水庫岸坡排水降壓模擬研究①

汪葉萍 陳洪凱

摘 要：庫水位驟降對造地型填土岸坡滲流及穩(wěn)定性具有重要影響，該文通過geo-studio模擬軟件對巫山寧江島岸坡進(jìn)行排水管設(shè)置的數(shù)值分析研究，提出了水位驟降下的填土體岸坡與護(hù)岸結(jié)構(gòu)的同步排水技術(shù)，通過模擬發(fā)現(xiàn)在靠近岸坡底部設(shè)排水管，排水降壓效果更明顯，利于降低岸坡體內(nèi)因水位驟降而產(chǎn)生的強(qiáng)大滲透力，并最終分析得到在設(shè)計(jì)工程中可以采用“下密上疏”的布置原則設(shè)置排水管，為巖土減災(zāi)的科學(xué)發(fā)展及社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)安全研究提供了重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬 排水降壓 滲流 岸坡穩(wěn)定

中圖分類號：P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0044-02

三峽庫區(qū)岸坡排水技術(shù)研究是庫岸和港口碼頭穩(wěn)定安全研究的重要內(nèi)容之一，也是地質(zhì)災(zāi)害防治研究的組成部分。三峽大壩形成后庫區(qū)水位將在145～175 m間周期性地變化，庫水位的周期性變化不可避免地會影響庫岸擋墻回填土力學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生滲透力，進(jìn)而劣化岸坡穩(wěn)定性，大量的工程實(shí)踐和現(xiàn)場研究表明，水是影響水庫岸坡穩(wěn)定性的主要因素之一，其危害作用十分明顯。因此，盡量減少地表水向坡體內(nèi)入滲并有效排出坡體內(nèi)的地下水，對于岸坡的治理至關(guān)重要。

目前常見的地下水排水措施主要有：滲溝、盲溝、滲井、排水涵洞、水平排水孔、集水井以及盲洞等。國內(nèi)外學(xué)者對岸坡防治排水工程進(jìn)行了深入研究，陳野鷹和唐紅梅等[1]創(chuàng)建了多級串聯(lián)虹吸排水技術(shù)并首次應(yīng)用于庫區(qū)港口岸坡穩(wěn)定性方案設(shè)計(jì)，能有效地防治邊坡局部崩塌或整體滑動破壞等地質(zhì)災(zāi)害。劉毓氚[2]利用有限元數(shù)值分析研究降雨強(qiáng)度與持續(xù)時間對于福建地區(qū)壓實(shí)殘積土的影響，發(fā)現(xiàn)水平排水設(shè)施的位置與數(shù)量對于排水效果的影響十分突出。L. Piccinini等[3]通過研究Apennines山脈北部山體滑坡受地下水和降雨的影響，并建立三維地下水流模型發(fā)現(xiàn)設(shè)置水平排水管在降低壓力水頭的同時減小坡面滑移速度。本文通過geo-studio模擬軟件針對寧江島造地型護(hù)岸邊坡實(shí)施水位漲落過程中的填土與護(hù)岸結(jié)構(gòu)同步排水的關(guān)鍵技術(shù)研究，并揭示濱海濱庫地帶填土岸坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，是巖土減災(zāi)科學(xué)發(fā)展及社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)安全保障的主要科學(xué)目標(biāo)。

1 寧江島造地型岸坡工程概況

寧江島岸坡屬于水庫岸坡人工造地，位于三峽水庫巫山縣大寧河與長江交匯處，由第四系人工堆填層、沖積粘性土層、殘坡積碎塊石土層組成，該護(hù)岸工程主要采用拋石護(hù)角、堆石壩、碾壓回填土、坡面防護(hù)，重力式擋墻等五種技術(shù)措施[4]，目的在于防止岸坡巖土體被庫水沖蝕破壞，主要是通過放坡來保證岸坡穩(wěn)定，未考慮同步排水降壓技術(shù)，而三峽庫水位每年漲幅在145m至175m之間，寧江島岸坡受庫水位漲落影響明顯，庫水位變動使得土質(zhì)岸坡處在周期性的水的浸泡狀態(tài)[5]，破壞了岸坡原有的自然平衡條件，盡可能削弱或消除庫水位降落過程中岸坡內(nèi)地下水滯留并產(chǎn)生強(qiáng)大滲透力成為該排水降壓護(hù)岸工程的關(guān)鍵。

2 排水降壓滲流模擬結(jié)果

該文主要模擬水位驟降條件下岸坡設(shè)置排水管前后的滲流就穩(wěn)定性變化情況，取初始水位在175m時的滲流情況作為水位下降前的初始條件，此時假設(shè)岸坡體內(nèi)外水位保持一致，均為175m，為一理想靜止?fàn)顟B(tài)。統(tǒng)一取水位降落速度為5m/d，岸坡初始狀態(tài)如圖1所示穩(wěn)定系數(shù)為1.116，采取單獨(dú)或組合方式分4種工況設(shè)置排水管，分別模擬的岸坡滲流穩(wěn)定性變化如圖2所示。

