了水位變動(dòng)對(duì)紅土庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。周世良等基于某泥巖庫岸工程，從水-巖相互作用機(jī)理出發(fā)，研究了泥巖庫岸邊坡的穩(wěn)定性；并對(duì)相關(guān)敏感因素進(jìn)行了參數(shù)分析。曾剛以水庫庫岸邊坡為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察分析了庫岸邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡的機(jī)理；并結(jié)合有限元軟件，分析了庫水升降作用下庫岸邊坡的變化規(guī)律。賈逸等以某運(yùn)行水庫為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得了水庫蓄水和放水過程中邊坡的變形規(guī)律；進(jìn)一步通過數(shù)值模擬手段研究水庫不同運(yùn)行條件下庫岸邊坡的穩(wěn)定性。宋丹青等以水庫蓄水過程為研究對(duì)象，分析了水庫蓄水對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。

以紅土庫岸邊坡為研究對(duì)象，通過土工試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法，研究了不同因素對(duì)紅土邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

選取水庫邊坡處的紅土制備試驗(yàn)試樣，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》，試樣比重為2.71，最優(yōu)含水率為26.50%，最大干密度為1.40 g/cm3，黏粒（粒徑小于0.05×10-1mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.80%，粉粒（粒徑小于0.75×10-1mm 大于0.05×10-1mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.80%，砂粒（粒徑大于0.75×10-1mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.40%。

2.2 試驗(yàn)制樣

試驗(yàn)選了三種不同初始干密度的紅土進(jìn)行制樣，分別為1.20 g/cm3、1.30 g/cm3、1.40 g/cm3，初始含水率都為26.50%。根據(jù)試驗(yàn)所研究的工況制備不同含水率的試件，為使紅土與水混合充分，先靜置試件約24 h。將靜置后的試樣裝入環(huán)刀，隨后采用分層擊實(shí)，以獲得設(shè)計(jì)干密度試樣。所有試件需一次性制備完成。

2.3 試驗(yàn)方案

為模擬紅土抗剪強(qiáng)度在水庫水位變動(dòng)下的變化規(guī)律，對(duì)試樣開展不同干濕循環(huán)次數(shù)的對(duì)比工況，共進(jìn)行11 個(gè)不同工況試驗(yàn)，表1 給出了工況表，從而獲得不同循環(huán)次數(shù)下的紅土抗剪強(qiáng)度。對(duì)于水庫庫岸邊坡，當(dāng)水庫水位上升（或水庫蓄水）時(shí)，水分入滲邊坡的過程對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的浸泡增濕過程；當(dāng)水庫水位下降（或水庫放水）時(shí)，水分從邊坡滲出的過程對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的脫濕風(fēng)干過程。在對(duì)試樣浸泡增濕之前，首先稱重試樣，然后將試樣浸泡水中1 d，以達(dá)到增濕目的。然后將浸泡后的試樣脫濕風(fēng)干。對(duì)于脫濕風(fēng)干后的試樣質(zhì)量與浸泡增濕前的試樣質(zhì)量差小于浸泡增濕前的試樣質(zhì)量的0.10%時(shí)，則可看作試樣本次干濕循環(huán)試驗(yàn)成功。將完成干濕循環(huán)試驗(yàn)的試樣開展直剪試驗(yàn)。依據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果繪制莫爾圓包線，然后計(jì)算出試樣的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和粘聚力。

表1 不同試驗(yàn)工況表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)紅土抗剪強(qiáng)度的影響

