人工渠道水位下降速率對路堤邊坡穩(wěn)定的影響

劉翠容，孔德惠

(西南交通大學 峨眉校區(qū) 土木系，四川 峨眉山 614202)

1 情況介紹

在西部大開發(fā)的政策支持下，基礎水利設施和交通設施都處在快速的建設過程中，新建鐵路、公路難以避免與灌溉渠道等水利設施相鄰。若渠道位于路堤坡腳處，可兼作路堤排水溝，暴雨后渠道水位需盡快下降，若下降速率不同，其滲流場不同，從而路堤邊坡穩(wěn)定性也會改變。大量的工程實踐已經證明了這一點。因此搞清渠道以不同水位下降速率的滲流對邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律對于路堤邊坡的防護和治理工程具有重要的意義。本文以下列路堤為計算模型，路堤頂寬11 m，路堤高 7 m，邊坡坡率為 1∶1.5，渠道為梯形，底寬為2 m，高為2 m，邊坡坡率為1∶1.5。如圖1所示。

圖1 路堤橫斷面

2 滲流場模擬

2.1 建模及確定計算參數

對該滲流場作動態(tài)分析，滲流計算模型如圖2所示。其中，路堤的水傳導率函數如圖3所示，體積含水率函數如圖4所示。初始情況，渠道的水位以下節(jié)點的邊界條件為定水頭邊界H=7.5 m，水位變化后，總水頭為時間的函數，如圖5所示。路堤頂及邊坡的邊界條件為單寬流量 q=1.15×10－6m3/s，模擬年平均降雨量。

圖2 滲流計算模型

圖3 水傳導率函數

2.2 滲流場模擬

按照上述模型運用GEO-SLOPE軟件的SEEP模塊進行計算，計算時改變水渠水位的下降速率，分別為v1=12.5 cm/h，v2=6.25 cm/h，v3=3.17 cm/h，由于篇幅限制，滲流模擬結果只給出了三種下降速率下，12 h后的結果如圖6～圖8所示。

圖4 體積含水率函數

圖6 當v1=12.5 cm/h時，12 h后的滲流模擬結果

圖7 當v2=6.25 cm/h時，12 h后的滲流模擬結果

圖8 當v3=3.17 cm/h時，12 h后的滲流模擬結果

在上述模擬計算結果圖中，虛線表示坡體內的地下水浸潤線，數字表示總水頭等值線數值。由圖可知，渠道水位下降速率不同時，人工渠道的滲漏對路堤邊坡滲流場的影響不同。

3 邊坡穩(wěn)定模擬

邊坡的穩(wěn)定分析計算模型如圖9，計算時采用SLOPE/W模塊畢肖甫法，路堤土重度可取γ=19 kN/m3，黏聚力 c=4 kPa，內摩擦角 φ =42.7°，路基土重度取 γ =21 kN/m3，黏聚力 c=40 kPa，內摩擦角 φ =25.0°。

圖9 邊坡穩(wěn)定分析模型

邊坡穩(wěn)定分析模塊SLOPE/W是用網格法來搜索危險滑動面的。方法是首先在邊坡上方確定一個范圍，然后把這個范圍劃分成網格(見圖9右上角)，網格上每個結點都是有待試算的搜索圓心，即圖中的旋轉中心。再在坡體內確定一系列的直線，即控制半徑切線(見圖9)。以每一個旋轉中心作為圓心做與控制半徑切線相切的圓弧，對它們進行穩(wěn)定計算，求出其中最小安全系數所對應的圓心位置及滑弧。如果該圓心在網格周邊的結點上，則所求即是危險滑移面及其安全系數，否則，需要重新調整旋轉中心或控制半徑的范圍。開始時可以把搜索范圍劃得大一些，然后再根據計算的結果縮小、細化搜索的范圍，以提高搜索的效果。

按照上述方法，分別計算水渠水位的下降速率分別為 v1=12.5 cm/h，v2=6.25 cm/h，v3=3.17 cm/h時不同時刻的邊坡穩(wěn)定安全系數，其孔隙水壓力采用滲流場SEEP/W計算的相應總水頭數據文件，由于篇幅限制，邊坡穩(wěn)定分析結果只給出了三種下降速率下，12 h后的結果如圖10～圖12，其余結果列于表1中。

圖10 v1=12.5 cm/h，12 h后邊坡穩(wěn)定分析結果

圖11 v2=6.25 cm/h，12 h后邊坡穩(wěn)定分析結果

圖12 v3=3.17 cm/h，12 h后邊坡穩(wěn)定分析結果

表1 路堤邊坡安全系數匯總

由表1可得圖13。

在上述模擬結果圖中，表示出了最危險的滑塊、滑弧及相應的安全系數。由模擬結果可知:

1)渠道水位下降速率不同時，安全系數隨時間的變化規(guī)律相同，都為先減小而后逐漸增大到初始狀態(tài)。

圖13 安全系數隨時間變化曲線

2)水位下降速率不同，安全系數達到最小值所需的時間也不同。本算例中，當v1=12.5 cm/h時，安全系數2 h后達到最小值;當 v2=6.25 cm/h、v3=3.17 cm/h時，安全系數4 h后達到最小值。

4 結論與建議

綜上所述，本文對人工渠道水位以三種速率下降時的滲流場及其對路堤邊坡的穩(wěn)定影響進行了分析，得出了以下結論和建議:

1)由滲流模擬結果可知，人工渠道的滲漏影響到大約2 m范圍內路堤坡腳，這說明規(guī)范規(guī)定“路堤排水溝與坡腳水平距離至少2 m”是合理的。

2)路堤邊坡最危險的情況不是人工渠道處于最高水位，而是水位急劇下降后的一段時間，本算例為2～4 h時段。這說明在實際工程中路堤，尤其是浸水路堤，坡腳的加固處理，必須考慮水位動態(tài)變化的影響。

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