利用Seep/w模塊進(jìn)行滲流分析模擬時，當(dāng)為穩(wěn)定滲流時，將排水管處設(shè)置為零壓力水頭邊界，本文為非穩(wěn)定滲流分析，應(yīng)將排水管設(shè)置為一種interface材料，并將其法向和切向滲透系數(shù)設(shè)置成較大的數(shù)值，具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際工程土層排水情況賦值。

（1）從圖1中可以看出在庫水位驟降條件下，岸坡穩(wěn)定系數(shù)從初始的1.116陡降至0.481，整體處于失穩(wěn)狀態(tài)，坡體內(nèi)水受到土體表面張力，土體顆粒的粘結(jié)和摩擦力的作用，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，水位驟降時來不及排出，使得岸坡體內(nèi)水位始終高與庫水位。（2）圖2中開始設(shè)置排水管后，岸坡體內(nèi)滲透壓力得到緩解，浸潤線隨著排水管的位置發(fā)生改變，岸坡更趨于穩(wěn)定，圖3-a中當(dāng)只在145m處設(shè)置排水管，模擬得到的穩(wěn)定系數(shù)為0.555，比未設(shè)排水管時穩(wěn)定性有所提高，且從圖中可以看出設(shè)置排水管位置周圍的浸潤線有明顯的變化，更趨于與岸坡外水位持平。（3）圖2-a，2-b，2-c中可以看出，隨著排水管設(shè)置位置的不同，從145m到160m，再到170m，發(fā)現(xiàn)排水管位置處浸潤線均有明顯的拐點(diǎn)，相對而言，145m處的排水降壓效果最為明顯，在實(shí)際岸坡排水工程中可考慮“下密上疏”的設(shè)置原則，節(jié)約成本的同時也能提高排水效率。

3 結(jié)論

水位陡降時，填土造地岸坡護(hù)岸結(jié)構(gòu)后部坡體內(nèi)水位線下降速度滯后于外部水位線，在庫岸護(hù)岸結(jié)構(gòu)前后形成水頭差，使填土岸坡防護(hù)結(jié)構(gòu)易因積水長期浸泡，影響其穩(wěn)定性。因此，實(shí)施填土岸坡與防護(hù)結(jié)構(gòu)的同步排水研究對保證填土岸坡穩(wěn)定及其安全運(yùn)營具有重要意義。

（1）在庫水位周期性浸泡作用下，寧江島岸坡土體發(fā)生軟化或泥化，土的C、φ值也隨之降低，水下土體受到浮力的作用后，有效壓應(yīng)力相應(yīng)減小，降低了土體抗滑能力，設(shè)置排水管能有效的降低坡體內(nèi)水位，從而降低其滲透壓力，減小水對土體的有效浮力，增加岸坡穩(wěn)定性。（2）排水管數(shù)量設(shè)置越多，同步排水效果越明顯，岸坡體內(nèi)外水頭差懸殊越小，但在實(shí)際工程中還要考慮成本及施工工藝的影響，并不是排水管設(shè)置的越多越好，當(dāng)排水管數(shù)量增多，排水及開挖成本相應(yīng)增高，所以在實(shí)際工程中要綜合估算其價值，選擇最合理的排水管數(shù)量和開挖間距。（3）水位驟降時，排水管埋設(shè)的位置越低，排水效果越好，岸坡穩(wěn)定系數(shù)在實(shí)際工程中可以采用“下密上松”的布置原則設(shè)管，節(jié)省成本的同時也能提高排水效率，此外該文未考慮排水管長短的布置與岸坡滲流及穩(wěn)定性之間的關(guān)系，在實(shí)際中可根據(jù)工程需要通過遴選回填材料、排水管道直徑以及設(shè)置間距綜合提高排水降壓效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳野鷹，唐紅梅，周作茂，等.三峽水庫港口岸坡排水方案優(yōu)化研究[J].水運(yùn)工程，2006（5）：33-38.

[2] 劉毓氚.壓實(shí)殘積土降雨滲流特性與填土邊坡排水設(shè)計(jì)研究[J].福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38（3）：432-436.

[3] L.Piccininia，M.Bertib，A. Simonib，et al.Slope stability and groundwater flow system in the area of Lizzano in Belvedere[J].Engineering Geology，2014，183（9）：276-289.

[4] 崔志波，陳洪凱，陳濤.改造地功能的水庫岸坡防護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（1）：95-99.

[5] 何曉英.高變幅水庫岸坡造地型護(hù)岸結(jié)構(gòu)修筑關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2011.