圖1 水庫邊坡模型圖

水庫邊坡土體的抗剪強(qiáng)度是邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。水庫水位升降過程影響了邊坡土體微結(jié)構(gòu)特征，因而對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度有顯著影響。圖2 給出了試樣抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，并給出了三種不同初始干密度工況。從圖中可以看出，對(duì)于相同的初始干密度試樣，增加試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)會(huì)導(dǎo)致試樣的抗剪強(qiáng)度先迅速下降隨后緩慢下降直至穩(wěn)定?？辜魪?qiáng)度的變化可以分為三個(gè)階段：第一階段，當(dāng)試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)＜6次時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度迅速下降；第二階段，當(dāng)6＜試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)次＜10 時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度緩慢下降；第二階段，當(dāng)試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)次＞10 時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)保持試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)不變時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度隨著初始干密度的增大而增大。這是因?yàn)榧t土試樣在浸泡增濕時(shí)會(huì)吸水膨脹，在風(fēng)干脫水時(shí)會(huì)收縮體積，這種膨脹收縮過程會(huì)改變其膠結(jié)結(jié)構(gòu)，從而使得試樣產(chǎn)生裂縫并發(fā)展，水分會(huì)通過裂縫更多的滲入邊坡內(nèi)部。隨著水分逐漸滲入邊坡，邊坡土體的含水率逐漸提高，從而土顆粒間結(jié)構(gòu)鍵力被逐漸破壞，最終破壞了土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，試樣經(jīng)過干濕循環(huán)試驗(yàn)后抗剪強(qiáng)度被削弱。綜上所示，干濕循環(huán)對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度的影響歸結(jié)于干濕循環(huán)破壞了土樣微結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)改變了其顆粒形態(tài)和排列，顆粒間距隨之增大，孔隙比也隨之增大。但干濕循環(huán)對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度的影響時(shí)在一定范圍內(nèi)的，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，這種影響逐漸削弱。這是因?yàn)榻?jīng)過多次干濕循環(huán)后，土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)大幅下降但逐漸達(dá)到新一個(gè)平衡。因此，當(dāng)經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，其抗剪強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。

圖2 試樣抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線圖

3.2 邊坡傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究邊坡傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，在保持水庫水位變化一致的前提下，模擬了不同干濕循環(huán)不同邊坡傾角工況，邊坡傾角從25°增大到70°。圖3給出了邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨邊坡傾角的變化曲線，并對(duì)比了10種不同干濕循環(huán)條件。從圖中可以看出，在保持水庫水位變化一致的條件下，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)不超過4次時(shí)，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨著邊坡傾角的增大逐漸減?。划?dāng)干濕循環(huán)次數(shù)超過4次后，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著邊坡傾角的增大的變化規(guī)律：首先迅速下降，隨后略有增長，隨后又逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。當(dāng)邊坡傾角從45°增加到50°時(shí)，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)下降速率最大，在邊坡傾角增大50°時(shí)，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到最小值。以干濕循環(huán)次數(shù)為0為例，當(dāng)邊坡傾角為45°時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.73；當(dāng)邊坡傾角為50°時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)下降至1.644，較邊坡傾角為45°下降了約4.90%。另一方面，當(dāng)邊坡傾角為50°時(shí)，干濕循環(huán)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響最為顯著。此時(shí)干濕循環(huán)次數(shù)為0所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.64，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增大到15次時(shí)，邊坡安全系數(shù)下降到1.26，降幅約24%?？梢?，對(duì)于邊坡傾角處于45°～50°范圍內(nèi)的紅土水利邊坡，邊坡穩(wěn)定性最差，同時(shí)水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也最為顯著。 對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著邊坡傾角的增大總體呈下降趨勢(shì)的規(guī)律，主要原因是邊坡傾角的變化會(huì)改變了庫岸邊坡的滑動(dòng)力和抗滑力，從而引發(fā)了邊坡力學(xué)機(jī)制的變化。隨著邊坡傾角的增大，邊坡的滑動(dòng)力增大，而抗滑力減小，因此邊坡穩(wěn)定性下降。

圖3 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨邊坡傾角的變化曲線圖

為更好地分析干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，圖4給出了邊坡穩(wěn)定性隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，并給出了三種不同初始干密度的工況。從圖中可以看出，當(dāng)試樣初始干密度一定時(shí)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)＜6次時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)迅速減小；當(dāng)6≤循環(huán)次數(shù)≤10 次時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)緩慢減小，減小幅度變小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)≥20 時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨逐漸趨于穩(wěn)定，即紅土邊坡達(dá)到一個(gè)新平衡狀態(tài)。

圖4 邊坡穩(wěn)定性隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線圖

4 結(jié)論

以紅土庫岸邊坡為研究對(duì)象，通過土工試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法，研究了不同因素對(duì)紅土邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：①對(duì)于相同的初始干密度試樣，增加試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)會(huì)導(dǎo)致試樣的抗剪強(qiáng)度先迅速下降隨后緩慢下降直至穩(wěn)定。具體的，當(dāng)試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)＜6 次時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度迅速下降；當(dāng)6＜試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)次＜10 時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度緩慢下降；當(dāng)試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)次＞10時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。②當(dāng)邊坡傾角從45°增加到50°時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)下降速率最大，在邊坡傾角增大50°時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到最小值。當(dāng)邊坡傾角為50°時(shí)，干濕循環(huán)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響最為顯著。